（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的无刷直流电机模糊pi控制系统研究.pdf

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无刷直流电机由于调速性能优秀，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、 不存在励磁损耗问题，因而在各个领域得到了广泛的应用。近四十年来，国内外 专家学者对无刷直流电机控制技术进行了大量的研究，总体来说可以归纳为以下 几点： 1 2 1 无位置传感器控制技术 无刷直流电机的运行是通过检测转子位置信号来相应地改变功率器件的触 发状态来实现的，因此准确检测转子的位置是无刷直流电机正常运行的关键。用 位置传感器来作为转子位置检测装置是最直接有效的方法，利用传感器得到的位 置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的触发逻辑信号，实现 触发状态的自由切换。但位置传感器的使用增加了电机的成本和体积，且需要多 江苏大学硕士学位论文 主导地位。1 9 8 3 年日本发明了钕铁硼( n d f e b ) ，它磁能积高，价格比较便宜， 它的出现引起了永磁材料的一场革命。钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电 机的用铜量，促使无刷直流电机向高效率、小型化、节能的方向发展。按照流入 电枢绕组的电流波形的不同，无刷直流电机可分为方波无刷直流电机( b l d c m ) 和正弦波无刷直流电机( p m s m ) f 6 】。在相同条件下，驱动电路要获得方波电流 比较容易，且控制简单，因而b l d c m 的应用较p m s m 要广泛的多。因此，本 文以方波无刷直流电机( b l d c m ) 为研究对象。 在控制电路上，随着电力电子技术特别是大功率全控型开关器件的飞速发 展，如m o s f e t 和i g b t 的出现与发展，使得无刷直流电机的驱动电路逐渐由 小型化、模块化的集成电路取代线路复杂、体积庞大、性能指标低的分立电路【_ 7 1 。 无刷直流电机经过近四十年的发展，目前已广泛应用在计算机外围设备( 如 软驱、硬盘、光驱等) 、办公自动化设备( 如打印机、复印机、扫描仪、绘图仪、 复印机等) 、家电( 如洗衣机、空调、风扇等) 、音像设备( 如v c d 、摄像机、 录像机等) 、汽车、电动自行车、数控机床、机器人、医疗设备等领域。 1 2 无刷直流电机控制技术的发展概述 无刷直流电机由于调速性能优秀，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、 不存在励磁损耗问题，因而在各个领域得到了广泛的应用。近四十年来，国内外 专家学者对无刷直流电机控制技术进行了大量的研究，总体来说可以归纳为以下 几点： 1 2 1 无位置传感器控制技术 无刷直流电机的运行是通过检测转子位置信号来相应地改变功率器件的触 发状态来实现的，因此准确检测转子的位置是无刷直流电机正常运行的关键。用 位置传感器来作为转子位置检测装置是最直接有效的方法，利用传感器得到的位 置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的触发逻辑信号，实现 触发状态的自由切换。但位置传感器的使用增加了电机的成本和体积，且需要多 根信号线，这给无刷直流电机的微型化带来了困难。 检测反电动势过零点或利用反电动势直接检测换相点是无刷直流电机无传 2 江苏大学硕士学位论文 感器控制比较常见的方法【8 】。实现方法多用“端电压法 和“相电压法”，即利 用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势的过零点或换相点来实施换相。 文献 9 】依靠检测浮空相的端电压得到反电动势过零点，然后延时3 0 0 电角度的时 间进行换相。文献【1 0 】则提出了一种利用反电势三次谐波检测转子位置的新方 法，该方法调速范围更宽，实现简单，不需要深度滤波。但当电机转速较低时， 反电势幅值很小，很难通过反电动势检测来得到正确的位置信号，此时采取反电 动势检测的方法就会受到限制。为此，文献 1 l 】提出了通过检测反并联在浮空相 开关管上的续流二极管的电流状态来判断转子位置的方法。该方法能够弥补反电 动势检测法在低速下的不足，扩大了电机的调速范围，此方法的本质还是基于反 电动势的。但是该方法需要单独检测出与开关管反并联的二极管的电流状态，所 以需要六个检测电路，实现起来比较复杂。 当前比较成熟而可行的方法多集中于电机在中高速区域运行时，能够对转子 位置较准确的估计，而当电机处于低速：极低速时，因为反电动势幅值较小，无 法采用常规的方法估计转子位置，这是技术领域亟待解决的问题。针对以上情况， 文献【1 2 从物理角度推导出电机换相信号的公式，该公式不含速度量，所以该方 法不受电机转速影响，能够在极低的速度下正常运行。文献【1 3 提出了用滑模观 测器来估算反电势波形，从而得到换相信号，实验结果表明该观测器对系统干扰、 参数变化有很强的鲁棒性，控制效果令人满意。 1 2 2 无刷直流电机换相转矩脉动抑制 由于相电感的存在，无刷直流电机换相时存在换相延时，导致换相时转矩有 脉动1 1 4 j 。