无刷直流电机 英语译文.doc

无刷直流电机中文翻译 无刷直流电机速度控制的自适应模糊 PID 控制器设计摘要-因为无刷直流电机的高效率，高转矩，低音量，所以它被广泛用于许多工业应用之中。本文提出了一种改进的自适应模糊PID控制器用于控制无刷直流电机的速度。本文对传统PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器的性能进行了概述。传统的PID控制器很难调整参数和得到满意的控制特性。然而自适应模糊PID控制器能够满足控制特性，并且容易计算。实验结果证明:自适应模糊PID控制器具有比模糊PID控制器和传统PID控制器更好的控制性能。应用MATLAB/SIMULINK软件程序包对无刷直流电机进行了建模、控制与仿真。索引词-无刷直流（BLDC）电机、比例积分微分(PID)控制器、模糊PID控制、自适应模糊PID控制器。 1.简介在工业中，主要有两种类型的直流电机被使用。第一种是由电流通过固定电极结构的场线圈产生通量的传统的直流电机。第二种是由永久磁铁取代两级绕线磁场提供必要的气隙磁场的无刷直流电机。无刷直流电机通常被定义为带有梯形反电动势波形形状的永磁同步电动机。顾名思义，无刷直流电机不使用电刷换向；而是使用电子换向。近年来，高性能的无刷直流电机驱动器被广泛应用于工业应用和电力交通工具中的变速驱动系统。实际上，无刷直流电机驱动器的设计涉及一个复杂的过程，例如建模，控制方案的选择，仿真和参数调整等。近年来，针对无刷直流电机速度控制的设计，提出了各种现代控制方案【1-3】。然而，传统PID控制器算法简单、稳定、调整方便、可靠性高，所以传统PID控制被传统的速度控制系统所采用【4】【5】。但是，事实上，大多数工业流程都有不同程度的非线性，参数变异性和系统数学建模的不确定性。PID控制参数整定是非常困难的，鲁棒性差。因此，在实际生产条件下达到最优的状态是很困难的。本文提出了一种无刷直流电机调速系统中的自适应模糊PID控制。参数能够在自适应模糊PID控制下实时调整参数。为了提高自适应模糊PID控制器系统的性能，增加输入和隶属函数的数目是必要的，同时对Kp,Ki和Kd形成各自的规则。通过各自的规则，控制器能够适应任何参数的变化。但在模糊PID控制器上对Kp,Ki和Kd只是形成通用的规则。本文的目的是展示当负载发生变化，应用设计的自适应模糊PID控制器控制电机的转速保持电机的速度恒定时速度的动态响应。仿真结果显示，自适应模糊PID控制器具有比模糊PID控制器和传统PID控制器更好的控制性能。 2无刷直流电机速度控制系统三个阶段无刷直流电机的速度控制的完整框图是如图1所示.两个控制回路用于控制无刷直流电机。内部回路应用电动势同步逆变器的门信号。外部电路通过改变直流母线电压来控制电机的速度。图1 无刷直流电机的速度控制框图驱动电路是由利用六个功率晶体管同时激励两个无刷直流电机相位的三相功率变换器组成。决定MOSFET晶体管开关顺序的转子位置是通过安装在定子上的三个霍尔传感器来确定的。通过利用霍尔传感器的信息和参考电流信号（由参考电流发生器产生），解码器块产生反电动势信号向量。在相反的方向上运行电机的基本思想是通过给予相反的电流（实现的）。基于上述所说，我们由表1用来计算顺时针运动时的反电动势和表2来记录用门逻辑传递电磁力给6个门信号。 表1 顺时针旋转霍尔传感器A霍尔传感器B霍尔传感器C电动势A电动势B电动势C0000000010-11010-110011-10110010-11011-1011001-1111000 表2 门逻辑电动势A电动势B电动势CQ1Q2Q3Q4Q5Q60000000000-11000110-110011000-10101001010-11000011-1010010001-1001001000000000 3控制器电路APID控制器考虑到特征参数比例（P），积分（I）和微分（D）控制，适用于下面图2中的图表， 图2 PID控制器的仿真模型 这个系统PID控制器是简单的三相控制器。字母P，I和D代表P-比例，I-积分，D-微分。PID控制器的最基本形式的传递函数是C（S）=Kp+KdS (1)C（S）= (2)其中，KP=比例增益，KI=积分增益和KD=微分增益。从控制器到设备的控制电压U等于比例增益kp乘以误差e加上积分增益ki乘以误差e的积分加上微分增益kd乘以误差e的微分。