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江苏科技大学本科毕业设计（论文）
第三章 无刷直流电机电流滞环控制策略
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统
3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性
关于无刷直流电动机这种正、反转运转的调速体系，尽量地缩短电动机的起动过程和制动过程的时段是提高社会生产效能的重要因素。图3-1中所示，电动机在起动和制动过程当中，电动机容许的最大电流坚持不变，从而得到最大的加速度。当电动机速度达到所需的转速时，电动机达到稳态。当电动机转速达到稳态时，电机电流就必须立即下降，从而使电动机电磁转矩与负载转矩相平衡。从图3-1中可以看出，起动电流和制动电流呈矩形波，转速变化呈梯形波。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
在电动机起动的过程中只有电流起到负反馈的作用，没有产生转速负反馈。当转速达到稳态转速时，电流负反馈不在发挥作用，转速负反馈开始发挥作用。图3-2显示，转速调节器和电流调节器实行串联，并以转速负反馈和电流负反馈来调节电动机的转速和电流。转速调节器的输出成为电流调节器的输入，再以电流调节器的输出来控制电力电子变换器UPE。该调速系统采用双闭环系统，电流环称为内环，转速环称为外环。电动机为了在运行中获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。但在本文中无刷直流电动机的系统结构中转速调节器采用PI调节器，而电流调节器采用滞环调节器[18]。
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图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
3.1.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析
如图3-3所示的双闭环直流调速系统的动态结构图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
图3-3 双闭环直流调速系统的动态结构图
从图3-4中可以看出，电流Id从零迅速递增到Idm，随后在一段时间内维持其值不变，当转速达到所需值时电流又开始下降并经调节后到达稳态值IdL。从转速变化波形中可看出转速先是缓慢上升，随后以恒定的加速度加速上升。当达到所需的转速时由于电流的数值还没有变化，转速任然再上升，经过调节后转速
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才趋于稳态。电动机的起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。电动机的转速调节器也同样经历了快速进入饱和、饱和以及退饱和三种状态。
图3-4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制； （2）转速超调； （3）准时间最优控制。
在双闭环直流调速系统中的转速调节器和电流调节器所起的作用可以归纳如下：
1、转速调节器的作用
1）转速调节器是电动机调速系统中最主要的部分，为了实现无误差，其通常采用PI调节器。
2）对负载变化起抗扰作用。
3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 2、电流调节器的作用
1）电流调节器中的电流与转速调节器的输出量的变化保持关联。 2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
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3）在转速上升的过程中保证电动机获得其允许的最大电流，缩短转速调节的时间。
4）当电动机过载或者堵转时，电流调节器起动自动保护的功能，迅速减小电流的数值，从而避免了电机的损坏。当电动机故障排除后，又能够恢复正常的运行[19]。
3.2 电流滞环控制原理
在本文中，无刷直流电动机的电流控制器采用滞环控制，转速控制器采用PI控制。电动机的电流随着参考电流的变化而变化。电流滞环控制采用PWM逆变器。图3-5表示的是滞环型PWM逆变器。
其工作原理是：当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器的开关管VT1导通，开关管VT2关断，电动机接通直流母线的正端，电流开始上升。反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，逆变器的开关管VT1关断，开关管VT2导通，电动机接通直流母线的负端，电流开始下降。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。
图 3-5 滞环电流跟踪型 PWM 逆变器
3.3 转速PI调节器原理和分析
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