无刷直流电机仿人智能控制系统的设计

无刷直流电机仿人智能控制系统的设计无刷直流电机（BLDC）是一种多变量和非线性系统，其利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此这种电机不仅保留了直流电机的优点，而且又具有沟通电动机的结构简洁、运行牢靠、维护便利等优点，使它一经消失就以极快的速度进展和普及。本文在分析了无刷直流电机数学模型的基础上，建立了基于仿人智能掌握的双闭环掌握系统，转速环采纳基于速度特征状态多模态掌握的仿人智能掌握算法，电流环采纳传统PI掌握算法。

在Matlab平台上建立了基于仿人智能掌握的无刷直流电机双闭环系统的仿真模型，包括仿人智能速度掌握器模块、PI电流掌握器模块、换相规律模块、电流采样模块和电机本体模块。通过在线调整、仿真并与其他掌握算法相比较，仿真试验结果表明：仿人智能掌握具有更好的动、静态性能。

随着对掌握精度以及掌握系统的稳态和动态性能要求的提高，对无刷直流电机采纳传统的PID掌握器往往难以满意系统的性能要求。国内外众多学者在讨论无刷直流电机的各种智能掌握算法上取得了肯定成果，然而目前无刷直流电机的各种智能掌握算法还存在掌握算法简单、参数优化等方面的问题。

仿人智能掌握是直接对人的掌握阅历、技巧和各种直觉推理规律进行测辨、概括和总结，并将其编制成简洁、精度高、能实时运行的掌握算法。仿人智能掌握方法具有多模态多掌握器的结构，将其应用于无刷直流电机的掌握能够较好地解决当前该领域掌握器结构简单、调整困难、响应迟钝和不利于在线实现等问题。

本文所设计的无刷直流电机的反电动势的为120°梯形波，电流为方波，工作在两相导通星形三相六状态。设计的无刷直流电机掌握系统为双闭环掌握系统，如图1所示。

图1无刷直流电机双闭环调速系统结构框图

该系统可以达到无刷直流电机转速输出值稳、快、准的跟随转速给定值的掌握效果。掌握系统设置转速和电流两个掌握器，掌握器实行串级连接。速度掌握器采纳具有基于速度特征状态的多模态掌握结构的仿人智能掌握器，增加了系统抗负载扰动力量，保证了系统静态和动态跟踪的性能，同时也确保了掌握系统的鲁棒性。

速度掌握器是双闭环调速系统的主导掌握器，它使转速快速地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。速度掌握器性能的优劣直接影响到整个掌握系统的掌握效果。本文所设计的双闭环掌握系统，速度掌握器采纳具有基于速度特征状态的多模态掌握结构的仿人智能掌握器，增加了系统抗负载扰动力量，保证了系统静态和动态跟踪的性能，同时也确保了掌握系统的鲁棒性。

电流掌握器作为内环掌握器，在外环转速掌握器的调整过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环掌握器的输出量变化，同时保证获得电机允许的最大电流，从而加快系统的动态过程。本文所设计的双闭环系统主要目标是对转速的调整，在速度掌握器精确掌握转速的条件下，应尽量减小电流掌握器的算法简单度，以减轻实时掌握系统中掌握器实现的难度和保证掌握的实时性。一般来讲，调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差些，主要采纳PI掌握器；在随动系统中快速性则是主要的性能要求，必需用PD或是PID掌握器。基于以上降低算法简单度以及掌握目标特性的两点考虑，电流掌握器采纳了传统的PI掌握器。PI电流掌握器可以使系统稳定，并有足够的稳定裕度可满意稳态性能指标，表现出电流无稳态误差的特性。

掌握系统设置转速和电流两个掌握器，掌握器实行串级连接。掌握过程为：用设定的速度值和由转子位置传感器检测的信号计算得到的电机实际速度值比较，经过速度掌握器的调整，输出电流给定值。检测到的电流实际值与电流给定比较，经过电流掌握器，输出得到供应电机的电压。采纳这种转速、电流双闭环掌握方式，能够恰当的发挥电流截止负反馈和转速负反馈的作用。从静态特性上看，单独的电流负反馈有使静态特性变软的趋势，但是有转速负反馈在外环，当速度掌握器不饱和时（如稳态运行时），静态特性上可能由电流负反馈产生的速度降落，完全被转速掌握器的作用消退。（http://.版权全部）又由于转速掌握器采纳具有多模态掌握结构的基于特征模型的仿人智能掌握，整个系统将是一个无稳态误差的调速系统。从动态响应过程来看，突加设定转速或启动过程中，转速掌握器很快就达到饱和，只剩下电流环起作用，系统在最大电流受限的条件下，在大转速偏差下实现最短时间掌握策略，使转速慢慢稳定下来。速度、电流双闭环掌握系统，在突加给定的暂态过程中表现为一个恒电流调整系统，在稳态时又表现为无稳态误差的调速系统，掌握系统从而具有很好的动、静态品质。

图2为Matlab的Simulink环境下建模的整体掌握框图，主要包括：无刷直流电机本体模块、仿人智能速度掌握器模块、PI电流掌握器模块、换相规律模块、电压逆变器模块、电流采样模块等。仿人智能速度掌握器采纳Matlab的S函数实现，胜利实现了本文所设计的仿人智能掌握器的多掌握器、多模态的结构。

图2无刷直流电机双闭环掌握系统Simulink框图

为了验证系统的性能，我们进行了以下两个仿真试验：

1.调整转速试验

首先系统空载起动，设定转速到1000rpm，等达到稳定状态后，在0.2s时调整转速到2000rpm。仿真试验所得到的转矩波形和转速响应的仿真曲线如图3-4所示。

图3调整转速试验的转矩仿真波形

图4调整转速试验的速度仿真波形

2.变换负载试验

系统空载起动，设定转速到1000rpm，待进入稳态状态后，在0.1s时加入负载TL=0.03Nm。试验得到的转矩波形和转速响应曲线的仿真曲线如图5-6所示。

在空载运行时，相电流达到最大值，达到最大启动转矩，在较短时间内进入稳态，反电动势波形其平顶部分约为120度较为抱负，系统上升时间tr较短，超调量小系统稳定性好，调整时间ts也很短。稳态运行时转速无稳态误差，与理论分析相吻合。在0.1s时加入负载TL=0.03Nm，这时相电流增大以提高电磁转矩，拖动外界负载，同时反电动势幅值由于电流增大而略微增大。

图5转变负载试验的转矩仿真波形

图6转变负载试验的速度仿真波形结论与小结

1.设计了无刷直流电机的仿人智能掌握算法，并基于MATLAB平台建立了无刷直流电机的仿真掌握系统。

2.通过对转速调整仿真试验，可以看到所设计的无刷直流电机仿人智能双闭环掌握系统具有良好的动、静态特