（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电动机模糊pi控制系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学碜+ 学盟论文 s t u d yo i lf u z z y p ic o n t r o ls y s t e mo fb l d c m a b s t r a c t t h eb m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) c o n t r o ls y 7 s t e mi sah o v e ls p e e d - v a r i a b l e s y s t e m i to f f e r se x c e l l e n tc h a r a e t e r i s t i c so fo p e r a t i o n ，c o n t r o la n de c o n o m y , a n d s h o w sg r e a td e v e l o p i n gp o t e n t i a l i t y f u r t h e r m o r e , o u rc o u n t r yh a sr i c hr a r e e a r t h r e s o u r c e s ，a n d m a n u f a c t u r eo fr a r e e a r t h m a g n e t s t e e l sh a s a l r e a d y r e a c h i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s i th a ss t r a t e g i cs i g n i f i c a n c et h a tt h ec o m p e t i t i v ep o w e ro fo u r c o u n t r y sm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t sw i l lb ee n h a n c e di ni m e m a t i o n a l m a r k e t s ，i f m a k i n gf u l lb e n e f i to f a n dg i v i n gf u l lp l a yt oo u ra d v a n t a g e si nt h i sf i e l d , a n dd e v e l o p i n gr a r e - e a r t hp e r m a n e n t - m a g n e tm o t o r st of o r mas e r i e so fp r o d u c t so f b l d c m i nv i e wo fa b o v e - m e n t i o n e dr e a s o l l s , t h i st h e s i sm a k e sad e t a i l e ds t u d yo n t h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm e t h o d st ob l d c m 、 o nt h eb a s i so ft h es u m m a r yf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp e r m a n e n t m a g n e tb l d c ms p e e d - v a r i a b l es y s t e m , t h i st h e s i si n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e m w h i c hr i s e sd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at oc o n t r o lt h ec o m m u t a t i o na n ds p e e do f b l d c m n l ef u z z yp ih y b r i dc o n t r o ls c h e m ei sa p p l i e d a n dan o v e lf u z z yp i i n t e l l i g e n tm e t h o di sp r o p o s e dt oc o n t r o lt h es p e e ds c r v os y s t e m n l es i m u l a t i o i l r e s u l t ss h o wt h a ti tw o r k sw e l lw i t hh i g hd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo w i n gt o i t sa d v a n t a g ei nq u i c kr e s p o n s ea n dg o o dr o b u s t n e s s p w mm o d e su s e di nt h e b l d c mc o n n o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d , a n dd i f f e r e n te f f e c to ft h ea r m a t u r ec u r r e n t w i t ht h ep w mm o d e sa r ea n a l y z e d 1 f l l er e c e n t l yr e s e a r c hr e s u l t sf o rp w mm o d e so f t h eb l d c ma r es u m m a r i z e d a tt h es a n et i m e ，b yd i s c u s s i n gt h ea d v a n t a g e sa n dt h e d i s a d v a n t a g e so ft h ed i f f e r e n tp w mm o d e s 。