模糊自适应PID控制器在无刷直流电机控制系统中的应用.doc

模糊自适应PID控制器在无刷直流电机控制系统中的应用孙佃升1 白连平2（1.滨州学院 自动化系，滨州，256601）（2.北京机械工业学院 自动化系 北京 100085）摘 要：无刷直流电机是一种多变量、非线性的控制系统，采用经典的PID控制难以达到满意的控制效果。本文将模糊自适应PID控制器应用于无刷直流电机的控制中，运用模糊控制原理对PID参数进行在线调整。实验结果表明，较之传统的PID控制，采用模糊自适应PID控制的无刷直流电机控制系统具有更好的动态和静态性能，达到了较好的控制效果。关键词：无刷直流电机；模糊PID；自适应控制；参数自整定 The Application of Fuzzy Adaptive PID Controllerfor Control System of BLDCMSUN Dian-sheng 1 BAI Lian-ping 2 (1. Department of Automatization, Binzhou College, Binzhou，256600,China)(2.Department of Automatization, Beijing Information Science&Technology University, Beijing,100085,China)ABSTRACT: As brushless DC motor (BLDCM) is a multi-variable and non-linear system, using conventional PID control can not obtaion satisfied control effect. This paper introduce the application of fuzzy adaptive PID controller for control system of BLDCM and parameters self-tuning online by employing Fuzzy control principle. The experiments illustrate that excellent static and dynamic performance compared with the conventional PID control.KEY WORDS: Brushless DC Motor(BLDCM); Fuzzy PLD; adaptive control; parameter self-tuning1 引言无刷直流电机既有优良的调速性能，又克服了有刷直流电机机械换向带来的诸多问题，在各个领域获得了广泛的应用。但是，无刷直流电机的时变性、非线性、强耦合等特性导致了传统的PID控制难以满足控制系统的性能要求。传统的PID控制器的调节过程品质取决于PID控制器各个参数的整定情况，系统各个运行状态下始终采用同一套参数显然导致运行不良。本文在传统的PID控制基础上采用模糊逻辑策略设计主控制器，运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并将这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入控制系统知识库中，然后控制系统根据控制对象的实际响应情况运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳调整。2 BLDCM的数学模型以下以两相导通星形三相六状态为例，分析BLDCM的数学模型及电磁转矩等特性。考虑理想情况：1.三相绕组完全对称，且在定子内表面均匀连续分布；2.气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布对称；3.磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗；4.忽略电枢反应、齿槽及换向的影响。则三相绕组电压平衡方程式可表示为： （1）式中，为定子绕组相电压； ，为定子绕组相电流；，为定子绕组相电动势；为每相绕组自感；为每相绕组间的互感；为微分算子，；由于三相绕组星形连接没有中线，则有+=0。 （2）定子绕组产生的电磁转矩为： （3）运动方程为： （4）式中为电磁转矩；为负载转矩；为阻尼系数；为电机机械转速；为电机转动惯量。由式（3）可见，BLDCM的电磁转矩公式与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流幅值即可控制电磁转矩。为使电磁转矩恒定，要求方波电流和梯形波反电势同步，且二者的波顶为120电角度。3 基于模糊自适应PID控制器的无刷直流电机控制系统设计3.1系统整体结构本控制系统的硬件部分主要由蓄电池及逆变电路、开关管驱动和保护电路、电源电路、系统控制单元及其外围电路、电流及电压信号检测电路等几部分组成。