（电工理论与新技术专业论文）基于模糊控制的无刷直流电动机调速系统研究.pdf

a b s t r a c t b r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) ，i nw h i c he l e c t r i c a lc o m m u t a t o ri s u s e di n s t e a do fm e c h a n i c a lc o m m u t a t o ro ft h ec o n v e n t i o n a ld cm o t o r ，h a sg o o d c h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dc o n t r o l ，n o i s e ，酏c s ob l d c ma r en o ww i d e l yu s e dd u et o t h e i rh i g hp o w e rd e n s i t y , h i g l le f f i c i e n c ya n de w eo fc o n t r 0 1 c o n t r o la c c u r a c y , s t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya r et h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a td e t e r m i n et h e o v e r a l lp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to fs y s t e m i no r d e rt om a k et h i ss y s t e mo fh i g h e r p r e c i s i o n , s t a b i l i t ya n das t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , t ou s ea na p p r o p r i a t em e t h o d o f c o n t r o li sc r u c i a l t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o lo f t h eb r n s h i e s sd cm o t o ri sah o ts p o t t h et r a d i t i o n a ld o l l b l e 1 0 0 pp i dc o n t r o ls t u d yo f t h el i n e a rt i m e - i n v a r i a n tc o n t r o l s y s t e m h o w e v e r , an u m b e ro fa c t u a lc o n t r o ls y s t e m sc o n t a i nn o n l i n e a rp r o b l e m s ；i n a d d i t i o n , t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h eo p e r a t i o nw i l lc h a n g ew h i l et h em o t o ri s o p e r a t i n g p i dp a r a m e t e r sp r i o r t ot h ee s t a b l i s h m e n to fg o o db a s i sf o rs e t t i n ga p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l b u tt h ep a r a m e t e r sc a n tv a r yi nt i m e t h e r ef o l l o w e d t h es t e a d y - s t a t ea c c u r a c ya n di n t e r f e r e n c er e s i s t a n c ei sn o th i g h f u z z yc o n t r o lt h e o r yu s i n gf u z z ys e tt h e o r y , p u te x p e r i e n c ea n dt h em a t u r i t yo f e x p e r t si n t ot h ec o n t r o ls t r a t e g yi sa b l et o a c h i e v eg o o dc o n t r o lw i t ht h ec o m p l e x o b j e c t t h i sp a l e rs t u d i e st h et h e o r yo ff u z z yc o n t r 0 1 a n do nt h i sb a s i s ，d e s i g n e da f u z z yp i dc o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v i n gs y s t e m , a n dc o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ld o u b l e - l o o pp i dc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s t h e nd e s i g n e