u=Kpe+Kiedt+Kd (3)由于它的简单性和优秀性能，在很多应用中即使不是最佳的性能，PID控制器被用于超过95%的闭环生产过程中。我们最感兴趣的是闭环阶跃响应的四个主要特征。它们是1. 上升时间：这个时间是装置输出Y第一次超过期望电平90%的时间。2. 超调量：多少峰值电平高于稳定状态，对稳定状态进行归一化。3. 稳定时间：系统收敛于稳定状态的时间。4 .稳态误差：稳态输出和期望输出之差。图表3中PID控制器的kp，ki，kd的值可以通过使用ZN法得到。 表3 PID各值控制器KpKiKdPID0.8480.01B模糊PID控制器本文中使用的模糊PID控制器有两个输入一个输出。使用的控制器的总体结构如图3所示。在模糊PID控制器中只有一个连接到kp，ki，kd的输出。通过使用换算系数（/比例系数）se，sde和su得到变量的实区间。模糊控制规则的形式是：如果 e=Ei 并且 ce=dEj 那么 UPD=UPD(i,j)。这些规则都写在图3中所示的规则库查找表里。规则库结构是马丹尼类型。 图3 模糊PID控制器的仿真 FLC有两个输入和一个输出。这些分别是误差、误差变化和控制信号。语言变量意味着输入和输出已经被划分为：NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB。输入和输出在区间【-3，3】上被标准化，如图4所示。 图4 隶属函数的输出 用来描述模糊集的语言标记是：负方向大的偏差，负方向中的偏差，负方向小的偏差，近于零的偏差，正方向小的偏差，正方向中的偏差，正方向大的偏差。指定一套如表4所示的决策规则是可能的。模糊规则是从有关过程的基础知识和人类经验中提取的。这些规则包括了定义了控制策略的输入、输出关系。每个控制输入有七个模糊集，这样最多有 49 模糊规则。 表4模糊规则表FCENBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZNMNBNBNBNMNSZPSNSNBNBNMNSZPSPMZNBNMNSZPSPMPBPSNMNSZPSPMPBPBPMNSZPSPMPBPBPBPBZPSPMPBPBPBPBC自适应模糊PID控制器本文中使用的自适应模糊PID控制器基于两个输入和三个输出。使用的控制器的总体结构如图 5 所示。模糊PID控制器有三个输出，它们是Kp, Ki and Kd。 图5 自适应模糊PID控制器 作为模糊控制输入和输出的速度误差和速度误差变化是Kp, Ki, Kd。Kp=Kp.Kp1 （4）Ki=Ki.Kp1 （5）Kd= Kd.Kp1 （6）意味着输入和输出的语言变量已经被划分为：NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB。标准化的输入区间【-3，3】，输出Kp区间【-1，1】，【-1，1】，【-0.005，0.005】。Kp模糊集的输出关系如图6所示。 图6 Kp的隶属函数输出 表5 模糊规则表KpF CENBNMNSZPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZNMPBPBPMPSPSZNSNSPBPMPMPSZNSNSZPMPMPSZNSNMNMPSPSPSZNSNSNMNMPMPSZNSNMNMNMNBPBZNSNSNMNMNBNB本文采用马丹尼模糊干扰推理算法和解模糊采用重心法。然后通过解模糊，能够获得输出的Kp, Ki, Kd。 4.仿真结果和讨论图7显示了速度（a）和转矩（b）在没有负载的条件下无刷直流电机在基准速度为3000r/min时的自适应模糊PID控制器，模糊PID控制器和传统PID控制器的性能。结果显示传统PID控制器，模糊PID控制器和模糊PID控制器达到稳定时间分别是0.35秒，0.10秒和0.10秒。 (a) （b） 图7 无负载下基准速度3000r/min速度（a）和转矩（b） 图8显示了速度（a）和转矩（b）在有负载的条件下无刷直流电机在降压速度为3000r/min时的自适应模糊PID控制器，模糊PID控制器和传统PID控制器的性能。结果显示传统PID控制器，模糊PID控制器和模糊PID控制器达到稳定时间分别是0.35秒，0.10秒和0.10秒。 （a） （b） 图8 无负载下降低速度3500r/min3000r/min速度（a）和转矩（b）图9显示了速度（a）和转矩（b）在有负载影响条件下无刷直流电机在速度为3000r/min时的自适应模糊PID控制器，模糊PID控制器和传统PID控制器的性能。在无刷直流电机运行期间，在0.5秒到0.7秒时5N.m负载突然被接入。结果显示传统PID控制器达到稳定时间是0.35秒，但是模糊PID控制器达到稳定时间是0.15秒。 （a）（b） 图9 有负载下基准速度3000r/min速度（a）和转矩（b） 为了评估系统的性能，一系列的测验已经完成。三相无刷直流电机的传统PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器的性能（测验）结果分别显示在表6，7，8中。我们考虑以下特性上升时间tr，超调量mp，稳定时间ts。 表6 传统PID控制器的性能结果速度PID控制器tr%Mpts无负载15000.020216.530.35负载15000.020616.600.35无负载30000.020915.530.40负载30000.021015.710.40无负载1000-15000.020116.400.35负载1000-15000.020516.600.35无负载3000-35000.020915.400.35负载3000-35000.020915.700.35无负载1500-10000.020216.530.35负载1500-10000.020616.600.35无负载3500-30000.020915.530.35负载3500-30000.021015.710.35负荷冲击15000.020216.530.35负荷冲击30000.020616.600.35 表7 模糊PID控制器的性能结果速度模糊PID控制器tr%Mpts无负载15000.006113.130.10负载15000.03901.370.25无负载30000.00773.600.15负载30000.05220.420.25无负载1000-15000.004255.100.15负载1000-15000.03910.860.20无负载3000-35000.005140.300.15负载3000-35000.05560.230.20无负载1500-10000.006113.130.15负载1500-10000.0391.370.25无负载3500-30000.00773.60.15负载3500-30000.05220.420.25负荷冲击15000.006113.130.15负荷冲击30000.03901.60.25 表8 模糊PID控制器的性能结果速度自适应模糊PID控制器tr%Mpts无负载15000.10负载15000.10无负载30000.04321.230.17负载30000.05530.330.15无负载1000-15000.57负载1000-15000.59无负载3000-35000.53250.850.62负载3000-35000.53820.3710.65无负载1500-10000.58负载1500-10000.59无负载3500-30000.57310.0330.69负载3500-30000.65负荷冲击15000.10负荷冲击30000.04321.230.16 从性能上比较，模糊PID控制器的性能优于传统PID控制器的性能。 5.结论本文对三相无刷直流电机的传统PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器的进行了仿真。在传统的PID控制器中，当基准速度发生变化没有必要改变控制参数。从仿真结果来看，很明显，在相同的操作条件下，主要当电机工作在更低或更高速度时，采用自适应模糊PID控制器技术的无刷直流速度控制比采用传统PID控制器和模糊PID控制器的性能更好。另外，当负载变化时，电机转速保持不变。 参考文献1.J.E.米勒，无刷式永磁电机驱动器，电力工程期刊，第二卷，第一期,1988年1月。2 Q.D.Guo,X.MZhao，无刷直流电机原理和应用技术【M】，北京，中国电力出版社，2008.3. 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