本设计采用了三相桥式逆变电路作为功率主电路，采用蓄电池供电；控制单元采用Motorola公司的DSP56F803；无刷直流电机电枢绕组Y接，3相8极；开关管选用富士公司的IGBT，型号为1MBH60-100；IGBT的驱动保护模块采用了EXB841。图1为蓄电池组、功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。电枢绕组Y接，功率逆变电路采用电压型三相全桥逆变电路。图1 蓄电池电机与功率逆变电路的电路连接图系统采用双闭环控制，采用模糊自适应PID方法设计的速度控制器代替传统的PI速度调节器。控制系统框图如图2所示。图2 BLDCM调速控制系统结构图3.2模糊自适应PID控制器设计模糊自适应PID控制器选用电机的实际转速和温度给定值的偏差（用表示）以及偏差的变化(为采样周期)，作为输入语言变量，把PID三个参数的修正值作为输出语言变量，构成一个三变量二维模糊控制器。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，满足不同时刻的和对参数自整定的要求。控制器结构如图3所示。图3 模糊自适应PID控制器结构图根据被控对象确定偏差、偏差变化、控制输出、的实际变化范围分别为，、，、，、，和，。选取以上5者的模糊子集论域形式为，+1，0，、，+1，0，、，+1，0，、，+1，0，和，+1，0，。选取输入输出语言变量的模糊子集为，。隶属度函数取交叠对称分布的三角形隶属函数，可得到各个模糊子集的隶属度赋值。PID参数模糊自整定的原则是找出PID三个参数与和之间的模糊关系，在系统运行中实时检测和，根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，以满足不同的和情况下对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的动、静态性能。从被控对象的动、静态性能分析、和的作用：比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统响应速度越快，调节精度越高，但易产生超调。的值越小，则会降低精度，使响应速度缓慢；积分系数的作用，是消除系统的稳态误差。若的值较大，会使响应过程产生较大超调。反之的值过小，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度；微分系数的作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化。但的值过大会延长调节时间并降低系统的抗干扰能力。考虑到在不同时刻三个控制参数的作用以及相互之间的互联关系，同时总结工程实际操作经验，分别得出、的模糊规则表如下：表1 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBPBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB采用Mamdani模糊逻辑推理，重心法解模糊算法，可求出模糊控制输出的精确量，代入下式计算：，式中、和为三个参数的初值。 对输入空间论域中的所有组合计算出相应的控制输出量，既构成、的模糊控制表。运行过程中实时检测和并量化到相应的论域，在到控制表中查找各个参数的相应修正值，完成PID三个参数的在线自整定。4 实验结果采用Motorola公司的DSP56F803作为主控制单元完成了无刷直流电机控制系统的设计，实现了样机的在线控制。样机参数：额定电压=36V，额定转矩=0.4Nm，额定转速3600r/min,相电阻=0.85，有效电感=1.6mH，反电势系数=0.072V/(rad),转动惯量=2.12kg。图4是分别采用传统 PID控制和本文采用的模糊自整定PID控制时，无刷直流电机空载起动速度曲线。图中1号曲线为采用传统 PID控制时的转速响应曲线，2号曲线为采用模糊自整定 PID控制时的转速响应曲线。通过对比可以发现采用模糊自整定 PID控制较之传统的PID控制，转速响应快，超调小，转速波动小，具有良好的动静态特性。图5为电机带载运行过程中，突然加大负载的情况下，分别采用传统PID和模糊自整定 PID控制下得到的无刷直流电机转速曲线。可见采用模糊自整定 PID控制的系统动态性能好于传统PID控制。图6所示本文设计的无刷直流电机控制器控制下的无刷直流电机的相电流波形。此波形较理想图4 采用传统PID和模糊自整定 PID控制时的转速响应曲线（a）传统PID调节（b）模糊自整定 PID调节图5 突加负载时的转速响应曲线图6 无刷直流电机的相电流波形5 结论本文设计了基于DSP56F803的无刷直流电机双闭环控制系统，转速环采用模糊自整定PID控制较好地实现了对无刷直流电机的速度控制。通过电机在起动和运行中突加负载的实验，得出了该控制方法要优于传统的PID控制的结论。该无刷直流电机控制系统具有良好的动静态性能，较强的鲁棒性，具有推广应用价值。作者简介：孙佃升（1980）男，汉，山东省昌邑市人，毕业于中国石油大学，硕士。研究方向为电力电子与电力传动。白连平（1956）