dt h e s e l f - a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v et h ed i s a d v a n t a g e so f t h ef u z z yp i d c o n t r o l l e r t h ep r o p o s e ds y s t e mc a na d j u s t m e n ti t sp a r a m e t e r si nr e a l - t i m ea c c o r d i n g t ot h eo u t p u t t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ep e r f o r m a n c eo fb l d c ms y s t e mi s i m p r o v e di ns t a b i l i t y , r e s p o n s es p e e d ，r o b u s ta n da d a p t a b i l i t yo f p a r a m e t e r s k e y w o r d s ：b l d c m , p i dc o n t r o l , f u z z yc o n t r o l ，s e l f - a d a p t i v e i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 篡= 麓釜 一：差堕 学位论文作者签名：越堂指导教师签名：二乏! ：笙 1 岬年乃月。r 日眵绛夕月6 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： b 厂7 年o j 月日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义此1 第一章绪论 电动机自一个多世纪前产生以来，已经应用于遍及国民经济的各领域以及人 们的日常生活之中。电动机主要分为同步电动机、异步电动机与直流电动机三种， 其容量范围从瓦至上万千瓦。其中直流电动机应用非常广泛，但是传统的直流电 动机采用电刷进行换向，换向时产生电磁干扰、噪声、火花等，并且电刷的损耗 也造成了电机的可靠性差，并且制造成本高、维修困难，极大的限制了其应用。 随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，对电机的要求也越来越高， 各种新型电动机也应运而生。早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向 来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果。随着科学技术的 发展，半导体技术有了突破性的进展，开关型晶体管的研制成功，为无刷直流电 动机带来了生机。在反复实验和不断实践之后，用位置传感器和电子换向线路来 代替有刷直流电动机的机械换向装置取得了成功，随后出现的接近开关式位置传 感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器和磁电耦合式和光电式位 置传感器，也为直流电动机的发展开辟了新的途径。1 9 5 5 年，美国d 哈里森等 人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器的专利，1 9 6 2 年试制成功 了基于霍耳效应的霍尔元件位置传感器。在七十年代初期，又试制成功了借助磁 敏二极管实现换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪 元“1 。2 0 世纪年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能大功 率电力电子器件，如g t r 、脑f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料的问 世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 无刷直流电动机的最大特点就是没有换向器( 整流子) 和电刷组成的机械接 触结构。通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外 面的定子上，热阻较小且散热容易。因此，无刷直流电动机没有换向火花，没有 无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。 无刷直流电动机最初运用于宇航和军事领域，后来在工业和民用领域也被广 泛应用，如计算机的外围设备、办公自动化设备和音响设备中，如软驱、硬盘、 光驱、激光打印机的棱镜驱动、传真机、c d 机、v c d 机和摄像机等。在国外， 1 西北丁业大学硕士学位论文第一章绪论 目前无刷直流电动机已在洗衣机、空调和电冰箱等家用设备中得到比较广泛的应 用。在工业控制领域，如数控机床的进给伺服控制、机器人关节驱动和自动生产 线等设备上也大量使用着无刷直流电动机。 目前无刷直流电动机的转速、电流控制多采用传统的p i d 控制，p i d 控制器是 经典控制理论应用中最成功的代表，但并非是万能的控制器。因为经典控制理论 研究的是线性时不变的控制问题，然而实际控制系统多少含有非线性；另外，实 际的控制系统中被控对象的参数也会或多或少的变化，或者存在系统的数学模型 难以建立等问题。所以，用经典控制理论设计的p i d 控制器有时难免会使控制系 统不能满足性能指标要求。p i d 控制中还有一个关键的问题就是p i d 参数的整定， 传统的整定方法是在获得被控对象的数学模型的基础上按照某种整定原则来进 行p i d 参数的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难 以建立精确的数学模型，应用常规的p i d 控制不能达到理想的控制效果。