转矩脉动会降低电力传动系统性能并造成机器噪音、震动，缩短机器使 用寿命和降低驱动系统的可靠性。因此，无刷直流电机换相转矩脉动抑制一直是 人们研究的热点，国内外对这方面的研究比较多。文献 1 5 】分析了电机换相转矩 脉动产生的原因，指出换相转矩脉动不仅与电机绕组电流有关，还与换相时相绕 组感应电势瞬时值、换相位置角、绕组参数等因素有关，并通过数值计算结果说 明了各因素对换相转矩脉动的影响程度，为研究换相转矩脉动的抑制提供了理论 依据。文献 1 6 】对电机各速度段的电流换相引起的转矩脉动作了详细的理论分析 和仿真，并提出了用滞坏控制和p w m 控制来抑制电机低速段的转矩脉动的方 江苏大学硕士学位论文 法，实验结果显示了该方法的良好效果，但它没有对电机高速段的转矩脉动抑制 提出相应的办法。针对以上情况，文献 1 7 】提出了在双斩p w m 调制方式下采用 不同的方式对高速和低速进行补偿，并给出了详细的仿真和实验波形，取得了很 好的效果。文献【1 8 】通过在换相时改变输入电压值的方法来减少电流脉动，输入 电压的变化值由拉普拉斯变换计算得到，仿真结果表明该方法能很好的抑制转矩 脉动。 1 2 3 无刷直流电机的控制策略 由于无刷直流电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统【i9 1 ，运用传统p i 控制难以得到较好的控制效果s 神经网络控制、模糊控制、变结构控制、自适应 控制等智能控制具有自学习、自适应、自组织等功斛2 0 】，能够解决模型不确定性 问题和非线性控制问题等复杂问题。因此，文献【2 1 】【2 2 】提出了基于d s p 的无刷 直流电机模糊控制系统，用模糊算法实现电机转速控制，实验结果显示其控制效 果明显优于传统p i 控制。文献【2 3 】提出了一种基于径向基( r b f ) 神经网络的无 位置传感器控制方法，该方法建立了动态的r b f 网络模型，通过对电机端电压 和相电流的映射，得到电机换相信号，实验结果表明了该控制方法的有效性。各 种智能控制方法各有其优缺点，所以近年来专家学者们将现有的智能控制理论结 合起来，取长补短，运用到无刷直流电机的控制中去，电机的控制性能得到了进 一步的提高【2 抛6 1 。 1 3 无刷直流电机的发展趋势 无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品，它主要由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路组成，因此，电力电子技术、微处理器技术和永磁材料的发 展、电机性能改进和新型电机的开发都将进一步推动无刷直流电机的发展和应 用。 1 3 1 电力电子技术及微处理器技术对无刷直流电机的影响 电力电子技术正朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变 器实现智能化、高频化和小型化等创造了条件，为无刷直流电机驱动电路的性能 4 江苏大学硕士学位论文 提高开辟了道路。微处理器性能的提高使得复杂的控制策略成为可能，从而推动 无刷直流电机朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展，为其进入数字化时代 开创了新纪元【2 7 1 。 1 3 2 永磁材料的发展对无刷直流电机性能的促进 与传统交直流电机相比，永磁无刷直流电机的结构特点之一就是转子磁极是 由永磁材料组成的，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响到电机的体积、成本 和运行特性等。自九十年代以来，钕铁硼永磁材料得到了大范围的应用，在已制 成的永磁无刷直流电机转子永磁材料中几乎占据了一半以上，从而为高性能永磁 无刷直流电机的大量诞生奠定了坚实的物质基础。今后，随着作为2 l 世纪新兴技 术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，永磁材料发展的速度必将进一步加快，一 些性价比更高的永磁材料也将相继问世，从而进一步推动无刷直流电机朝着高性 能、多品种化方向发展，大大地扩大无刷直流电机的应用范围。 1 3 3 无刷直流电机的性能改进和新产品的开发 提高无刷直流电机的性能，应该进一步解决的问题首先是削弱或消除转矩脉 动，尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电机。这些应用场合 要求电机运行平稳、无噪声，这些电机大多数为小功率、小尺寸的电机。为了改 进电机性能，利用计算机仿真软件进行模拟、分析、计算和比较。研究气隙磁场 形状、磁极形状结构和充磁技术，选择合适的极对数、槽数以及槽口尺寸。 为了满足各种要求，各大公司已开发出各种类型的无刷直流电机，如无槽电 机，定子铁芯无齿槽，只有磁轭，定子绕组直接放置于定子铁芯上；盘式电机， 具有两个轴向的气隙，在小容量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低震动、 低转矩脉动、高效率和高功率密度。与有刷直流电机相对应，新品种中还包括： 无刷直流力矩电机、无刷直流直线电机、无刷直流有限转角电机、低惯量无刷直 流电机、电磁超微型电机等【2 s 】。 1 4 本文的研究目的和意义 现代化工业对电机控制性能的要求越来越高，而电机控制性能的改善主要通 5 江苏大学硕士学位论丈 过以下两个途径：一是对电机本体的改进，主要是采用特殊结构以改善电机控制 性能；另一个途径就是运用先进的控制策略以提高性能。