a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sg a l lp r o v et h e c o n c l u s i o na b o v e k e y w o r d sb l d c m ；d s p ；f u z z yp ic o n t r o l ；p w mm o d e s 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无刷直流，t 动机模糊p i 控制 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻汝颂上学位期日j 独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：翮，富日期：州年；，! ，；同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无刷直流电动机模糊p i 控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并甸有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工夫学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 容。 本学位论文属于 保密u ，在年解密后适用授权挡 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：羽、席 日期：五坤缉岁j j ，角 导师签名：彩砷仫f 比) 日期：7 新年； 侈日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无刷直流电动机的发展现状及趋势 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民 经济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机的主要类型有同步电动机，异 步电动机( 又称感应电动机) 。直流电动机三种。 众所周知，直流电动机具有调速性能好的优点，在需要调速的应用领域占 有重要地位。但是传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换相，由于 机械摩擦而产生的噪声，火花，电磁干扰以及寿命短等致命弱点再加上制造成 本高以及维修困难的缺点，大大限制了它的应用范围。科学技术的进步，新技 术新材料的不断涌现促进了电动机的推陈出新。在上世纪3 0 年代，就有人开始 研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电动机。至1 9 5 5 年，美国人 哈利森等人首次申请用晶闹管换向线路代替机械换相器的专利，标志着现代无 刷直流电动机的诞生。1 9 7 8 年原联邦德国m a n 奎i e s m a h n 公司的i n d r a m a t 分部 在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电动机及其驱动系统， 标志着永磁无刷直流电动机真正进入了实用阶段。无刷直流电动机用一套电 子换向装置代替了有刷直流电动机机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔 而平滑的优良调速特性。同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列 缺点，具有高能量密度，高转矩惯性化以及高效率等特点。 由于各种电动机迅速发展对高性能永磁体的需要和电流充磁器的发明，人 们对永磁材料进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢等多种永磁材料，以及 2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钴永磁材料和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料，磁性能 有了很大提高。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩余磁通密 度不高，限制了它们在电动机中的应用范围。一直n 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代， 稀土钻永磁和铷铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 相继问世，它们的高剩磁密度、 高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电动机，从 而使永磁电动机的发展进入了一个新的历史阶段。由于铷铁硼永磁材料的磁性 能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中铁的含量是镍 的十凡倍，而且不含战略物资“钴”，因而引起国内外磁学界和电动机界的极 大关注。