另外， 在实际生产现场中，p i i ) 参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实施或效果 不理想，常规p i d 控制器参数常常整定不良、性能欠佳，变化适应性较差0 1 。 随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对控制系统的精度、 性能和可靠性的要求越来越高。无刷直流电机在运行中，绕组的自感、互感、阻 尼系数、转动惯量等都是随着负载情况的变化而变化的。传统的双闭环p i d 控制 系统由于其自身的缺点，适应性差，很难达到好的控制效果。因此如何提高电动 机的性能，改进控制系统至关重要。 智能控制是一门新兴的学科，是控制理论发展的高级阶段，是以人工智能、 控制论、信息论、运筹学为基础的交叉学科，主要用于解决传统控制方法难以解 决的系统控制问题。模糊控制是智能控制的一个重要分支，它是以模糊集合论、 模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。 模糊控制系统应用于诸如测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判 断它们的兼容性以及一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。针对无刷直 流电动机这种参数可能发生较大变化的被控对象，如果采用模糊控制能够根据对 象输出的变化调整参数，就可以取得很好的控制效果，满足电机要求控制器有较 快反应速度的要求，提高电机的性能。因此，基于模糊控制的无刷直流电动机调 速系统具有很高的研究意义。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究进展h m 虽然目前各种交流电机和直流电机在传动应用中占大部分，但无刷直流电动 机正日益得到更广泛的应用。同时随着人们生活和科技水平的提高，各种电子设 备也在向高效率化、小型化及高智能化发展。因此，对其中的动力部分一电机 也提出了更高的要求。无刷直流电动机的研究和应用近年来正在成为这方面的热 点。国外对无刷直流电动机的研究开始较早，早在2 0 世纪8 0 年代初就已经开始 正式生产和应用了。国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长。 目前我国无刷直流电动机的产量每年以5 的速度增长，并且在自动化、家电、 电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域迅速得到应用。 目前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 无机械式转子位置传感器控制。目前较成熟的无转子位置传感器运行控 制方法有： 1 ) 反电动势法。 2 ) 定子三次谐波检测法。 3 ) 续流二极管电流通路检测法。 ( 2 ) 转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随 着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，因此如何减小转矩脉动是提高电 机性能的重要方面。 ( 3 ) 智能控制。将先进的控制理论和控制方法，尤其是智能控制算法运用在 无刷直流电动机调速系统中，充分利用智能控制的非线性、变结构、自 寻优、自学习、自适应、自整定等各种功能，来克服电气传动系统中的 变参数、非线性、时滞性和时变性等因素，是目前无刷直流电动机研究 的一个重要方向。其中，模糊控制通过把人的成熟经验规则融入到控制 策略中，能够得到较好的控制效果。 目前电动机控制理论已经较为成熟，“因此今后相当一段时间内还会将现有 的各种控制理论加以综合，互相取长补短，或将其他学科的理论方法引入电动机 控制，走交叉学科的道路以解决上述问题”嘲。 1 ，3 本人所做的工作及论文内容安排 本课题将对传统p i d 控制方法和模糊控制方法进行设计、仿真和性能对比。 西北工业大学硕+ 学位论文第一章绪论 本人所做的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析无刷直流电动机工作原理，建立数学模型 无刷直流电机是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步 电动机或自控式变频同步电动机。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器 对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触 发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各 相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。为了对直流调速系统进行动态分析和设 计，分析系统的动态品质和稳定性，必须建立系统的动态数学模型。 ( 2 ) 选择合适的模糊控制器 模糊控制器的结构选择是否合理，不仅直接影响其性能，而且对复杂的多输 入多输出耦合系统来说是至关重要的。因此选择何种结构，选择哪些变量作为模 糊控制器的信息量，是设计成功的重要一环。 ( 3 ) 将模糊控制应用于无刷直流电机调速系统 控制系统的设计和控制方法的选择直接影响到系统整体性能的高低，因此本 课题将模糊控制方式在无刷直流电机的模型中实现，加以仿真，研究各种情况对 电机的影响，分析输出波形，对控制系统的性能效果进行对比、论证。