无刷直流电动机调速系统Windup现象研究与控制
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2020-02-13
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无刷直流电动机调速系统Windup现象研究与控制
方红伟
夏长亮
（天津大学电气与自动化工程学院，天津，300072）
Email: hongwei_fang@tju.edu.cn
摘要：分析了无刷直流电动机双 PI 控制闭环调速系统中由于电流限幅和 PWM 调压两个非线性饱和环节存在所带来的的
windup 现象，并据此提出了具体的 Anti-windup PI 控制器，对 windup 现象进行了抑制。MatLAB 仿真表明，与传统的 PID
控制器比较，在存在 windup 现象下，该控制器具有超调小、动态响应快等特点。同时，仿真还表明，在电动机外部负载扰
动和内部电阻、电感和转动惯量等参数变化情况下，该控制器均保持了 PID 控制器抗干扰能力强的优点。分析结果对无刷
直流电动机设计和提高无刷直流电动机调速系统性能均有很好的参考价值。
关键词： 无刷直流电动机 比例积分控制器 Anti-windup 设计 参数变化
中图分类号：TM383
1
引言
直流无刷电动机由于利用电子换向代替了电刷，利用永磁转子代替了原来直流电动机的励磁绕组，因
而各方面性能都得到了提高，并在工业、商业和家庭应用等各个领域取得了广泛的应用
[1,2]
。应用 PI 控制
器对无刷直流电动机进行单环或双环调速已获深入研究
[3-5]
，基本上已经满足了不同场合的要求。但是由于
无刷直流电动机是一种多变量、非线性的系统，还有许多问题值得深入研究。目前无刷直流电动机大多利
用 PI/PID 控制器和 PWM 进行调速，速度环后面往往有电流限幅环节，PWM 本身可以看作一个饱和非线
性环节，如图 1 所示。因此无刷直流电动调速系统具有很强的饱和特性，所以当系统进入饱和状态，利用
PI 控制器进行调速的时候，控制器的积分环节必然会造成典型的 Windup 现象，严重时这将会导致系统性
能明显下降。
Anti-windup 设计方法有很多种，主要分为线性结构和非线性结构两大类
[6-8]
。其原理均是根据系统的
限幅作用与否（即根据控制器的输出与被
图 1 双闭环 BLDCM 调速系统框图
Fig.1 BLDCM speed control diagram
控对象的输入是否不等），来停止或限制积分的作用。两者不同的地方只是非线性的 Anti-windup 控制器中
存在开关环节等非线性结构。Anti-windup 方法已经在感应电动机和永磁同步电动机（PMSM）等对象的控
制上得到了应用。文献[9]提出了三种新的 Anti-windup 设计方法，并在 FPGA 中实现，进而对一台感应电
动机进行控制，控制效果良好。文献[10]利用 Anti-windup 电流调节器对表贴式 PMSM 进行弱磁控制，该
控制策略无需额外硬件，软件实现简单。文献[11]则提出了直流调速系统 Anti-windup 比例积分控制器的设
计方法。
本文利用积分箝位式 Anti-windup 设计方法，对无刷直流电动机调速系统进行了研究，仿真表明当 PI
积分输出受限，出现饱和现象时，基于 Anti-windup 的 PI 控制器可以很好的改善系统调速的动态响应效果，
减小系统超调与调节时间。对于电机在带负载起动和额定速度以上的调速，以上优点更加明显。同时各种
参数变化对系统的影响仿真结果表明，该控制器在不同工况下还能保证具有同 PID 控制器至少相等的抗干
扰能力。2
无刷直流电动机中的 Windup 现象分析
2.1 无刷直流电动机模型
理想情况下，无刷直流电动机的三相绕组电压平衡方程为
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
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⎡
+
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⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
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⎡
⎥
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⎥
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⎤
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⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−
+
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⎦
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⎢
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⎡
⎥
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⎥
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⎤
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⎢
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=
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⎥
⎦
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⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
c
b
a
c
b
a
c
b
a
c
b
a
D
00
00
00
00
00
00
e
e
e
i
i
i
ML
ML
ML
i
i
i
r
r
r
u
u
u
(1)
式中：u
a
、u
b
、u
c
分别为定子绕组相电压；r 为相电阻；i
a
、i
b
、i
c
分别为定子绕组相电流；e
a
、e
b
、e
c
分别为定子绕组电动势；L 为相绕组自感；M 为相绕组互感；D 为微分算子。
对式(1)作进一步简化则可以得到相应的电压平衡方程如式(2)所示。
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