I
分类号： 单位代码：
10300
密 级： 学 号：
20162283681
硕士学位论文
无刷直流电机调速滑模预测控制策略研究与实现
Research and Implementation of Speed Sliding Mode Predictive Control
Strategy for Brushless DC Motor
申 请 人 姓 名 ： 高严凯
指 导 教 师： 郭 伟 教授
合 作 教 师： 孔 涛 老师
专 业 名 称： 控制工程
研 究 方 向： 无刷直流电机控制
所 在 学 院： 自动化学院
二○一九年六月
II
III
目 录
摘 要
......................................................................................................................................... I
Abstract...................................................................................................................................... II
第一章 绪论...............................................................................................................................1
1.1
研究背景及研究意义
...................................................................................................1
1.2 本文研究的主要创新点...............................................................................................2
1.3 本文主要研究内容.......................................................................................................2
第二章 无刷直流电机控制系统
...............................................................................................4
2.1 控制系统总体架构.......................................................................................................4
2.2
无刷直流电机的架构、原理及数学模型
...................................................................4
2.2.1 无刷直流电机基本架构.....................................................................................4
2.2.2
无刷直流电机运行原理
.....................................................................................5
2.3 本章小结.......................................................................................................................8
第三章 无刷直流电机调速控制策略
.....................................................................................10
3.1 控制算法概要.............................................................................................................10
3.1.1 PI
算法
...............................................................................................................10
3.1.2 滑模变结构控制................................................................................................11
3.1.3 预测函数控制算法...........................................................................................12
3.2 幂指数趋近律的滑模变结构控制.............................................................................12
3.2.1
基于离散幂数趋近律的滑模变结构控制
.......................................................14
3.2.2 无刷直流电机调速系统 Matlab 仿真............................................................. 16
3.3 滑模预测控制算法.....................................................................................................19
3.3.1
滑模预测算法设计
...........................................................................................19
3.3.2 无刷直流电机调速系统 Matlab 仿真............................................................. 22
3.4
本章小结
.....................................................................................................................28
第四章 系统软硬件介绍设计.................................................................................................29
4.1 控制系统硬件架构.....................................................................................................29
4.2 硬件结构的电路设计.................................................................................................30
4.2.1 DSP
及其外围接口
........................................................................................... 30
4.2.2 驱动电路...........................................................................................................31
IV
4.2.3
电源电路
...........................................................................................................32
4.2.4
检测电路
...........................................................................................................32
4.3 系统软件设计.............................................................................................................33
4.3.1 DSP 软件设计................................................................................................... 33
4.3.2
系统主程序流程
...............................................................................................35
4.3.3 中断服务子程序...............................................................................................35
4.4
转速环控制方法设计
.................................................................................................37
4.5 本章小结.....................................................................................................................38
第五章 实验结果与分析.........................................................................................................39
5.1 实验平台简介.............................................................................................................39
5.1.1
控制处理器
.......................................................................................................39
5.1.2 电机参数...........................................................................................................41
5.2
实验结果分析
.............................................................................................................42
5.3 本章小结.....................................................................................................................44
第六章 总结与展望.................................................................................................................46
6.1
全文总结
.....................................................................................................................46
6.2 研究展望.....................................................................................................................46
参考文献...................................................................................................................................48
致 谢.......................................................................................................................................54
I
摘 要
在当下社会，随着计算机和电力电子技术的不断发展，对于各个方面都需要进行改
进优化，对于电机控制领域亦是如此。本文采用无刷直流电机（
BLDCM
）作为研究对
象，考虑到其本身结构简单运行效率高的特点，对于其控制策略的改进也需要不断的深
入研究。
本文首先对于无刷直流电机的工作原理、结构体系和数学模型进行介绍。
其次介绍了目前的一些智能控制算法，并以此为研究背景，提出滑模预测相结合的
控制策略。对于离散时间系统的指数趋近律的滑模变结构，证明其理论上滑模动态不能
趋近于原点，抖动的存在无法抑制，于是提出了幂次趋近律和指数趋近律相结合的幂指
数趋近律，并论证了其趋近律的到达条件、稳定性和收敛性等问题，保证了滑模动态趋
近的运动质量，通过仿真来验证了该趋近律的收敛性，并且能够削弱抖动，增强了系统
的鲁棒性。
根据预测函数中滚动优化策略可以有效地弥补模型误差问题，并且能有效的处理各
种约束，因此在滑模控制中加入预测控制的思想。滑模预测控制算法既有滑模变结构控
制的强鲁棒性，又有有效的约束处理能力。无刷直流电机控制中速度环的作用是保证系
统在被控对象参数变化以及增加突变的扰动时，具有响应速度与抗扰动能力，抑制转速
波动，同时能够快速、准确的跟踪给定速度。通过仿真结果验证了该方案可以有效地减
弱抖动，加快系统的响应时间，对系统参数变化和外加干扰具有很强的鲁棒性。
最后本文所用是基于
DSPTMS320F28335
的实验平台，对实验软硬件平台进行介绍，
分析控制算法所运行的流程，在空载的情况下，对于
PI
控制、传统滑模控制、幂指数趋
近律的滑模控制、滑模预测控制进行电机调速实验对比分析。由实验结果可以分析得到，
改进后的幂指数趋近律的实验效果和传统滑模相比较明显改善，改进的滑模预测控制电
机调速有着更快的响应速度，且能够迅速达到稳定，同时也有效地消除了抖动，有着强
鲁棒性，能够满足电机调速系统的需求。
关键词：无刷直流电机，滑模变结构，预测控制，DSP 控制。