并针对仿 真中出现的问题，对模糊控制器进行改进。 本文是在对无刷直流电动机和模糊控制进行深入研究的基础上提炼而成的。 章节安排如下： 第一章：绪论。主要阐述了本文的研究背景、意义，介绍了目前国内外对无 刷直流电动机调速系统和模糊控制的研究现状，以及内容安排。 第二章：无刷直流电动机控制系统研究和双闭环p i d 调速系统仿真。 第三章：模糊控制理论研究。 第四章：基于模糊p i d 控制的控制器设计和调速系统仿真，并针对模糊控制 的缺点进行了改进，设计了模糊白适应p i d 控制系统并进行仿真。最后对双闭环 p i d 控制方式和模糊控制方式进行了分析和比较。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷赢流电动机双闭环调速系统 第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 无刷直流电动机与有刷直流电动机相比，由于采用了电力电子器件代替机械 换向器，具有很多的优点，主要表现在： ( 1 ) 可靠性高，寿命长。由于没有电刷和换向器的电器接触火花和磨损，电 磁干扰小，电机运行稳定，可以长时间工作，不必经常进行维护和修理。 ( 2 ) 电机绕组安放在定子上，绕组与机壳接触，散热面积大、效果好，容易 得到更高的功率密度。同时由于采用永磁材料，几乎没有损耗和发热， 效率更高。 ( 3 ) 可工作于高真空和不良介质环境。 ( 4 ) 电子线路部分与电机本体分开，实现了对电机的良好控制，可在高转速 下工作。 ( 5 ) 与数字化技术、现代控制理论结合，向智能化方向发展，有较好的可控 性，调速范围更宽“盯。 2 1 无刷直流电动机的结构和工作原理 2 1 1 基本结构。娴 无刷直流电动机的结构原理如图2 - 1 所示，它实际上是一种永磁同步电机， 主要包括电动机本体、位置传感器、逆变器和控制器三部分，其转子为永磁结构， 定子为电枢，传统有刷电机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所替 代。 例如三相两极无刷直流电动机，电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置 传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变化后产生驱动信号，驱 动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关，使电机各相绕组按一定的 顺序工作。 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 2 1 2 基本工作原理 图2 - l无刷直流电动机的结构原理图 图2 - 2三相绕组无刷直流电动机的结构原理图 电动机 电子开关线路 三相绕组无刷直流电动机的结构原理图如图2 - 2 所示。当光电器件v p l 被光 照射，功率晶体管v l 导通，电流流入绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后 所产生的转矩使转子的磁极按图2 3 中的箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子 磁极转到图2 3 ( b ) 所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同步 转动，并遮住v p l 而使相隔1 2 0 。的v p 2 受光照射，从而使晶体管v l 截止、晶 体管v 2 导通，电流从绕组a a ，断开流入绕组b b ，使得转子磁极继续朝箭头方 6 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极转到图2 3 ( c ) 所示 位置时，此时旋转遮光板已经遮住v p 2 ，使间隔1 2 0 。的v p 3 被光照射，导致晶 体管v 2 截止、晶体管v 3 导通，电流流入绕组c - c ，驱动转子磁极继续朝顺时 针方向旋转，并重新回到图2 3 ( a ) 的位置。 转子在空间每转过6 0 。电角度，定子绕组电流实现一次换相。在换相过程 中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在 3 6 0 。电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 电角度“1 。 a 譬， ( a ) a r o b o a o a c o o b 喜| ，矧 2 无刷直流电动机的数学模型 2 2 1 数学模型嘲埘跚 由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，如果要精 7 两2蹙x 西北丁业大学硕七学位论文 第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 确的分析电机，需要涉及非线性理论、数值解法等复杂的问题，因此做出以下假 设来建立数学模型。 ( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度在空闻呈梯形( 近似为方波) 分布。 ( 2 ) 定予齿槽的影响忽略不计。 ( 3 ) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计。 ( 4 ) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗。 ( 5 ) 三相绕组完全对称。 由于转子的磁阻不随转子位置的变换而改变，因此定子绕组的自感和互感为 常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为： 啪 o 广 0 辫刭 沼， 由于三相绕组为星形连接，+ 乇+ f 。