可调速空气采样泵的PI调速的智能控制方法
摘要：本文通过探究无刷电机可调速空气采样泵的可变参数PI控制器的设计、建模、仿真、测试，并与普通PI控制器进行试验比较，认为可变参数PI控制器对调速采样泵的控制性能更好，并且实现方便，因此适合在工程领域广泛采用。
关键词：可变参数PI控制器，可调速空气采样泵（微型调速真空泵），无刷电机
无刷空气采样泵采用的无刷电机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，具有优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩等优点，而且避免了有刷电机电刷和换向器因强迫性接触造成的结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列影响性能和精度的问题，配置无刷电机的调速采样泵被越来越广泛地应用到各种仪器设备和伺服系统中。本文以在实际中应用非常广泛的气海品牌调速采样泵为例分析，具体型号VLK5005-12V。
1、可变参数PI控制器的设计
本调速系统采用双闭环调节，如图1所示。电流环采用滞环调节，滞环控制器工作原理简单．响应速度快，能对电压波动起到及时抗扰作用。速度环采用可变参数PI调节，对负载变化起抗扰作用，PI控制器一旦饱和，起着饱和非线性的作用。其输出幅限值决定于被允许的最大电流。
可变参数PI控制器的实质是针对调速采样泵给定的不同转速采用不同的PI控制器，使之跟踪被控对象特性的变化，保证调速范围内任一转速下空气采样泵均能有良好的动态响应特性。实现过程即在调速范围内取若干关键点．在每个速度点分别设计相应的PI控制器，然后对各个速度点的PI参数进行曲线拟合。得到PI参数随给定转速变化而变化的规律。表1列出了本系统样机在不同转速点设计的PI控制器，速度控制器的动态特性为欠阻尼。阻尼比约0.6。超调量控制在10％左右。最后用最小二乘法拟合的PI参数随给定转速的变化规律为：Kp=5.003/no，Ki=1280/(no-404)，式中no为要求的空气采样泵的稳定速度，由外界给定。
2．系统仿真模型的建立
系统仿真模型是基于Matlah7.0/Simulink上构建。利用Simulink搭建图2的仿真模型如图3所示，它包括调速采样泵本体模块BLDC、逆变器模块Inverter、电流滞环控制模块HysteresisCurrent和转速可变参数PI控制器模块ChangingPI。
3．仿真结果及分析
本仿真系统样机参数：调速采样泵VLK5005-12V（气海品牌），额定电压12VDC，负载电流I＜360mA，电流滞环模块饱和限幅器带宽【-0.1，0.1】。仿真设置：变步长，ode45算法，仿真时间0.2s。通过以下方式进行空气采样泵的BLDC调速系统性能的仿真试验。负载在20s转速从500rpm升到2300rpm，普通PI控制器和可变参数PI控制器的比较如图6所示：可变参数PI控制器在不同转速均体现出良好的调节特性；普通PI控制器在900rpm时有良好的动态特性，在2300rpm时调节性能明显变差。负载恒定，在5s转速从1800rpm调升到2300rpm，如图7所示。调速采样泵保持良好的响应特性。
4．结束语
本文在分析BLDC数学模型的基础上。设计了BLDC的可变参数PI调速系统。仿真结果表明：可变参数的PI调速系统鲁棒性强，调速性能良好。由于该方法实现方便，它将在工程领域得到广泛应用。论文中提供的BLDC仿真模块具有通用性，为BLDC系统的设计和实现提供了实用工具。另外，由于目前未见进口品牌的无刷空气采样泵有PWM调速功能和FG反馈信号功能，因此没有相关测试数据，本文则以国产知名的气海品牌为例论证。选用气海其它型号的调速采样泵测试，比如VLK4506、VLC7602、FAY6003，同样证实上述结论。
FGW-2015-03
摘要：本文通过探究无刷电机可调速空气采样泵的可变参数PI控制器的设计、建模、仿真、测试，并与普通PI控制器进行试验比较，认为可变参数PI控制器对调速采样泵的控制性能更好，并且实现方便，因此适合在工程领域广泛采用。
关键词：可变参数PI控制器，可调速空气采样泵（微型调速真空泵），无刷电机
无刷空气采样泵采用的无刷电机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，具有优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩等优点，而且避免了有刷电机电刷和换向器因强迫性接触造成的结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列影响性能和精度的问题，配置无刷电机的调速采样泵被越来越广泛地应用到各种仪器设备和伺服系统中。本文以在实际中应用非常广泛的气海品牌调速采样泵为例分析，具体型号VLK5005-12V。
1、可变参数PI控制器的设计
本调速系统采用双闭环调节，如图1所示。电流环采用滞环调节，滞环控制器工作原理简单．响应速度快，能对电压波动起到及时抗扰作用。速度环采用可变参数PI调节，对负载变化起抗扰作用，PI控制器一旦饱和，起着饱和非线性的作用。其输出幅限值决定于被允许的最大电流。
可变参数PI控制器的实质是针对调速采样泵给定的不同转速采用不同的PI控制器，使之跟踪被控对象特性的变化，保证调速范围内任一转速下空气采样泵均能有良好的动态响应特性。实现过程即在调速范围内取若干关键点．在每个速度点分别设计相应的PI控制器，然后对各个速度点的PI参数进行曲线拟合。得到PI参数随给定转速变化而变化的规律。表1列出了本系统样机在不同转速点设计的PI控制器，速度控制器的动态特性为欠阻尼。阻尼比约0.6。超调量控制在10％左右。最后用最小二乘法拟合的PI参数随给定转速的变化规律为：Kp=5.003/no，Ki=1280/(no-404)，式中no为要求的空气采样泵的稳定速度，由外界给定。
2．系统仿真模型的建立
系统仿真模型是基于Matlah7.0/Simulink上构建。利用Simulink搭建图2的仿真模型如图3所示，它包括调速采样泵本体模块BLDC、逆变器模块Inverter、电流滞环控制模块HysteresisCurrent和转速可变参数PI控制器模块ChangingPI。
3．仿真结果及分析
本仿真系统样机参数：调速采样泵VLK5005-12V（气海品牌），额定电压12VDC，负载电流I＜360mA，电流滞环模块饱和限幅器带宽【-0.1，0.1】。仿真设置：变步长，ode45算法，仿真时间0.2s。通过以下方式进行空气采样泵的BLDC调速系统性能的仿真试验。负载在20s转速从500rpm升到2300rpm，普通PI控制器和可变参数PI控制器的比较如图6所示：可变参数PI控制器在不同转速均体现出良好的调节特性；普通PI控制器在900rpm时有良好的动态特性，在2300rpm时调节性能明显变差。负载恒定，在5s转速从1800rpm调升到2300rpm，如图7所示。调速采样泵保持良好的响应特性。
4．结束语
本文在分析BLDC数学模型的基础上。设计了BLDC的可变参数PI调速系统。仿真结果表明：可变参数的PI调速系统鲁棒性强，调速性能良好。由于该方法实现方便，它将在工程领域得到广泛应用。论文中提供的BLDC仿真模块具有通用性，为BLDC系统的设计和实现提供了实用工具。另外，由于目前未见进口品牌的无刷空气采样泵有PWM调速功能和FG反馈信号功能，因此没有相关测试数据，本文则以国产知名的气海品牌为例论证。选用气海其它型号的调速采样泵测试，比如VLK4506、VLC7602、FAY6003，同样证实上述结论。
FGW-2015-03