过去对无刷直流电机的 研究主要集中于对电机本体、控制器硬件电路及无位置传感器等方面的研究，对 现代控制策略应用方面的研究较少。 传统的p i 控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等特点，当建立起控制 对象的精确数学模型时，只要正确设定参数局，妫，p i 控制器便可以实现其作 用，但是设计中存在着动态响应时间与超调量的技术指标难以兼容的缺点。并且 由于电机存在着非线性、时变性等不确定性因素，此时p i 控制效果难以达到预 期的目标。也就是说，p i 控制器对不同的控制对象要用不同的p i 参数，而且调 整不方便，抗干扰能力差，超调量大：而模糊控制是一种语言控制，不依赖于被 控对象的数学模型，设计算法简单，易于实现，能够直接从操作者的经验归纳、 优化而得到，且适应能力好、抗干扰能力强、鲁棒性好。然而模糊控制也有它的 局限性和不足，这就是它的控制作用只能按档处理，是一种非线性控制，控制精 度不高，存在着静态误差；而传统p i 控制具有控制精度高，能很好地消除静态 误差的特点。因此，人们提出将传统的p i 控制与模糊控制技术相结合，综合其 优点，克服彼此的不足，组成了一种基于模糊控制的p i 参数自调整控制器。 目前，针对无刷直流电机所提出的各种先进控制策略大多还只限于理论研究 和实验室仿真阶段。数字信号处理器( d s p ) 以其极强的数字信号处理能力，使 复杂算法的实时实现成为可能。对于基于d s p 的无刷直流电机模糊p i 控制系统 的研究，国外已有文献介绍，而国内这方面的文献还比较少。本文综合模糊p i 控制理论的先进性和d s p 的优势，构建出一个无刷直流电机控制系统，旨在使 这种先进控制思想能从实验室走向生产实践。 1 5 内容安排 本文共分为七章，主要内容安排如下： 第一章在阅读大量文献资料的基础上，阐述了无刷直流电机的发展历史、研 究现状、发展趋势以及本文的研究目的。 第二章从无刷直流电机的结构原理图出发，简要分析了无刷直流电机的基本 结构、工作原理以及调速原理。 6 江苏大学硕士学位论文 均较大，可以最大限度地减小电枢反应。通常在额定负载内，气隙磁场密度和电 枢电流无关，转矩和电流呈线性关系。无刷直流电机的转子结构既有传统的内转 子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式。 伴随着新型永磁材料钕铁硼的实用化，电机转子结构越来越多样化，无刷直流电 机j 下朝着高力矩、高精度、微型化和耐环境等方向发展。 2 1 2 电子换相器 电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路组成，主要用来控制定子各绕 组通电的顺序和时间。无刷直流电机本质上是自控式同步电动机，电机转子跟随 定子旋转磁场运动。因此，应按照一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产 生旋转的定子磁场。无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是1 2 0 0 电角度( 三相 桥式中常见的一种功率开关通电方式，任何时刻只有两相绕组通电) 的方波，绕 组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关 换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场也随之跳跃了一个电角度。 转子则随着定子磁场连续旋转，因此能保持“同步”。无刷直流电机由于采用了 自控式逆变器即电子换相器，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组，而且 在负载突变时也不会产生震荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一【2 9 1 。 2 1 3 位置传感器 位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电 路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处 理电路处理后控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因 而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换相器和电刷相 类似的作用。位置传感器的种类比较多，典型的有下列几种： 1 光电式 它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路，利用有槽口的旋转 圆盘的位置进行通断变化。这种方法检测分辨率高，适用于高速运转的电动机。 2 电磁式 它是由跟随着电动机转子转动的带缺口的导磁圆盘和固定不动的三只差动 9 江苏大学硕士学位论文 变压器组成。转动圆盘体现转子位置信号变化，差动变压器作为检测元件检测转 子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。这种方法结构简单、检测可靠。 3 磁敏式 常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管 等多种。