= 0 ，因此城+ m i b + 施。= 0 ，所以 医 = ii ； 1 + 三j 肘上 m 工三m 罢匿 + | ； c z - z ， 图2 4 无刷直流电动机的等效电路 8 三m m -。l1j bb0 = o o o o o 且 0 o r 西北工业大学硕十学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 2 2 2 反电动势 如果忽略换相过程的影响，当反电动势波形的平顶宽度应大于等于1 2 0 。电 角度时，电机的转矩脉动为0 ，为了减小转矩脉动并简化分析，将无刷直流电动 机的波形近似为梯形波。它与转子的位置和角速度有关，是一个分段函数。三相 绕组的反电动势依次相差1 2 0 。电角度。如图2 5 所示。 图2 - 5无刷直流电动机反电动势波形 设电枢绕组导体的有效长度为三口，导体的线速度为p ，则单根导体在气隙磁 场中感应的电动势为： f = b 印 ( v ) ( 2 3 ) v ：丝打：2 p r o( 棚，j )( 2 4 ) 6 06 0 式中，d 电枢直径。 p 电机的极对数。 f 极距。 刀电机的转速，单位为r m i n 。 如果电枢绕组每相串联匝数为睨，则每相绕组的感应电动势幅值为： 既= 2 啊= 啬呦= 魄删) ( 2 5 ) 式中，西j 每极磁通量，单位为w b ，o 。= 易口，r l 。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 t 一桃动势撇t = 啬。 口计算极弧系数。 对于三相六状态无刷直流电机，任意时刻都有两相绕组导通，故电机的反电 动势为： 脚玩= 鲁咖= 嘶雄 ( 2 - 6 ) 式中，e 一电机的电动势常数e = 警嘲。 2 2 3 运行特性 假设不考虑开关期间动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。无刷直流电 动机的电压方程简化为旧： u s u r = e + 2 r i 。 式中，珥开关器件的管压降。 l 电枢电流。 e 线电动势，即电机的反电动势。 由式( 2 6 ) 可知电机的反电动势为： 故电机的转速为： 空载转速为： e ：2 玩：警咖：刀 e 2 2 玩2 彳妻子m 一万2 e o 一刀 ( 2 7 ) 甩：u s - 2 u r - 2 r l o ( ，m i n )( 2 _ 8 ) e j l o 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 ”u s 魄- 2 u r2 婴u s - 2 u r 。- 7 5 q 鬻m i n ) ( 2 - 9 ) 1 5 a 。 o 电动势系数为： e = 鲁印一= 鲁，c 嘶叫，( 2 - 1 0 ) 转矩系数为： 巧：7 t - ：c r j ：盟西d 厶 ( 所a )( 2 1 1 ) - 口撇i 2 3 无刷直流电动机的动态结构 为了更好的分析电机的特性，以主电路为三相星形全控电路的无刷直流电动 机为例推导电机的动态结构。定子绕组采取两两导通的通电方式。 图2 - 6无刷直流电动机动态结构 对于无刷直流电动机，定子电枢为多相绕组，电动机的励磁结构多为径向 励磁结构形式时，电动机电感作用较小，电阻作用较大，电动机具有硬的机械 特性，此时无刷直流电动机的动态特性和永磁直流电动机相似“。三相星形无 刷直流电动机两相导通流状态下的电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方 程和运动方程如下： 1 1 西北工业大学硕士学位论文第二苹无刷直流电动机双团环调速系统 = e + f 冠+ o m ) 。面d i、 e = k 万j 瓦= k r f产 ( 2 1 2 ) 瓦= ，等。+ 瓦j 式中，某一通电状态下两相绕组上的电压。 e 某一通电状态下两相绕组上的反电动势。 三相绕组产生的合成电磁转矩 玩反电势系数。 k ，转矩系数。 。，转动惯量，丑阻尼系数，瓦负载转矩，机械角速度。 下面推导动态过程的传递函数，上述方程组经拉氏变换，并令全部初始条 件为零后有： d g ) = e g ) + 足f g ) + 0 一膨) s f g ) 、 e 0 ) = 丘胛g )i t o ) ：x ，f o )产( 2 1 3 ) t g ) = ，s g ) + 曰国。o ) + 瓦g )j 由此可以求得无刷直流电动机的动态结构图，如图2 7 所示。 死g ) 图2 - 7无刷直流电动机动态结构图 无刷直流电动机本身是一个闭环系统，反电动势引入了与电机角速度成正 比的负反馈信号，增加了系统的有效阻尼；电机的电磁特性及电磁参数和电流 的上升率有关，是控制系统内环电流上升率的依据；机械参数是决定速度环参 数和稳定性的主要因素“”。在电机运行过程中，许多参数例如绕组的自感工、互 1 2 西北工业大学硕士学伊论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 感m 等都会随着负载和干扰情况的变化而变化。 采用常规p i d 控制器控制需要对控制器的参数进行严格的整定，整定的前 提是有精确的数学模型，也就是说系统参数是预先设定好的。因此当电机的参 数变化时，系统参数很可能偏离预先整定的位置，但p i d 控制器依然是系统偏 离前整定的参数值，无法随着被控对象的变化而做出相应调整。因此，对于参 数在运行过程可能发生较大变化的被控对象，p i d 控制器很难具有较好的控制效 果。在这种情况下，如果控制器具有参数适应性、能根据被控对象输出的变化 时刻调整参数，就可以很好的控制电机。另外电机除了要能够稳定高速运行， 还需要具备较快的响应速度，这就要求控制器能够较快地做出反应，所以控制 器的设计不能过于复杂啪。 