基于模糊自适应PID控制的无刷直流电动机速度控制系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 中北大学信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ：基于模糊自适应 PID 控制的无刷直流电动机速度控制系统设计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 19 日毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、课题的研究背景无刷直流电机是一种集电机和电子一体化的高新技术产品，它以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。机械换向不良的后果是电刷下面产生危害性火花，使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的场合受到限制，同时换向火花也能引起对无线电通讯及控制设备的电磁干扰，转速也受到机械换向的干扰限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本改善 1。早在 1917 年，Boliger 就提出了用整流管代替机械电刷，从而诞生了无刷电动机的基本思想。1955 年，美国 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换向线路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。真正进入实用阶段应从 1978 年开始，当时原西德 MANNESMANN 公司推出 MAC 经典无刷直流电动机及其驱动器。80 年代，先后研制成方波和正弦波无刷电动机。在 20 多年的时间里，无刷直流电动机在国际上己得到较为充分的发展，同时，现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了便利条件 2。无刷直流电机兼有直流和交流电机的优点，而且反馈装置简单、功率密度高、输出力矩大、驱动和控制结构简单，作为一种高性能的伺服电机，在需要高速、高精度定位控制的运动控制系统中受到越来越多的重视。尤其随着稀土永磁材料和电力电子器件性价比的不断提高，无刷直流伺服系统的造价更低，性能更为优越，具有深远的发展前景并将成为高性能交流伺服驱动系统发展的主要方向 3。高性能的电机控制系统，不仅要有高性价比的伺服电机和驱动控制设备，还得在控制器中采用新的控制算法使硬件的性能得以充分的发挥。常规的 PID 参数是依据事先建立的精确数学模型进行整定，不能随着被控对象的变化而作出调整，而 BLDCM 控制系统具有很强的非线性 3 ，导致BLDCM 常规 PID 控制系统稳态精度和抗干扰性不高。为进一步提高 BLDCM 调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制成为一个重要的发展方向和研究热点，其中模糊控制是应用最广泛、最常见的方法之一 4。它无需建立被控对象的数学模型，对控制对象的参数变化或非线性特性具有较好的适应能力,对干扰或噪声具有更强的抑制功能。但是，普通模糊控制器由于本身消除系统稳态误差的性能较差，难以获得较高的控制精度,且模糊控制器一旦设计确定,其结构就不能在线修改,因而自适应能力有限。在大系统中，精确性和复杂性是互相矛盾的，即存在不相容原理：“当系统的复杂性增大时，则其精确化的能力将自然而然的降低，在达到一定阀值时，复杂性和精确性将互相排斥。 ”这时，用传统方式建立数学模型非常困难，以至于不可能。这时人们着手研究能够处理这种形式系统的数学方法，直到 1965 年，美国加利福尼亚大学电气工程系教授 L.A.Zadeh 才创立了模糊数学，他不单是数字和符号的形式演算，而且能够模拟人脑思维的模糊推理过程，表现出强大的生命力 5。模糊控制是一种非线性智能控制，是目前实现智能控制的一种重要而有效的形式，其最大的优点是不依赖被控对象的精确模型，仅仅基于很少的模糊控制规则，即可给出控制信号，具有较强的鲁棒性 6。然而，由于被控过程的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素的影响，造成模糊控制规则或者粗糙或者不完善，都会不同程度地影响控制效果。为了弥补这个不足，先进的模糊控制应具有自适应性，在系统出现不确定因素时，仍使系统保持既定的特性。自适应模糊控制与传统的自适应控制相比有着本质的区别 7。自适应模糊控制器的优越性在于：自适应模糊控制器可以利用专家提供的具有自适应功能的语言性模糊信息，来使控制系统适应被控对象的不确定性，而传统的自适应控制器则通过系统辨识参数使其具有自控功能。自适应模糊控制为人们系统而有效地利用模糊信息提供了一种工具 8。本课题是基于模糊自适应的优势提出的。二、本课题研究现状与前景1955 年，由美国 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换向替代机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生，此后几十年里，无刷直流电机以其宽调速、小体积和高效率的特点，在国际上得到了充分的发展，各国对无刷电机控制技术的研究进行的较为深入和广泛，目前国际上对无刷电机控制技术的研究主要集中在以下几个方面:1、采用微处理器及其智能功率模块的方式，由于智能功率模块具有 GTR(大功率晶体管)高电流密度、MOSFET(场效应晶体管)的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，且在内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，特别适合无刷直流电机控制系统，目前知名的 IPM 生产商主要集中在日本欧美等发达国家，如三菱、东芝、西门子等 9。 2、持续研制新的更加适合于无刷电机控制的微处理器。