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如纳米复合稀土永磁等，希 哈尔漳理工大学工学硕十学位论文 望能有新的更大的突破。 电力电子技术一宣是电动杌控制发展最重要的物质基础，大功率半导体器 件的发展也制约着电动机控制的水平。从最初的晶体管到第二代的g t r ， m o s f e t 再到第三代的i g b t ，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频 装置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发 展。智能功率模块i p m 是向第四代功率集成电路p i c 的过渡产品。它是微电子 技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供功率传输变换能力，而且具有 逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电 路，具有过流、短路、欠压与过热保护等功能。外界只需提供p w m 信号给智 能功率模块，就可实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔 离技术，散热更均匀，体积更紧凑。采用i p m 作为功率变换装置，不但可以提 高可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅减少。 基于现代控制理论的滑摸变结构控制、采用微分几何理论的非线性控制、 模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善和提高。但这些 理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观测 器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电动机参数变化的影响。由于智 能控制无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控 制方法( 如专家系统、模糊控制、人工神经网络控制等) 引入电动机控制系统， 并取得了满意的效果3 1 。以模糊控制为例，其典型应用如：用于电动机速度控 制的模糊控制器；模糊逻辑在电动机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑 的电动机效率优化控制：基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。 1 2 无刷直流电动机的结构和基本原理 无刷直流电动机由电机本体、位置传感器、电子换向线路三部分组成，如 图1 - 1 所示。电机本体的主要特点是，采用永磁转子，而定子结构则类似于交 流感应电动机。一般情况下，三相永磁无刷直流电动机采用三相桥式逆变电路 作为驱动电源，根据位置传感器的输出信号，在逆变器的驱动作用下，电机才 可以正常工作，从而组成了一个完整的无刷直流电动机驱动系统。 无剧电动机系统按其完成的功能不同可以分为速率伺服系统和位置伺服系 统两大类。速率伺服系统中使用的无刷电机一般简称伺服电机，而位置伺服系 统中使用的无刷电机则称为力矩电机。电机本体在设计上各有特点。前者一般 取长细外形结构，气隙磁场采用近乎方波的准方波气隙磁场；后者一般取扁平 哈尔滨理_ 大学_ 学硕士学位论文 外形结构，气隙磁场则采用正弦波。前者的驱动电路则采用方波电压或电流驱 动；而后者的驱动电路采用正弦波电流驱动。力矩波动是它们共同的主要精度 指标，而后者则更加强调减小和控制力矩波动。 磁性材料的进步为制造包括无刷电机在内的高性能永磁电机开辟了道路， 目前采用铁氧体永磁材料的低成本电机，气隙磁密可达4 0 0 0 g s 左右，而高性 能电机采用铷铁硼永磁材料后，气隙磁密可商达8 0 0 0 g s 左右。 无刷伺服电动机在重量和尺寸上都比有刷直流伺服机小，大约可减小7 0 左右；而转动惯量约可减小( 4 0 - - - 5 0 ) 左右。 无刷伺服电动机的容量一般在1 0 0 k w 以下，微型无刷伺服电动机系统已 经真正实现了机电一体化。功率无刷伺服电动机的驱动电路和传感器也在向模 块化发展。新技术的不断发展、机电一体化的优化设计和生产制造，使无刷直 流电动机系统具有更为优良的动态特性、更为低廉的制造成本，使其具有强大 的生命力和竞争力。 图1 - 1 无刷直流电动机组成方框图 f i g i - 1c o m p o s i t i o nd i a g r a mo f b l d c m 在无刷直流电动机驱动系统中，依靠对主电路中功率器件的开关控制进而 可以对电压和电流进行控制，达到既控制转矩又控制转速的目的。无刷直流电 动机工作在1 2 0 0 导通方式下，即每只开关管导通1 2 0 。电角度，在任意时刻有两 相绕组导通，另一相关断；每隔6 0 0 电角度换相一次，也就是有一只开关管关 断，另一只开关管开通。无刷直流电动机位置传感器信号、理想的反电势波形 和电流波形关系如图1 - 2 所示。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 、 、 ，、 、 、 、 i 嚣匪盈 图l - 2 无刷直流电动机位置传感器信号、理想的反电势波形和电流波形关系图 f i g 1 - 2 t h e d i a g r a m o f s e n s o r 。i d e a lb a c k e ma n d c u r r e n t o f b l d c m 图1 2 说明了无刷直流电动机的工作原理。三相位置信号相位互差1 2 0 。