本文采用的电机参数为： 【厂= 2 2 0 v ，“= 1 3 6 a ，= 1 4 6 0 r m i n ，e = o 1 3 2 吖p m i n ) ，电枢回路 总电阻且卸5 q ，电枢电感工= o 0 1 5 h ，电流反馈系数口= o 0 5 ，转速反馈系数 口= o 0 0 7 ，电流反馈滤波时间常数l = o 0 0 2 s ，转速反馈滤波时间常数乙= o 0 1 s 。 设计指标： 电流超调量毋5 ； 空载起动到额定转速时的转速超调量盯。1 0 。 2 4 无刷直流电动机双闭环调速系统 2 4 1p i d 控制介绍伽州伽 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，早在2 0 世纪3 0 年代末期就已经 出现，5 0 多年来不断更新换代，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广 泛应用于工业过程控制，尤其是在可建立精确数学模型的确定控制系统应用很 多。按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，就是著名的p i d 控 制。 确定p i d 参数，可以用理论方法，也可以用实验方法。理论方法需要有被 控对象的准确模型，但准确模型一般很难得到，并且系统的参数也会随时间而 变化。因此，在工程上p i d 参数常常是通过实验来确定。为了减少实验次数， 可参照经验公式导出基准p i d 参数，在此基础上再凑试。常用的方法是 z i e g l e r - n i c h o l s 方法来整定参数。 1 3 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号口o ) ，偏差一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时间常数正，正越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减小调节时间。 p i d 控制器各环节既有优点又有各自不足的地方： 比例控制的优点是误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量 朝着减少误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k ，。 缺点在于对于具有平衡性( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象 存在静差。加大k ，可减少静差，但足，过大时，会导致动态性能变坏，甚至会 使闭环系统不稳定。 积分控制的优点是：它对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的 不足之处在于积分作用具有滞后性，积分作用太强会使控制的动态性能变差， 以至于使系统不稳定。 微分控制的优点在于它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感，增大 微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是 对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 2 _ 4 2 双闭环调速系统组成 转速电流双闭环控制的调速系统是最典型的调速系统，通常采用p i 调节器。 其原理结构图如图2 - 8 所示。 电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，转速调节器的输 出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电 流。起动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流 保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外 环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环 调节电机的电枢电流以平衡负载电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的 积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加， 从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时， 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下 降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时， 电流环即以最大电流限制，。实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在 可逆调速系统中实现电动机的快速制动“帅”。 图2 8双闭环调速系统原理图 图中：a s 帐速调节器；a c r _ 电流调节器；t ( 卜测速发电机；t a 一电 流互感器；g 卜触发器：【，：一转速给定电压；u 。转速反馈电压；u ：一电流 给定电压；玑一电流反馈电压；v 整流器“”。 转速调节器的作用：使转速 跟随给定电压以变化，稳态无静差；对 负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。 电流调节器的作用：电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使 系统具有较好的动态特性。在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压矿变 化。