目前，高速 MCU 和 DSP 技术的不断发展，推动了无刷直流电机控制技术的迅速进步，如 STMicroelectronics 公司的 L7250 电机驱动微控制器，德州仪器(TI)的 C2000 系列 DSP 处理器，ADI 的ADMC3xx 系列，Motorola 的 DSP56F8xx 系列，都是以一个 DSP 为内核，常规的 PID 参数是依据事先建立的精确数学模型进行整定，不能随着被控对象的变化而作出调整，而 BLDCM 控制系统具有很强的非线性，导致 BLDCM 常规 PID 控制系统稳态精度和抗干扰性不高。为进一步提高 BLDCM 调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制成为一个重要的发展方向和研究热点，其中模糊控制是应用最广泛、最常见的方法之一。它无需建立被控对象的数学模型，对控制对象的参数变化或非线性特性具有较好的适应能力,对干扰或噪声具有更强的抑制功能。但是，普通模糊控制器由于本身消除系统稳态误差的性能较差，难以获得较高的控制精度,且模糊控制器一旦设计确定,其结构就不能在线修改,因而自适应能力有限 【10】 。3、20 世纪中后期发展起来的各类先进控制与神经网络、遗传算法等控制策略，引起国内外广大学者的关注和研究兴趣，并且将他们与模糊控制相结合，作为一类模糊控制的新理论研究方向进行研究 11。有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换相装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机 8。“无刷直流电机”的概念已有最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（起动转矩大，起动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛 13。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在 2004 年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势 9。我国目前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。参考文献1 龚金国. 基于 DSP 的无刷直流电机数字控制系统的研究与设计. 硕士学位论文. 西安理工大学, 20052 曾光奇，胡均安王东等模糊控制理论与工程应用. 华中科技大学出版社，20063 牛海清，谢运祥.无刷直流电动机及其控制技术的发展.微电机，20024 蒋海波，崔新艺，曾凌波等.无刷直流电机模糊控制系统的建模与仿真.西安交通大学学报，2005 5 刘金琨编著智能控制. 电子工业出版社，20056 陈国庆. 一种基于 DSP 的无刷直流电机运动控制系统研究. 硕士学位论文. 武汉：武汉科技大学, 20057 谢渊斌.电动车无刷电机控制器软件设计要点N. 电子报 2007 年合订本下册.8 牛海清，谢运祥. 无刷直流电动机及其控制技术的发展D. 微电机-2002年5期.9 刘佳峰，谢杨华. 直流无刷电机换相时机的调整EB/OL. 电机技术-2006年3期.10孙欢庆，李桥梁. MC33035在直流无刷电机控制中的应用EB/OL. 电机技术-2年3期.11 葛小荣 王庆. 电动自行车控制器MOSFET驱动电路设计EB/OL. 电动车情商网.2008.12 Microchip PIC18F72 datasheetR ，2002 Microchip Technology Inc.13 Jim Simons.Mastering the PIC16C7X A/D ConverterR，2002 Microchip Technology Inc.14 IR2103(S) & (PbF) datasheetR，15 G.Henneberger .Brushless motors for electric and hybrid vehicles. Machines and Drives for Electric and Hybrid VehiclesR. 1996 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题研究的内容本课题的任务是在掌握转速、模糊自适应及 PID 控制的相关理论基础上，进行模糊自适应控制算法的研究。使直流伺服系统在非线性和参数时变情况下，具有响应快、超调量小、精度高的特点。用 MATLAB 进行仿真，分析输出波形，将其与普通 PID 控制下的仿真曲线进行对比。具体步骤如下：1、了解直流无刷电机的工作原理，建立数学模型。2、设计 bldcm 模块，转矩、转速计算模块和反电势计算模块，中点电压模块、电流滞环控制模块、参考电流模块、电压逆变器模块，并用 Matlab/Simulink 进行仿真。3、研究模糊自适应控制的基础上，编写 PID 控制转速(1000 转/分)算法及仿真。4、学习 MATLAB 软件，建立系统的仿真模型，绘出仿真曲线。二、拟采用的研究手段自适应模糊控制是通过对控制器性能的观察，做出控制决策，并用语言形式描述策略。根据被控对象的输入输出信号对对象的参数或性能指标连续地或周期地进行在线辨识，然后根据所获得的信息并按照一定的评价系统优劣的性能准则，判断决定所需的控制器参数或所需的控制器信号，最后通过修正装置实现这项控制决策，使系统趋向所期望的性能。本文将在双闭环（电流、速度）直流电机控制系统的基础上加入智能控制器，利用 DSP处理器的强大运算能力，通过算法优化、仿真，提高系统的动态调速性能。电流环采用增量式数字 PI 算法进行调节，速度环则采用模糊自适应算法对调节器进行控制，并利用 Matlab 对设计的控制算法进行动态仿真，以验证其有效性。 毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见：经典控制理论中的 PID 控制器能简单方便地控制基