电 角度，每一个位置信号的上升沿和下降沿时刻为换耜时刻；所谓换相，就是一 相绕组要关断，同时另一相绕组要开通，第三相绕组不参与换相；相应的，有 一只原来处于工作状态的开关管要被关断，另一只原来处于关断状态的开关管 要被开通；根据图1 2 ，参与换相的两只开关管均处于同一个桥臂侧，即要么 都在上桥臂，要么都在下桥臂。如果是上桥臂的两只开关管进行切换，那么非 换相绕组上对应的处于工作状态的开关管必然位于下桥臂；反之亦然。当开关 管如图1 2 中所示正方向进行顺序切换时，电机正转：当以反向顺序切换时， 电机反转。如上所述，每隔6 0 0 电角度就有一对开关管进行切换，逆变桥输出 方波电流；众所周知，让逆变器输出方波要比输出正弦波形简单而容易实现的 多，因此，无刷直流电动机的简单易用性就体现在这里。简单的说，只要根 据三个位置传感器的信号状态组合，使对应相上的开关管工作并采取一定的 p w m 调制措施，无刷直流电动机就可以实现启动、转动、调速的运行。 讲 讲 耐 研 耐 耐 研 研 研 哈尔滨理工大学 学硕七学位论文 1 3 无刷直流电动机控制技术分析 1 3 1 位置同步控制 永磁电动机的基本控制问题是位置同步控制，也就是将转角位置作为反馈 量，来保证永磁电动机不失步永磁同步电动机的控制关键在于生成高精度的 正弦指令，这要依赖于高精度的位置传感器，如旋转变压器、光电编码盘。另 外还要有高质量的相电流调节器，如三角波比较法、滞环比较法和预估控制 法。无刷直流电动机的控制关键也在于指令电流的生成、电流的检测和闭环控 制上，但由于其转矩与电流的幅值成正比，因此其控制要比永磁同步电动机简 单。在每个电气周期，只需要检测六个离散的点，可以在电机的气隙中放一组 霍耳接近开关，也可以用编码盘进行位置检测。这种电机只需在直流回路中放 一个电流传感器，就可以完成电流的闭环控制。 永磁同步电动机可以实现连续的位置同步控制，还可以依靠高精度的位置 信息实现矢量控制和弱磁控制，因而可以达到较高的动态性能和调速范围，适 用于高精度要求的场合。无刷直流电动机只能实现六拍的位置同步控制，在两 拍之间转子处于失控状态，无法实现矢量控制和弱磁控制，因而动态性能和调 速范围不及永磁同步电动机。但无刷直流电动机的控制简单，易于实现无位置 传感器控制，适合大众化的应用m 。 1 3 2 p i 控制 由永磁同步电机构成的位置伺服控制系统是一个四环控制器，电流是内 环，位置是外环，中间则是速度环，还有一个位置同步控制环介于电流环和位 置环之间，电流给定的幅值由速度环的输出进行控制，而电流给定的相位则由 转子位置反馈信息确定。由于电流环要求具有较高的响应速度，因此永磁同步 电动机中使用的电流环往往由硬件电路实现滞环比较控制，滞环比较的结果直 接生成p w m 控制脉冲。速度环和位置环可实现数字p l 控制。速度环按i i 型 系统设计，位置环的数字控制采用型三阶系统设计。无刷直流电机由于位置 检测方式的特殊性，无法构成位置伺服控制系统，只能构成速度伺服控制系 统。它是一个三环控制器，位置是内环，电流是中间环，速度是外环。其中位 置环只完成位置同步控制，电流环和速度环可实现标准的p i 控制。无刷直流 哈尔滨理工大学t 学硕t 学位论文 电动机中各环的响应速度要求较低，可以实现全数字化控制。电流环按i 型二 阶系统设计，速度环按型系统设计 1 3 3 转矩脉动控制 按照理想设计，无刷直流电动机的永磁体励磁在电枢上产生的反电势波形 为平项部分大于1 2 0 。的梯形波，只要电枢电流为1 2 0 。的矩形波且与反电势 波形保持同步，无刷直流电机就能产生恒定的转矩。但由于换相电感的作用， 电枢电流很难做到矩形波。换相时产生的转矩脉动称为换流转矩脉动。有文献 证明，由于换相条件的差别，同时开始换相的两相绕组电流的变化速率不同， 不会同时结束换相，继续导通的第三相电流也无法保持恒值，这是产生换流转 矩脉动的根本原因。只有当满足一定的换相条件f v = 4 e ) ，第三相电流保持恒 值，才不产生换流转矩脉动。另外电机定子的齿槽效应也会产生脉动转矩，成 为齿槽效应转矩脉动。电机电枢绕组中流过电流产生电枢反应磁势，该磁势造 成电机内气隙磁场的畸变，会引起电枢反应转矩脉动。而电机制造过程中的精 度限制会产生种纹波转矩脉动。 在分析换流转矩脉动现象的基础上，提出可用提高换流电压的方法加快换 流过程电流上升速度，使电流尽量接近方波，以降低转矩脉动。也可用重叠换 相法使第三相电流保持恒值，以免换流转矩脉动。但是由于电流重叠，有可能 电流反而增大，出现转矩上升的脉动。对于齿槽效应转矩脉动，主要采用定子 斜一个齿距或采用分数槽绕组的办法进行抑制，这可使齿槽效应转矩脉动减小 到额定转矩的2 以下。纹波转矩脉动的减小只有靠电机的精密加工来保证。 有一些学者提出用转矩闭环控制策略抑制除换流转矩脉动之外的所有其它转矩 脉动，但是这种办法会陷入到直接转矩检测或间接转矩观测的困难中，会失去 控制系统简单的优点。可以说，无刷直流电动机中的转矩脉动只能从某个特定 方面进行削弱，还没有彻底消除的办法这也是无刷直流电动机无法用于低速 位置伺服的原因。 1 3 4 无位置传感器控制 无位置传感器的控制技术是一个研究热点。无传感器的传动系统对提高系 统的可靠性和环境的适应性具有重要的意义，但由于低速时反电势小，杂波较 多，因此一般调速范围为1 0 0 0 - 6 0 0 0 r m l n 。较好的一种方法是。转子位置计算 法”，它将电机三相电压：电流作坐标变换，在派克方程的基础上估算出电机 哈尔滨理工大学t 擘硕士学位论文 转子的位置。由于坐标变换只考虑基波分量，该方法主要用于正弦型无刷电机 中。对于方波型无刷电机，更适合的无传感器控制方法是“端电压法”。由于 当磁极方向与某相绕组轴线重合时，该相绕组中的反电势为零，因此绕组中的 反电势过零点就反映了磁极的位置。但是绕组换相点不是在反电势过零点，假 设在半周期内绕组中的反电势为正好1 2 0 9 平顶的梯形波，一侧的梯形边为3 0 。，则该相绕组的起始导通点应在平顶波的开始点，即反电势过零点之后3 0 。 