其主要工作原理是电流的磁效应，这包括霍尔效应和磁阻效应。它的转 子是永磁结构，其极数与同步电动机的一样，而定子用霍尔元件等磁敏元件来感 受转子磁极位置，发出相应信号。这种方法信号较弱，且精度易受温度影响，但 体积较小，多用于中小型电动机。本系统所使用的位置传感器就是霍尔传感器。 4 接近开关式 利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化建 立通断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中型电动机。 2 2 无刷直流电机的基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用 是在电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换相 作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从 而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。有刷直流电机电枢绕组中感应的电势 和实际通过的电流其实是交变的，从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看， 它实际上是一台同步电机。这个同步电机和直流电源之间是通过换相器和电刷联 系起来的。在有刷直流电机中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导 体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机 中电流换相的地点。这就是说，有刷直流电机的电刷起着电枢电流换相位置检测 的作用。和无刷直流电机相比，就不难看出，其实无刷直流电机和有刷直流电动 机一样，本身都是一台同步电动机。只是有刷直流电动机中加的是一个机械的逆 变器换相器，而无刷直流电动机中则采用电子换相装置电子逆变器来代 替机械换相器。尽管二者的构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是 为了实现直流电动机的正确换相【3 0 】。 无刷直流电机为了实现无电刷换相，并为了使结构简单，一般将电枢绕组放 在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反。 1 0 江苏大学硕士学位论文 表2 2 1 霍尔传感器输出信号与绕组的通电关系 状态abcdef h c ：h b ：h al l o1 0 0l o l0 0 l0 1 l0 1 0 绕组通电状况b 十c b + a c + a c + b a 十b a 十c 图2 2 1 是四对磁极三相六状态电机旋转过程中连续的六个状态，图中转子的 阴影部分表示n 极，当n 极对准霍尔传感器时，该传感器输出高电平，当s 极对准 霍尔传感器时，该传感器输出低电平。在图a 中，h b 输出1 ，h a 输出0 ，h c 处于 由o 变成1 的瞬间。此时b 相通j 下电，c 牛甘通负电，么相不通电，从而产生如图所示 的电枢磁势尼。而此时转子产生的永磁磁势为昂电枢磁势在逆时针方向上领先 永磁磁势3 0 0 ( 即1 2 0 0 电角度) ，因而产生一个驱动转矩，驱使转子按逆时针方 向旋转。当转子转过1 5 0 ( 相当于6 0 0 电角度) 后，转子处于图b 所示位置，电枢 磁势领先永磁磁势的角度变为1 5 0 ( 即6 0 0 电角度) 。此时h b 处于由1 变成o 的瞬间， 这时换流，b 相继续通j 下电，彳相通负电，c 相不通电，从而使电枢产生的磁势又 领先永磁磁势3 0 0 。这样，电枢产生的磁势超前永磁磁势的角度平均为2 2 5 0 ，即 9 0 0 电角度，也就是说，电枢产生的磁势和永磁磁势在转子转动中能始终保持接 近垂直的关系( 从1 2 0 0 到6 0 0 电角度，平均9 0 0 电角度) ，从而产生最大的转矩。 当转子从a 到f 转过一个周期( 9 0 0 机械角度，即3 6 0 0 电角度) 后，接下来一 个状态中，转子的n 极和s 极的位置又会和a 中的相同，因此又会重复从a 到f 这 一过程。 其电流、反电势的波形如图2 2 2 所示。图中的反电势为梯形波，对应的是集 中式绕组的无刷直流电机，若电机的定子绕组为分布式绕组，反电势则为正弦波。 可见，每个时刻只有两相导通，且每相导通时间为1 2 0 0 电角度【3 2 ，3 3 1 。 图2 2 1 的换相关系如表2 2 1 所示。表中绕组的通电状态用“+ 和“一 来 表示，“+ 表示该相上桥臂导通，下桥臂关断；“一”表示该相下桥臂导通， 上桥臂关断。“h c ：h b ：h a ”是用三位二进制数表示的h c ，h b ，h a 三个霍 尔位置传感器输出的信号。 1 2 江苏大学硕士学位论文 lg 龟 ， ， 7 膏，61 l 玎，6 j 口 o 牙，6 扬，6 彳丌否 气 ， ， 0 l 。扫 、 一 口 、 j c 孑 图2 2 2 电流、反电势波形 2 3 无刷直流电机的调速原理 对于星形连接的三相无刷直流电机，在非换相情况下，任何时刻只有两相定 子绕组通电，此时的电压平衡方程式为： “，= 2 e + 缓= 2 k 露+ 缏 ( 2 3 1 ) 可以得到转速的表达式为： ，l ：! 