当电动机过载时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用。故障消失 后，系统能够自动恢复正常。对电网电压波动起快速抑制作用“。 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 2 4 3 双闭环调速系统设计 图2 - 9 双闭环调速系统动态结构图 双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的闭 环系统。设计方法一般由内环向外环，一环一环地设计。对双闭环调速系统，先 从内环( 电流环) 开始，根据电流控制要求，确定将电流环校正为哪种典型系统， 按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环之后，再把电流环等效为一个 小惯性环节，作为速度环的一个组成部分，然后用同样的方法完成速度环的设计 n 舶【1 町 o ( 1 ) 电流环设计 图2 - 1 0电流环简化动态结构图 电流环简化后的动态图如图2 - 1 0 所示。电流环的控制对象是两个惯性环节， 根据电流超调量o - , 5 的要求，按照典型i 型系统来校正电流环。采用p i 调 节器，其传递函数既。，表达式为： 。g ) ：墨虹掣 ( 2 _ 1 4 ) f s 式中k 为电流调节器的比例放大系数，f 为电流调节器的领先时间常数。 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 可以推得： 电溯节器的比徽大系数：墨2 研r , r 积分系数：黾2 丢。 ( 2 ) 速度环设计 图2 - 1 l 速度环简化动态结构图 议计元电沉环后，将兵等效为遽厦环的一个环节，速度环动态结构圈简化后 如图2 - 1 1 所示。对速度环按照典型i i 系统进行设计，同样采用p i 调节器。其传 递函数为： g ) ：置。亟型 ( 2 1 5 ) 式中，k 为转速调节器的比例放大系数，l 为转速调节器的领先时间常数。 比例放大系数：疋= 茏警 积分系数：如= 兽。 a 。 其中，h 为中频窀，一般选择h ：5 为最佳。 2 4 4 双闭环调速系统的起动特性 双闭环调速系统控制可以得到近似理想的起动过程，在突加阶跃转速给定 信号虻时，起动过程可分为三个阶段“1 5 1 。 ( 1 ) 第一阶段：电流上升阶段。 ( 2 ) 第二阶段：电流保持恒值，电机升速阶段。 1 7 西北t 业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 ( 3 ) 第三阶段：转速趋于稳定阶段。 转速和电流波形如图2 - 1 2 ： 2 5 系统仿真 t l t tbt 4 t 图2 1 2双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 2 5 1 仿真工具介绍 ( 1 ) m a t l a b 简介” m a r l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 是美国的m a t h g o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套 高性能的数值计算和可视化科学计算软件，是一种以矩阵为基础的交互式程序计 算语言。它集数值分析、矩阵运算、信号处理、系统建模和图形显示于一体，构 成了一个使用方便、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所要求解的问题， 用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形的方式显示出来，并且 可以在线编写、跟踪、调试程序。典型的应用包括数值计算、算法预设计与验证， 以及一些特殊的矩阵计算应用，如自动控制、统计和数字信号处理( 时间序列分 拆) 等。m a t l a b 支持多种计算机操作系统，还拥有丰富的内部函数和强大的图形 和符号功能。另外还具有一个突出的特点，就是易于扩展。用户还可以根据自己 的需要开发自己的工具箱，从而大大扩展了m a t l a b 的应用范围。 在国际学术界，g a t l a b 已经被认为是准确、可靠的科学计算标准软件。在控 制领域，它更是控制系统研究人员不可缺少的有力工具，已经成为国际控制界应 用最广的语言和工具。 1 8 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 ( 2 ) s i m u l i n k 工具箱 s i m u l i n k 出现于1 9 9 3 年，它以m a t l a b 强大的计算功能为基础，以直观的模 块框图进行仿真和计算。s i m u l i n k 提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、 内容丰富的模块库为系统仿真提供了极大便利。它使用简单，功能强大，并且 支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。s i m u l i n k 包含多个子模型库， 每个子模型库中又包含多个功能模块。利用鼠标可直观地“画”出系统模型， 然后直接进行仿真。仿真时可选择各种数值算法、仿真步长等重要参数，并可 用模拟示波器将仿真动态结果予以显示，直观高效。s i m u l i n k 包括7 个模型库： 信号源库、输出库、离散系统库、线性系统库、非线性系统库及扩展系统库。 s i m u i n k 作为面向框图的仿真软件，具有以下的功能： ( 1 ) 用方框图的绘制代替程序的编写。 ( 2 ) 仿真的建立和运行是智能化的。 ( 3 ) 输入输出信号来源形式多种多样。 