位置这样才能保证1 2 0 。的电流波与1 2 0 。的反电势平顶波完全重合，以产 生平稳的转矩。实施端电压法时考虑到干扰影响反电势过零点的正确检测，必 须将三个端电压信号作深度滤波，消除其高次谐波与直流分量，得到交流滤波 信号。滤波器不仅起到滤波作用，而且使输出信号滞后于输入信号，从而达到 将过零点延时的目的。滤波器的相位滞后若能控制正好为( 3 0 0 + k 6 0 。) ，则新 的过零点就是各换相点。k = 0 时，滤波器的相位滞后为3 0 。，a 相新的反电 势过零点对应a 相正半波换相点口1 ) ，另两相类同；k - - i 时，滤波器的相位滞 后为9 0 。，a 相新的反电势过零点对应c 相负半波换相点f r 2 ) ，其余类推。 端电压法电路简单，实现容易，但也不无缺点。首先是随着电机工作频率 的变化，滤波器的相移也会变化并影响无刷直流电机的换流角。其次是反电势 过零点与转子磁极位置的对应关系基于电机空载条件，未考虑电枢反应的影 响。再者是电机低速运行时反电势信号很弱，起动时反电势为零，因此无位置 传感器的无刷直流电动机无法自起动。针对由工作频率和负载电流引起的位置 检测误差，有学者提出了一定的补偿措施，但这仍是一个有待深入研究的问 题。针对无刷直流电动机无法自起动问题，可用无传感器无刷直流电机的三段 式起动技术，包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。其中关键是运行 状态切换，必须满足一定的条件才能避免切换失败。 1 3 5 智能控制 无刷直流电动机应用范围十分广泛，但受控制理论和控制器件的限制，其 控制系统一直采用经典p i 控制，使得控制系统的鲁棒性不尽入意。控制器件 局限于硬件电路和通用单片机，使得控制系统的灵活性较差，也难于实现复杂 的算法。近年来电力传动系统的智能控制成为热点，其目的就是实现对控制对 象的参数变化与非线性不敏感，提高控制系统的鲁棒性。而新型数字信号处理 器的出现又为实现复杂的智能算法提供了快速手段。为此许多人提出了使用人 工智能、专家系统神经网络、模糊控制等策略。在这些策略中，模糊控制可以 哈尔滨理 大学_ 学硕七学位论文 视作具有一个非线性环节的变系数控制，因而其稳定性和鲁棒性分析有较好的 理论基础。 在对电力传动模糊控制系统的稳定性和鲁棒性进行研究时，以经典p 调节 器为基准，可得出传动系统模糊控制的稳定性判别与设计方法。由于转动惯量 的变化使原来稳定的p i 控制变得不稳定是由系统数学模型降阶引起的，而模 糊控制源于控制经验的变增益思想，因此p o p o v 判据是一个充分条件，具有一 定的保守性。正是由于模糊控制具有非线性特性，它才比p i 这类线性控制具 有更高的鲁棒性。 对于电动机调速系统，由于被控对象复杂，系统表现出了非线性、强耦合 以及时交的特点，难于精确建模，所以使得控制系统的鲁棒性不尽人意。近年 来，电力传动系统的智能控制成为热点，其目的就是实现对控制对象的参数变 化与非线性不敏感，提高控制系统的鲁棒性。在诸多的控制策略中，模糊控制 不依赖被控对象的数学模型，其控制规则通过对操作者的经验进行归纳和优化 而得到。因此，在工业过程中得到了广泛的应用。 也可以将模糊神经元混合控制用于交流伺服系统。模糊控制和神经元控制 都具有不依赖对象的数学模型、鲁棒性强的优点，能够克服伺服系统中参数变 化和非线性等不确定因素。但两者均有自身的弱点，模糊控制稳态精度低，而 神经元控制需要在线学习，调节权值。在位置环上采用模糊单神经元混合控制 器，在误差较大时采用模糊控制器，而在误差较小时采用神经元控制，可充分 利用二者的优点。 1 4 无刷直流电动机控制器的实现 永磁电动机的控制器一开始就走出了两条道路，无刷直流电机的控制器一 直注重低成本实现，以潢足家电等领域大众化的应用“1 。永磁同步电机的控制 器则致力于高性能的目标，以满足高精度数控机床、机器人、特种加工装备、 航空、军事等领域的需要。在永磁同步电机的控制器中的位置检测主要使用高 分辨率的增量式光电编码器、精密旋转变压器和轴角变换器，电流、电压检测 则使用快速的磁平衡式霍耳电流、电压传感器。c p u 则以高性能的数字信号处 理器为主。在无刷直流电机的控制器中的位置检测主要使用霍耳型和光电型的 离散位置传感器，电流、电压检测则尽量使用电阻网络，c p u 则以低成本的单 片机为主。随着无位置传感器控制技术的提出，无剧直流电机的控制器在坚持 低成本原则的同时，也在寻求数字信号处理器的高性能实现。另外各种智能控 哈尔浓理工大学t 学硕士学位论文 制策略也只能依靠数字信号处理器的高速处理。 对子控制性能要求不高的场合以及小功率的无刷直流电机，出现了许多专 用的集成电路，内部集成了反电势检测电路、起动及换相逻辑和保护电路。 对于多数无刷直流电机的控制器可以采用内部集成p w m 发生器的电机控 制专用单片机实现，如i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 m c 是集成了六路p w m 发生 器、l o 位八路a d 转换器并具有1 6 位运算能力的单片机。意法半导体公司生 产的s t 7 2 1 4 1 是专门用于无刷直流电机控制的单片机，它包括a d 转换和s p i 接口，有6 路p w m 输出和1 个用在无刷直流电机不带传感器控制时的反电动 势零点检测电路。 随着具有高性能价格比的数字信号处理器的推广，单片机的应用空间正在 受到挤压。许多公司都推出了电机控制专用d s p ，价格在不断下降。较典型的 电机控制用d s p 芯片有1 r i 公司的t m $ 3 2 0 f 2 4 0 、a d i 公司的a d s p 3 2 8 和 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 8 殛。