竺 ( 2 3 2 ) ，l = = 一 l = z j z ) 2 k 。 式中：为加在两相通电绕组上的端电压； p 为电机相反电动势； f 为电机相电流； ，l 为电机转速； r 为回路等效电阻，包括电机两相绕组的电阻和管压降的等效电阻； 疋为电机反电势系数。 由式( 2 3 2 ) 可以看出，要实现电机的转速调节有以下三种方法： 1 改变恐。也就是调节电机内部磁场，但是由于无刷直流电机转子是永磁体， 不能通过改变励磁来进行调速，所以此方法行不通。 2 电枢回路串电阻。此调速方法的优点是设备简单，操作方便，但是它在 江苏大学硕士学位论丈 调速过程中只能进行有级调速，转速波动大，速度调节不平滑，而且损耗大，所 以这种调速方法只能用在对电机调速性能要求不是很高的设备上。 3 改变端电压玩。该方法的主要优点有：降压特性曲线是一簇与固有特性平 行的直线，无论满载、轻载还是空载，都有明显的调速效果；降压特性曲线的硬 度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大，静态稳定性好，调速范围大； 可以平滑地改变施加于电动机的端电压，从而使转速平滑地调节，实现无极调速： 电枢端电压调节过程中能量损耗小。因此，这种调速方法被广泛应用在对电机调 速性能要求较高的场合。本文采用p w m 斩波方法来调节电机电枢端电压，从而 实现对电机转速的控制，简单有效。 2 4 本章小结 本章介绍了无刷直流电机的基本结构及其工作原理，通过对一个简单的三相 四极无刷直流电机进行分析，阐述了该种电机的基本物理结构及其运行原理，最 后介绍了无刷直流电机的调速原理。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章无刷直流电机的模糊pi 控制器设计 本章根据模糊控制的基本原理及模糊控制器的基本设计方法，在分析单一模 糊控制和传统p i 控制的优缺点的基础上，采用模糊控制和p i 控制相结合的控制方 式，设计了适合本系统的模糊p i 控制器。 3 1 模糊控制的基本原理 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则 与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。模糊集合和模糊控制的 概念是由美国加州大学教授l a z a d e h 在其f u z z ys e t s 及f u z z y a l g o 删1 l i l 等论著中首先提出的。模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技 能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法。 模糊控制有以下的主要特点： 模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的模糊算法，但最后得 到的控制规律是确定的、定量的条件语句。 不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，对于某些系统，要建 立数学模型是很困难的，甚至是不可能的。 与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是用自 然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现 场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。 模糊控制与计算机密切相关，从控制角度看，它实际上是一个由很多条 件语句组成的软件控制器。 模糊控制以模糊集合论为基础，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能 接受的算法语言来实现。模糊控制必须解决三个基本问题：第一，先通过传感器 把要检测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转换成精确的数字量，精确 量输入至模糊控制器后，把这个精确量转换成输入模糊集合，这一步称为精确量 的模糊化，其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和操作的变量格式； 第二，根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻 1 5 江苏大学硕士学位论文 辑推理，其目的是得到一个输出模糊集合，这一步称为模糊控制规则形成和推理， 其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，得 到输出模糊集合：第三，根据模糊逻辑推理得到的输出模糊集合，用恰当的方法 找到一个具有代表性的精确值作为控制量，这一步称为输出模糊集合的解模糊判 决，其目的是把分布范围概括合并成单点的输出值，加到执行器上实现控制3 ”5 1 。 模糊控制器 图3 1 1 模糊控制器原理框图 模糊控制的基本原理如图3 1 1 所示，其核心部分为模糊控制器。模糊控制的 控制规律由d s p 软件程序来实现，其实现思想慰3 6 】：处理器经中断采样获取被控 量的精确值，然后将该值与给定值比较得到偏差信号p 。