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论文研究-基于模糊PI算法的无刷直流电机控制系统研究与仿真 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 基于模糊 PI 算法的无刷直流电机控制系统 http://www.paper.edu.cn 研究与仿真 # 郝桥，陈震，包谛，黎明** 5 10 15 20 25 30 35 （中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100） 摘要：本文在传统 PI 控制的基础上结合模糊控制，利用 MATLAB/Simulink 搭建起无刷直流 电机模糊 PI 控制的仿真模型。仿真模型采用位置、转速、电流三闭环控制，其中转速控制 结合了模糊控制与 PI 控制，位置与电流控制均采用 PI 控制。控制系统的输出为可调节电机 转速的 PWM 占空比。仿真结果表明：所建立的模糊 PI 控制器鲁棒性强、响应快，电机的 启动性能明显提高。 关键词：无刷直流电机；仿真模型；模糊 PI；鲁棒性 中图分类号：TM33/38 Research and simulation of brushless DC motor control system based on fuzzy PI algorithm HAO Qiao, CHEN Zheng, BAO Di, LI Ming (College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100) Abstract: In this paper, based on the traditional PI control and fuzzy control, the simulation model of Brushless DC motor fuzzy PI control is built by MATLAB/Simulink. The simulation model uses the position, the speed, the current three closed loop control, in which the speed control combines the fuzzy control and the PI control, the position and the current control uses the PI control. The output of the control system is the PWM duty cycle which can adjust the speed of the motor. The simulation results show that the fuzzy PI controller has strong robustness, fast response and the startup performance is obviously improved. Keywords: brushless DC motor; simulation model; Fuzzy PI; robustness 0 引言 无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称 BLDCM）是由永磁材料制成的转子、带有 线圈绕组的定子和位置传感器等结构组成。他是随着电子技术的进步而发展起来的一种新型 直流电机，并具有传统直流电机的大部分优点，如机械特性和调节特性好、起动转矩大、控 制简单、过载能力强、动态特性好，并且克服了传统直流电机的许多缺点[1]。无刷直流电机 取消了碳刷、滑环，解决了传统直流电机在碳刷换向时产生火花而影响电机可靠性的问题。 无刷直流电机相比传统的直流电机有着诸多的优点，故而被广泛应用于工业控制领域。 无刷直流电机驱动系统具有多变量、非线性、强耦合等特点，系统的动、静态性能很大 程度上取决于控制策略和算法设计。本文设计了一种基于位置、转速和电流控制的无刷直流 电机三闭环 PI 控制系统，在此基础上为了抑制传统 PI 控制所产生的转速超调，增强电机的 启动性能与控制性能，设计了一种模糊控制器来增强调速系统的鲁棒性。 基金项目：山东省科技发展计划项目 (2014GGX104015)；国家自然科学基金项目 (51279185) 作者简介：郝桥（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为电机的运动控制 通信联系人：黎明（1975-），男，教授，主要研方向为智能信号处理与智能控制. E-mail: limingneu@126.com - 1 -
    中国科技论文在线 1 无刷直流电机的数学模型 http://www.paper.edu.cn 40 无刷直流电机由三相定子绕组、永磁体转子（具有三对磁极）及以 120 度对称分布的霍 尔位置传感器等装置组成，其中气隙磁场为梯形波。电机的驱动电路为六个 MOSFET 组成 的全桥逆变器[2]。驱动电路的拓扑结构如图 1。 M1 M3 M5 E M2 M4 M6 R R R ia ib ic 电机 ‐ ea N ‐ ‐ eb ec + + + 45 50 55 60 图 1 无刷直流电机电路拓扑结构 Fig. 1 The circuit topology of Brushless DC motor 为简化数学模型的建立，现假设三相定子绕组完全对称，空间上互差 120 度；三相绕组 电阻、电感参数完全相同；转子永磁体产生的气隙磁场为方波，三相绕组反电动势为梯形波； 电机气隙磁导均匀，磁路不饱和，不计涡流损耗；忽略电枢、绕组间互感；MOSFET 工作 在理想状态。