许多文献都介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的无位置传 感器无刷直流电动机的智能控制器。a d s p 3 2 8 的推出较晚，但它具有与单片 机相同的价位。会成为由d s p 实现的无位置传感器无刷直流电动机控制器中 有力的竞争者。 1 5 本文研究的主要内容 本文是在前人所做工作基础上，设计并调试了一台2 2 0 v 、3 0 0 w 、3 相、4 极的基于d s p 系列芯片1 m s 3 2 0 l i 鬯4 0 7 a 的永磁方波无刷直流电动杌调速系 统。所做工作主要有以下几个方面： 1 阅读大量国内外文献，研究了目前无刷直流电动机发展现状和趋势。 2 系统地总结无刷直流电动机调试系统的基本结构和工作原理并分析其运 行特点。 3 编写、调试系统的控制软件，通过系统转速、电流双闭环的全数字化模 糊p l 调节器，使无刷直流电动机调速系统达到平稳运行，实现电机的正反 转、升降速及故障自诊断与保护功能。 4 对无刷直流电动机的p w m 调制方式进行介绍和深度分析，对各种调制 方式的优劣进行比较。 5 建立无刷直流电动机的仿真模型，并由此模型对模糊p i 控制算法以及 无刷直流电动机的p w m 调制方式进行仿真，通过仿真验证所提出的结论。 哈尔滨理t 大学 学硕士学位论文 第2 章模糊控制在无刷直流电动机控制中的应用 常规的p i 控制是最早发展起来的控制策略之一，对于可建立精确数学模 型的控制系统，其具有算法简单、精度高、可靠性强的优点。但对于电动机调 速系统，由于被控对象复杂，系统表现出了非线性、强耦合以及时变的特点， 难于精确建模，所以使得控制系统的鲁棒性不尽人意。近年来，电力传动系统 的智能控制成为热点，其目的就是实现对控制对象的参数变化与非线性不敏 感，提高控制系统的鲁棒性。在诸多的控制策略中，模糊控制不依赖被控对象 的数学模型，其控制规则通过对操作者的经验进行归纳和优化而得到。因此， 在工业过程中得到了广泛的应用。在本控制系统中，将模糊控制与p i 控制两 者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i 控制精度高的特点，能明显改善系统的静态和动态性能，有较好的控制效果 1 1 2 1 模糊控制的发展及基本理论 模糊控制就是建立在人类思维模糊性的基础上的。模糊控制与传统控制有 着本质的区别，它不像经典控制那样需要用精确数字描述的传递函数，也不像 现代控制理论那样需要矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是在于它用具有 模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。控制规则往往是由对被控 过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说是一种号家控 制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。 传统控制方法以数学公式描述控制过程，往往可以给出十分严密和明确的 数学表述。模糊控制以语句规则描述控制过程，使习惯了用精确数学刻画控制 过程的人们感到不易适应和迷惑。实际上，模糊控制足以一种与传统精确数学 完全不同的数学模糊数学为基础理论建立起来的。它有一整套和传统控制 方法完全不同的理论和方法。何况，一种技术是否先进，是以其在实际中应用 是否取得良好的效果而体现的，绝不仅是因对其冗长的论证或美妙的描述就会 优秀起来。模糊控制这种技术，尽管其理论系统尚未完善，但其大量应用的成 效足以表明它是一种前途无量的技术。 哈尔滨理工大学- 学硕十学位论文 2 1 1 模糊控制理论的起源及发展 1 9 6 5 年美国加州大学的l a z a d e h 教授在其发表的著名的论文“f u z z y s e t s ”，首次提出用“隶属函数”的概念来描述事物模糊性的模糊集合理论，从 此奠定了模糊数学的基础。模糊集合的引入，可将人的判断、思维过程用比较 简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类 思维方式的处理成为可能，同时，也适应了自适应科学发展的迫切需要。正是 在这种背景下，作为模糊数学一个重要应用分支的模糊控制理论便应运而生了 嘲 在短短的3 0 多年里，模糊控制获得了长足的发展，在理论和应用方面都 取得了令人惊叹的丰硕成果。模糊数学的应用领域已涉及到自动控制、图像和 文字识别、人工智能、地质、地震、医疗诊断、气象分析、航天、火车汽车轮 船驾驶、交通管理、决策评价，企业管理和社会经济等许多方面。 在自动化技术中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域，由 于模糊控制具有许多传统控制无法与之比拟的优点，成为控制领域 f 常有发展 前途的一个分支，其主要表现在： ( 1 ) 使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生 产过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。 ( 2 ) 所编写的模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。 ( 3 ) 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规p i 控制，并对过程参数 的变化具有较强的适应性。 近年来，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制、神经模糊控制与多变量模糊控制理论与设计方法的 研究。特别是针对复杂系统的自学习与参数( 或规则) 自调整模糊系统方面的研 究，尤其受到各国学者的重视。