图中模糊控制器选取偏 差信号e 作为输入量，首先把偏差信号e 的精确量进行模糊化变成输入模糊集合 e 。，偏差e 的输入模糊集合可以用相应的模糊语言表示，得到偏差p 的模糊语言集 合的一个子集。再由输入模糊集合e 和模糊关系矩阵r 根据模糊推理的合成规则 进行模糊决策，得到模糊控制输出为： 豁= 矿。足( 3 1 1 ) 式中：“为模糊控制的输出模糊集合； r 为模糊关系矩阵。 为了对被控对象施加精确的控制，还需要将输出模糊集合甜转换为精确量， 这一步骤在图3 1 1 中称为解模糊。得到了精确的数字控制量后，经数字模拟转化 变为精确的模拟量送入执行机构，对被控对象进行控制。然后，中断等待第二次 采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了对被控对象的模糊控制。 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 2 模糊pi 控制器的设计 3 2 1 模糊控制器的维数选择 通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数，如图3 2 1 所示。 一维模糊控制器如图3 2 1 ( a ) 所示，它的输入变量是系统的偏差e ；二维模糊 控制器如图3 2 1 ( b ) 所示，它的输入变量是系统的偏差p 和偏差的变化率厶p ； 三维模糊控制器如图3 2 1 ( c ) 所示，它的输入变量是系统的偏差p ，偏差的变 化率厶e 和偏差变化的变化率厶厶e 。 * 模糊控制器 拇 模糊控制器 ( c ) ( a ) 一维模糊控制器；( b ) 二维模糊控制器；( c ) 三维模糊控制器 图3 2 1 模糊控制器结构类型 模糊控制器的维数较低，则其控制较为粗糙，性能难以满足指定需要；控制 器维数越高，控制越精细，控制效果则越好；但是，维数过高控制器结构就会变 得过于复杂，控制算法的实现就会相当困难。综合考虑，本文选择二维模糊控制 器结构。 3 2 2 模糊p l 控制器整体结构设计 本文设计的基于模糊控制的p i 参数自调整控制器整体结构框图【3 7 1 如图 3 2 2 所示。模糊控制器为双输入双输出结构，将偏差信号p 和偏差的变化率厶p 乘以输入量化因子恐、亿。，作为模糊控制器的输入。然后经模糊推理得到输出 模糊集合，经解模糊后乘以输出量化因子鳓、瓯得到模糊控制器的输出量厶昂、 1 7 江苏大学硕士学位论文 4 妫，加到上周期的局、墨上。这样就对p i 参数进行了调整，然后计算出新的 控制量锄对控制对象进行控制。 图3 2 2 模糊p i 控制器整体结构框图 3 2 3 模糊控制器的模糊化设计 将精确输入、输出量的控制范围根据已确定的语言值量化分档，将确定量映 射到模糊集合，划分每个语言值概念的论域，同时确定相应语言概念对应输入量 模糊集合的隶属函数，这一过程称为模糊化【3 8 1 。 1 模糊语言变量的语言值分档和模糊论域分级的选取 对于模糊控制器而言，将精确的输入、输出量量化到相应的模糊论域前须设 定好模糊条件语句描述输入、输出语言变量状态的词汇( 也称为语言值，如“正 大”、“正中 、“负小”、“负大 等) ，这是精确值转化到模糊论域的重要前提， 同时也是构造模糊控制规则的基础。 选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使控制规则更详细，但控制规则 相应变得复杂；选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。 一般来说，语言变量选用2 1 0 个语言值比较合适。 模糊变量的论域既要能保证各模糊语言值集合能较好的覆盖模糊集合，同时 要考虑控制算法实现的复杂程度。论域中元素较多，即将所覆盖的模糊集合划分 得很细，虽可提高控制的精度，但却大大增加了算法的实现难度；元素较少，即 将模糊集合划分较粗，会出现失控现象。 考虑到软件实现的复杂程度以及具体的控制性能，本文模糊控制器输入、输 出变量统一选择n b ( 负大) ，n m ( 负中) ，n s ( 负小) ，z o ( 零) ，p s ( 正小) ， 江苏大学硕士学位论文 p m ( j 下中) ，p b ( 正大) 这七个语言值，模糊论域选为 - 3 ，2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 。 2 精确值的量化 论域指的是所讨论事物的全体，输入量e 和厶p 首先要乘以输入量化因子丘、 戤变化到相应的论域范围。假设c 、d 表示模糊集合论域的最大值，则定义： 丘= 二 ( 3 2 1 ) 瓯= 苦 ( 3 2 2 ) 式中，疋、必。分别为偏差、偏差变化率语言变量的输入量化因子。如果在 采样时刻得到一个精确的物理量( 例如，偏差的精确值毋) ，则将白乘以砭得到 仍，这就是所谓的输入量化过程。即： q = 白 ( 3 2 3 ) 如果所得到的结果含有小数，则可以采用四舍五入的方法对口f 取整。同理， 可对偏差变化率精确值么e 进行量化。 3 隶属函数的确定 由模糊集合的定义可知，模糊集合最终总是通过隶属函数来描述的，定义一 个模糊集合，实际上就是要确定模糊集合隶属函数曲线的形状。语言值隶属函数 又称为语言值的语义规则，它有时以连续函数的形式出现，也可以以离散的量化 等级的形式表达，连续的隶属函数描述比较准确，而离散化的量化等级简洁、直 观。常用的隶属函数有三角形、梯形、高斯形隶属函数。