2 5 2 仿真结果 采用m a t l a b 的s i m u l i n k 对双闭环调速系统进行仿真。系统仿真结构图如图 2 1 3 1 ”： 图2 一1 3无刷直流电动机双闭环p i d 调速系统仿真图 电机空载起动转速和电流图如图2 1 4 。可以看到电机在起动阶段有少量超 调。在f = 3 s 时加入负载和t = 5 s 秒时加入电网扰动分别得到图2 1 5 和图2 1 6 的 仿真曲线。 1 9 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 (a)(b) 图2 - 1 4双闭环p i d 控制时电机空载起动 ( a ) 转速图( b ) 电流图 ( a ) ( b ) 图2 1 5双闭环p i d 控制f = 3 s 时加入负载 ( a ) 转速图 ( b ) 电流图 (a)(b) 图2 1 6双闭环p i d 控制，= 5 s 秒时加入电网扰动 ( a ) 转速图( b ) 电流图 2 0 西北工业大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机双闭环调速系统 根据以上图示，可以得出以下结论： ( 1 ) 双闭环p i d 控制系统起动时存在少量超调，但是也符合了系统的设计指 标，响应时间较快。 ( 2 ) 系统在加入负载和电网扰动时，有微小波动，基本实现平稳过渡，速度 有少量变化，上升时间、过渡时间、运行稳定性基本符合要求。但仍存在改进的 空间。 综上所述，双闭环p i d 控制系统在系统负载情况变化和存在扰动时，由于 其参数不能随着被控对象的变化而作相应的调整，所以控制效果有时不能尽如 人意。系统的稳态精度、响应速度等方面都需要加以改进。 2 l 西北工业大学硕士学位论文第三章模糊控制理论 第三章模糊控制理论 模糊控制理论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。1 9 6 5 年美国加利 福尼亚大学的自动控制教授l a ，z a d c h 于1 9 6 5 年首次提出“模糊集合”的概念， 1 9 7 4 年英国的m a m d a n i 首次将模糊逻辑应用于蒸汽机的控制，白此模糊控制在 工业过程、机器人、交通运输等方面得到了广泛的应用。与传统控制方式相比， 模糊控制利用人类专家控制经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好、 控制性能高的优点“叭”。 3 1 模糊控制理论的数学基础 模糊控制理论是建立在模糊集合论基础上的。z a d e h 创立的模糊集合是模糊 数学的根本，它使得有人的经验参与的控制过程成为实际可能。模糊集合论的核 心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，是自然语言能直接转化 为计算机所能接受的算法语言。普通集合只能表达“非此即彼”的概念，而模糊 集合论以逻辑真值为 o ，1 】的模糊逻辑为基础，是对经典集合的开拓，也是模糊 逻辑控制的数学基础。“叫嘲。 3 1 1 模糊集合及其运算 ( 1 ) 模糊集合的定义及表示方法 z a d e h 在1 9 6 5 年对模糊集合的定义为： 给定论域u ，【，到 0 ，1 闭区间的任一映射乒。； ：u 一 0 ，1 ( 3 1 ) 都确定u 的一个模糊集合爿，以称为模糊集合4 的隶属函数。隶属函数是对模 糊概念的定量描述，它反映了模糊集合中的元素属于该集合的程度。若彳中的元 素用x 表示，则以b ) 称为x 属于4 的隶属度。儿b ) 的取值范围为闭区间 o ，1 ， 儿g ) 接近1 ，表示x 属于4 的程度高；儿g ) 接近0 ，表示工属于4 的程度低。 西北工业大学硕士学位论文第三章模糊控制理论 可见，模糊集合完全由隶属函数所描述。 ( 2 ) 隶属函数 隶属函数是模糊数学最基本的概念，正确地确定隶属函数，才能对模糊集合 进行量化。当值域变为f 0 ，1 ) 时，隶属函数就蜕化为普通集合的特征函数，模糊 集合也蜕化为普通集合。即普通集合是模糊集合的特殊形式，模糊集合的隶属函 数是普通集合的扩展和一般化。 隶属函数的确定过程既具有客观性又有主观性，不同的方法会有不同的结 果，常用的方法有：模糊统计法、例证法、专家经验法。这些方法主要是根据实 际经验加上必要的数学处理而得到的。在许多情况下，经常是初步确定粗略的隶 属函数，然后再通过“学习”和实践检验根据实际效果逐步修改和完善。 确定隶属函数的基本原则是： ( 1 ) 表示隶属函数的模糊集合必须是凸模糊集合，即隶属函数的值从最大隶 属函数中心点出发向两边延伸时，其隶属函数的值必须是单调递减的，否则会产 生明显不合逻辑的状态。 ( 2 ) 变量所取隶属函数通常是对称和平衡的，一般取3 9 个，并取奇数个， 在“零”、“适中”或者“正常”集合的两边语言值通常对称取。 ( 3 ) 隶属函数要符合人们的语义顺序，避免不恰当的重叠。 通常确定隶属函数的方法有：模糊统计法、专家经验法、典型函数法等。常 用的隶属函数有高斯型隶属函数、广义钟形隶属函数、s 形隶属函数、梯形隶属 函数、三角形隶属函数等。 3 1 2 模糊矩阵与模糊关系啪洲 ( 1 ) 模糊矩阵 如果对于任意的f m 及_ ，栉，都有【0 ，1 】，则称矩阵r = ( ) 为模糊 矩阵。模糊矩阵的合成运算是模糊推理的基本运算，其定义如下； 设模糊矩阵冗= 饥) 与模糊矩阵s = q m ) 。，二者的合成为r 。s ，其结果 是个所行z 列的模糊矩阵r ，r 的元素k 等于r 的第i 行元素与s 的第k 列对应 元素两两先取小，然后在所得结果中取最大者，即： ，膊= 二( 萱肛) ( 1 f 肌，1 七，) ( 3 2 ) ( 2 ) 模糊关系 西北工业大学硕七学位论文第三章模糊控制理论 两个非空集合u 和v 的直积u x v =