目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合， 取长补短，形成模糊神经网络技术，由此可以组成一组更接近于人脑的智能信 息处理系统，其发展前景十分诱人。随着模糊控制理论的不断发展和运用，模 糊控制技术将为工程控制开辟新的应用途径。 2 1 2 模糊控制的基本理论 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机 智能控制，其基本概念由美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 首先提出， 经过2 0 多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功”1 。 模糊控制的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程 序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控制 量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ，一般选误差信号e 作 为模糊控制器的一个输入量。把误差信号正的精确量进行模糊化变成模糊量。 误差e 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e 的模糊语言集合的一个 子集p 0 是一个模糊矢量) ，再由e 和模糊控制规则r ( 模糊算子) 根据推理的合 成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u = e * r 。 图2 - l 模糊控制器结构 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo f f u z z yc o n t r o l l e r 模糊控制器的组成框图如图2 1 所示。模糊控制器的输入必须通过模糊化 才能用于控制输出的求解。因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要 作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。对于一个模糊输入变量e ， 其模糊子集通常可以作如下方式划分： j ( 1 弦= 负大，负小，零，正小，正大 = - n b ，n s ，z o ，p s ，p b ( 2 弦= 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 - - n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b ( 3 ) 萨负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大 = n b ，n m ，n s ，n z ，p z ，p s ，p m ，p b 很明显，模糊控制器是模糊控制系统中和其他控制系统区别最大的环节。 模糊控制器由于是采用数字计算机实现的，所以它具有下列三个重要的功能。 第一，把系统的偏差从数字量转化为模糊量。第二，对模糊量进行一定的给出 规则进行推理。第三，把推理的结果从模糊量转化为可用于实际控制的数字 量。 哈尔滨理t 大学 - 学硕十学位论文 2 2 基于模糊p i 控制的无刷直流电动机 2 2 1 模糊p i 控制 在工业控制过程中经常会碰到滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有 的参数未知或非线性变化；有的存在滞后和随机干扰；有的无法获得精确的数 学模型。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是对受控对 象不要求有精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该 表决定控制量的大小。将模糊控制和p i 控制两者结合起来，既有模糊控制灵 活而适应性强的优点，又具有p i 控制精度高的特点“。这种f u z z y p i 复合型 控制器，扬长避短，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 p i 控制算法作为一种传统的控制算法，以其实时性好、易于实现等特点广 泛应用于控制。当建立起控制对象的精确的数学模型时，只要正确设定参数， p i 控制器便可实现其作用，但是设计中存在着动态响应与超调量的技术指标难 以兼容的缺点。由于电机存在着非线性、时变性等不确定性因素，此时p l 控 制效果，将难以达到预期的目标。而模糊控制不依赖于对象模型，它不是用数 值变量而是用语言变量来描述系统特征，并根据系统的动态信息和模糊控制规 则进行推理以获得合适的控制量，因而具有较强的鲁捧性，但一般情况下稳态 精度不太理想。 研究表明，f u z z y p i 控制比p i 控制有更快的动态响应特性，更小的超 调，显然它也比经典的模糊控制具有更高的稳态精度。所以f u z z y p i 控制器是 一种具有优良性能的高精度模糊控制器。如果能实现f u z z y p i 自适应控制，利 用模糊逻辑在线自调整控制参数，就进一步完善了p i 控制器的性能。 模糊p i 复合控制有三种方案，一是模糊控制器用来修正p i 控制器的主要 参数，在动态过程中，应用模糊推理改变算法的参数，以得到最快的上升时日j 而不出现输出超调，如图2 - 2 ( a ) 所示1 。其二是模糊控制器和p i 控制器串接， 模糊控制输出经过p i 算法后作为对象的控制输入，在跟踪的初始阶段偏差较 大，模糊输出大，控制输入大，响应加快；当偏差减小时，模糊输出变小，使 输出跟踪不出现超调，如图2 - 2 ( 1 0 ) 所示。