表达式最简单的隶属函 数是三角形，它的形状仅与直线斜率有关，所以这里选择三角形隶属函数，斜率 如图3 2 3 所示。 ，- 、 牝 蕊 1 o 5 321o123 x，i ， 图3 2 3 三角形隶属函数 1 9 江苏大学硕士学位论文 以三角形隶属函数为例分析，图3 2 3 中所示的隶属函数由公式表示为： “o ) = o ， z 一2 兰+ 1 2 d ， 厶e d ，其回调是由于a b 段” 珈；c d 下超调是因为b c 段甜小和惯性的原因： d e 回升是因为c d 段“的升高。因此，希望动态过程响应快，超调小，“在o a 段的开始应当取较大的值，以加快响应速度，而在不到a 点时，“就应变小，以 避免超调，即在0 a 段“应先大后小。依此类推，系统响应曲线不同阶段中局、 蜀选择要求如表3 2 2 所示。 2 l 江苏大学硕士学位论文 司得到总的模糊关系，总的模糊关系矩阵r 可以表不为： r = k _ = u 墨- ，= 矾嵋，江l ，2 ，6 ，7 歹= l ，2 ，6 ，7 ( 3 2 8 ) i ji j 有了模糊关系矩阵尺，就可以求出已知输入量的输出模糊集合了。对于给定 的输入量p 、血，经过模糊化处理之后得到输入模糊集合q 、勺，通过模糊 关系矩阵r ，就可以求出输出模糊集合必删。，表示为： k = ( q + 勺) 。r ( 3 2 9 ) 根据不同的输入量可以得到4 9 个输出模糊集合敝州+ ，再进行解模糊，即 可求得模糊控制器输出似。的查询表。战的输出模糊集合求解方法和上面一 样，此处不再赘述。 3 2 6 解模糊方法选择 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，但实际模糊控制系统所得到的控 制输出信号必须是模糊论域中的精确量。因此，模糊控制器经过推理后的模糊输 出集合必须经过解模糊化处理，转化为模糊控制器的输出量，再乘以输出量化因 子得到被控系统实际控制量的具体数值。输出量化因子选为： 鳓：竺竺 肌 鼢“：坐童 以 ( 3 2 1 0 ) ( 3 2 1 1 ) 其中，朋，以表示输出模糊集合论域的最大值，厶一、厶凰眦表示实际控 制系统厶酶、厶埒值的最大值。 解模糊方法很多，常用的方法主要有以下几种： 1 重心法 它取模糊推理输出模糊集合隶属函数曲线与横坐标轴所围成面积的重心作 为代表点，即： “：卑丛鲨 、 ( 3 2 1 2 ) “= 。= 7 一 、 l j z 1 z j l ( 曲出 当输出变量的隶属函数为离散单点集时，则为： 江苏大学硕士学位论文 “= 謦筹 2 m ， 2 最大隶属度法 最大隶属度法是指在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精 确控制量的方法。如果论域上多个元素同时出现最大隶属度值，则取它们的平均 值作为解模糊判决的结果。设存在模糊集合c ，所选择的隶属度最大的元素“应 满足： c ( “) 声七( “) ，“u ( 3 2 1 4 ) 3 系数加权平均法 系数加权平均法是指输出模糊集合中各元素进行加权平均后的输出值作为 输出执行量，其值为： “：攀 ( 3 2 1 5 ) “= 7 一 l 3 2 1 5 ) i 七( x ) 当输出变量为离散单点集时，则为： “= 瓷 2 舶) 这里的加权系数荆、岛的选择要根据实际情况确定，不同的加权系数决定 不同的相应特性。当该系数选择尼( x ) = 鲰( 功或岛= 鲰( 薯) ( 即为其隶属度) 时， 就归为重心法。 对以上三种解模糊化方法比较可得到：重心法在理论上比较合理，它包涵了 模糊集合的所有信息，并根据隶属度的不同而有所侧重，但计算复杂，实时性不 高；最大隶属度法的算法简单，使用方便，算法的实时性好，但是由于其对输出 信息量利用不多，对复杂系统的控制会不尽如人意；系数加权平均法可以通过选 择和调整加权系数的大小来改善系统的响应特性，方法的灵活性较大，但其权系 数的选取需要根据实际操作经验来反复进行调整才能取得较好的控制效果。为了 得到更好的控制效果，本文选择重心法。 江苏大学硕士学位论文 第四章无刷直流电机的数学模型及其系统仿真 在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下建立 无刷直流电机控制系统的仿真模型，对模糊p i 控制算法进行验证，给出了仿真 波形，从而证明了系统仿真模型的准确性及控制算法的有效性。 4 1 无刷直流电机的数学模型 图4 1 1 为通常采用的无刷直流电机本体的等效电路图。为了简化分析，作 出以下假设f 4 2 4 3 】： 1 定子绕组为6 0 。相带整距绕组； 2 不考虑齿槽效应和磁路饱和； 3 忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响； 4 三相定子绕组对称，心= 凰= 心，厶= 厶= 厶，朋品= 坛：朋乙。 u a u b u c 塞 = 言丢墨 差 + 奏兰墨 p 芝 + 圣 c 4 - t ， 江苏大学硕士学位论文 刚言吾墨 茎 + j _ 三 - 一瓦一b 国= ，鲁 互研= ( 乞乞+ 屯+ ) 功 式中：缈为电机转子的角速度； 死为负载转矩； 口为粘滞阻尼系数； 厂为转子及负载的转动惯量。 这样就构成了完整的三相无刷直流电机的数学模型。 4 2 无刷直流电机控制系统的仿真设计 4 2 1 控制系统整体设计 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 模糊p i 控制器的设计是一个反复调试的过程，因而计算量很大。