其三是模糊控制器和p i 控制器并接， 偏差较大时模糊控制起作用，达到加速过渡过程的目的：偏差较小时，p i 起作 用，保证稳态控制精度，如图2 - 2 ( c ) 所示。 哈尔滨理- 大学- 学硕十学位论文 小 b 、 c ) 图2 - 2 模糊p i 控制器结构 f i g 2 - 2t h es t r u o u l r eo f f u z z y _ p ic o n t r o l l e r 2 2 2 自适应模糊控制 现有的模糊控制算法大多是不便于调整的，比如在单片机中应用较多的离 散式的查表算法由于模糊控制器一旦设计完成，生成一张模糊控制表之后， 其语言规则和合成推理往往是确定的，很难进行调整。为了使模糊控制系统具 有更强的通融性，减少对人的经验的依赖，以改善系统的性能，这就要求模糊 控制器具有自适应功能“2 】 自适应模糊控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条 件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。 这一系统在运行过程中，根据参考输入、控制输入、对象输出和已知外部 干扰来测量对象性能指标，并与给定的性能指标进行比较，作出决策，然后通 过自适应机构来改变系统参数，或者产生一个辅助的控制输入量，累加到系统 上，以保证系统跟踪给定的最优性能指标，使系统处于最优或次优的工作状 态。 自适应模糊控制系统与其他系统的显著区别在于它包含性能指标闭环。从 哈尔滨理工大学t 学预十学位论文 本质上讲，自适应控制应具有“辨识一决策修改”的功能，即： 辨识不断地测取系统( 被控对象) 的信号和参数，并加以处理，以获 得系统状态。 决策根据所辨识的系统状态和事先给定的准则作出决断。决策包括系 统的自适应算法辨识是获得对系统的认识，而决策则是由此得出具体的控制 规律。 修改对决策所计算出来的控制参量必须不断地适当修正，并由相应的 执行装置或微机系统中某一运算软件来实现。也就是说，控制律必须与参数调 整律相配合( 自适应) ，以使系统不断地趋向最优或要求的状态。 在一般情况下，如最佳控制系统的参数寻优，自适应控制系统的参数调节 等，均需要对控制规则进行调整。自适应机构根据误差信号不断在线调整模糊 控制的方法，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。 本课题的研究中采用了一种带自调整因子口( 亦称加权系数) 的模糊控制 器，通过调整口的值，可以改变误差e 和误差变化e c 对控制输出量u 的加权 程度，从而调整了控制规则。对于一个二维模糊控制系统而言，在控制过程的 初始阶段，系统的误差往往较大，控制系统的主要目的是消除误差，这时希望 误差值在控制规则中的加权系数应大一些；反之，当控制过程趋向稳定阶段， 系统误差已经较小，控制系统的重要任务是减小超调量，使系统尽快稳定，这 就要求在控制规则中，把误差变化值的加权系数增大“”。 在本系统中，把转速误差e ，误差的变化e c 和控制量u 的论域定义为 3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ) 。 模糊控制规则可用下面的一个数学解析式来表示： u = ( o r e + ( 1 一口) e c ) 口f 0 ，1 1 ( 2 1 ) 运算符 表示一个与x 同号，绝对值等于i x l 四舍五入取整的整数。 根据误差e 的当前值采用不同的口，自调整如下： u = ( o 4 5 e + 0 5 5 e c ) ( 0 5 5 e + 0 4 5 e c ) 6 5 e + o 3 5 e c ) ( 0 7 5 e + 0 2 5 正c ) 可见，当误差e 较大时，使e 的加权大，以改善系统的动态特性；而当 较小时，则使e c 的加权大，以抑制系统超调。保证系统的稳态精度。 经过上面的公式计算出的u 值反模糊化后即可作为转速环的输出量，从而 进行下一步的电流调节。这种采用公式计算的模糊控制推理方法可以抛丌复杂 、， 2 - 2 ，l o 蛆盟妇 = = = = e e e e 哈尔滨理t 大学t 学坝 。学位诒史 的模糊控制表，把模糊控制规则综合成一个简单算式，利用d s p 强大的计算 能力，直接求取控制量，并可以根据实时采样和计算所得的和e c 的值，通 过修正口的值，在线调整控制规则，处理非常方便。在公式中，口取值的合理 性取决于被控对象的特性以及设计者的经验，需要对系统输出特性和性能指标 进行不断的观测才能确定口的最佳取值。 将u = 口e + o - a ) e c ) 以增量式表示：u = 缸e + ( 1 一a ) e c d ，经过仔细 观察可以发现，这个公式与经典的p i 控制缈t = k 。e k + 足，a e k 很相似，其差别 仅在模糊化的过程1 。事实上，这仍然是一个模糊控制器，在鲁捧性及快速性 等方面明显优于常规的p i 调节器，故对快速响应及稳定性等要求较高的双闭 环直流调速系统，无疑将是很好的选择。 2 2 3 无刷直流电动机双闭环调速系统 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了转速和电流 两个调节器，二者之间实行串级联接，如图2 3 所示。把转速调节器的输出当 作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出对功率器件进行开关控制，以调 节p w m 波的占空比。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统“”。 由于转速环的作用是增强系统对负载变化的抗干扰能力，抑制转速波动， 是系统的主要控制环节。为了提高系统的动、静态特性，转速调节器采用模糊 控制。对于电流环，其作用是使