为了节省 时间，加快设计速度，一般采用计算机辅助设计，而在工程应用中多用m a t l a b 仿真软件。m a t l a b 是m a t l l w o r l ( s 公司于1 9 8 2 年推出的一个高性能数值计算和可 视化的数学软件，被称为是“巨人肩上的工具 水1 ，它集成数值分析、矩阵运 算、信号处理和图形显示为一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。 图4 2 1 无刷直流电机控制系统的整体仿真框图 。l + r_；j 0 。l p r-；j m 0 0 一 l 江苏大学硕士学位论文 4 2 6 梯形波反电势产生模块 理想情况下，两两导通星形三相六状态的无刷直流电机定子三相反电动势的 波形如图4 2 5 所示，每一相的每一个运行阶段的反电势波形都可以用一段直线 来表示。本文根据电机的转子位置和电机的速度值，按照直线方程编写m 函数， 以此来求得反电动势幅值。 i i p o s p o s ：p o s 一 4 2 7 速度模糊p l 控制模块 图4 2 5 三相反电势波形 第三章中的模糊p i 控制采用的是增量式方法来调整p l 参数，而这种增量式 方法在m a t l a b 的s i 舢l i l l l ( 环境下很难实现。为了节省仿真的实现时间，这里采 用直接更换巧、k 值的方法来实现p i 参数的调整，根据输入量直接得到局、墨 的值，而不是厶岛、厶膨的值。 选取速度偏差信号p 和偏差信号的交化率厶p 作为输入量，玛、厨作为输出量。 将输入量e 、厶e 的模糊语言变量的语言值和模糊论域统一定义成 n b ，n m ，n s ， z o ，p s ，p m ，p b 和 3 ，2 ，1 ，o ，l ，2 ，3 ，将输出量、膨的模糊语言变量的语言 值和模糊论域统一定义成 v s ，s ，m ，l ，v l 和 1 ，2 ，3 ，4 ，5 。隶属函数图形取 为三角形，隶属函数如图4 2 6 和图4 2 7 所示。 江苏大学硕士学位论文 0 o n bn mn sz op sp mp b - 3 210l23 图4 2 6 输入量口、4 口的隶属函数 v ssmlv l l 2 3 4 5 图4 。2 7 输出量易、最的隶属函数 根据第三章厶昂、厶k 模糊控制规则表的制作原则，制作出局、局的控制规 则表，如表4 2 1 和表4 2 2 所示。 表4 2 1 碟糊控制规则表 越 n bn mn sz op sp mp b n bv llm呢mll n mlmsmssl n smsssv ssm z omv sv sv sv sv sm p slsv ssv sv ss p mlmsmv sss p b汜lm纥ssm 表4 2 2 局模糊控制规则表 、 n bn mn sz op sp mp b 赳 n b v sl纥v sm v s v s n mlv lmv ssm v s n s汜ms v s ssm z ov llsv ssm纥 p slssv sv sv sv s p msls v sv s v sv s p bv sslv sv sv s v s 3 2 江苏大学硕士学位论文 4 3 本章小结 g 乜 荟“ q 一 o 1 1 5 2 t s 图4 2 1 2 采用模糊p i 控制的电机转矩波形图 oo 511 522 53 仇 图4 2 1 3 采用模糊p i 控制的电机转速波形图 本章在m a t l a b 仿真软件环境下进行了无刷直流电机双闭环控制系统的仿真， 电流环采用传统的p i 控制，速度环采用模糊p i 控制。在m a t l a b s i i n u l i l l l ( 环境下 构建系统仿真模型，同时利用f u z z yl 0 西ct o o l b o x 构建出模糊p i 控制器仿真模 块，在这个环境下可以方便地设计、调试模糊p i 控制器。仿真结果表明：波形 符合理论分析，系统能平稳运行且具有较好的动、静态特性。系统的仿真分析为 设计无刷直流电机控制系统提供了有效的手段和工具，也为下面的实际电机控制 系统的设计和调试带来了很大的方便。 3 5 江苏大学硕士学位论文 第五章无刷直流电机模糊pi 控制系统软硬件设计 数字化电机控制系统主要包含硬件和软件两部分。硬件是实现控制的基础， 软件是控制系统的核心，两者相辅相成。在完成模糊p i 控制器设计的基础上， 本章研究了无刷直流电机模糊p i 控制系统的软硬件实现。 5 1a d m c 4 0 1 概述 5 1 1d s p 在电机控制领域的应用 自d s p 出现以来，电机控制就是d s p 的主要应用领域之一。特别是随着控 制理论的发展，当一般的单片机不能满足复杂而先进的控制算法的时候，d s p 便成为首选器件。 为了构成感应电动机或永磁电动机控制器，除了微处理器，还需要专用的门 阵列组合，以及相应的存储器和外围芯片，这就使得芯片数量增加，软件复杂， 价格提高。针对这一问题，美国a d 和t i 公司相继研制成功了以d s p 为内核的 集成电机控制芯片a d 公司的a d m c 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x 系列。这 些d s p 不但具有很强的数字处理能力、抗干扰能力，而且拥有电机控制应用所 必需的各种外围设备。据报道，目前全球每销售一枚手机