则无刷直流电机的数学模型方程[3]如下： L   0  0   i 0    a    i 0    b R i       c i   a   i   b i     c u a u b u c      u u u      e a e b e c      R 0 0 0 R 0 0 0 L           N N N   0 L 0 d t d 　             (1)      式中： ua，ub，uc 为每项定子绕组相电压（V）； R 为每相定子绕组的电阻（Ω）； ia，ib，ic 为每相定子绕组的相电流（A）； ea，eb，ec 为每相定子绕组的反电动势（V）； uN 为中性点电压（V）。 电磁转矩 Te 的表达式为： 式中 ω 为转子角速度。 电机的机械运动方程为： e i  a a  T e e i b b   e i c c T T  e L  f   J d  t d - 2 - (2) (3)
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 式中 TL 为负载转矩；f 为粘滞摩擦系数；J 为转子的转动惯量。 65 2 闭环控制系统的设计 2.1 无刷直流电机的调速策略 70 75 80 无刷直流电机取消了碳刷和滑环组成的机械换向器，转而采用电子换向的方式。BLDCM 的定子绕组采用三相星形接法，每次换向上下桥臂各导通一个 MOSFET，然后使相应的两 相定子绕组导通。例如 M1 和 M4 同时导通，其它 MOSFET 关断，这样电流流经 M1、A 相 绕组、B 相绕组，最后经 M4 流入电源负极。同时任意一条臂上的两个 MOSFET 不能同时 导通（如 M1 和 M2），否则会造成短路故障。 值得注意的是，这样的控制方式要使电机转子旋转起来，还需知道永磁体转子所处的位 置，这里采用三个分别以 120 度分布于定子上的霍尔传感器来检测转子位置。分析无刷直流 电机的换相原理可知，电机的转子永磁体相对于定子绕组处在一定位置时，三相定子绕组会 产生特定的反电动势，一共有六种情况。而根据这六种情况可对应下一次换相时 MOSFET 的导通情况，如表 1 所示。 表 1 无刷直流电机正转的换相驱动真值表 Tab. 1 Table of phase change driving of Brushless DC motor emf_a ha 0 0 0 1 1 1 hb 0 1 1 0 0 1 hc 1 0 1 0 1 0 0 -1 -1 +1 +1 0 emf_b -1 +1 0 0 -1 +1 emf_c +1 0 +1 -1 0 -1 Q1 0 0 0 1 1 0 Q2 0 1 1 0 0 0 Q3 0 1 0 0 0 1 Q4 1 0 0 0 1 0 Q5 1 0 1 0 0 0 Q6 0 0 0 1 0 1 以表 1 为基础，可以实时控制 6 个 MOSFET 通断使电机转子旋转。在 MATLAB/Simulink 中搭建起无刷直流电机的驱动模块，如图 2。模块的输入为霍尔传感器的信号，经过逻辑变 换后产生三相反电动势信号，再根据上表得到驱动 MOSFET 的控制字。然后将一个 20kHz 的方波与控制上桥臂的 MOSFET 信号做与运算，最终通过调节 20kHz 方波的占空比来实现 调节电机转速的目的。 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 85 90 95 100 105 图 2 无刷直流电机的驱动模块框图 Fig. 2 Block diagram of Brushless DC motor drive module 2.2 无刷直流电机的模糊 PI 控制器设计 本文设计的闭环控制器，内环为电流环，以流过 MOSFET 的电流作为电流反馈；第二 环为转速环，以电机转子的转速为速度反馈；最外环为位置环，以电机转子转过的角度为位 置反馈，如图 3 所示。控制系统的输入为转子位置 pref，调整位置调节器的参数，使之处于 饱和状态，之后经过限幅环节，使位置调节器的输出为限幅值，此限幅值作为转速调节器的 给定值 nref，转速调节器的输入为 ne=nref-n，转速调节器由模糊控制器和 PI 控制器组成，之 后转速调节器的输出经过限幅环节，输出为电流环的给定值 iref，电流环输出为控制 PWM 的占空比（转速环和电流环工作在非饱和区）。其中霍尔传感器对电机转子的位置进行检测， 并将转子的位置信号转为电机的驱动逻辑，电机的驱动逻辑再与 PWM 控制器的 PWM 信号 相与，最终生成电机的驱动信号。计数后的位置信息经过计算得到当前转子的转速值与转子 转过的角度值。 pref + - p pe 位置 调节器 ne nref + - n 限幅环节 模糊控 制器 d dt + 转速 调节器 i - iref + ie 电流 调节器 限幅环节 限幅环节 电流检测 电路 PWM 控制 & 三相逆变 电路 BLDCM 速度计 算 位置计 算 电机驱动 逻辑 霍尔传感 器检测 图 3 位置、转速、电流模糊 PI 控制系统结构图 Fig. 3 Structure of fuzzy PI control system about position, speed and current 三闭环 PI 控制的核心是转速、电流双闭环，由于转速调节器的积分作用，其转速不可 避免会产生超调[4]。另外在无刷直流电机的实际使用过程中，一般在负载确定后，我们认为 负载在一定时间内不会发生变化，但在系统长期运行后，负载往往会有一定的波动，甚至电 机实际转速不能跟随转速的给定值。这些变化会拖慢系统的运行速度，并降低生产效率，严 重时会威胁到工作人员的人生安全。为减小这些问题产生的影响，在转速调节器的基础上并 联了一个模糊控制器，以此来增强调速系统的鲁棒性。 - 4 -
    110 115 中国科技论文在线 2.3 模糊控制器的设计 http://www.paper.edu.cn 模糊控制语言是一种表示人类思维活动以及复杂事物极其有效的手段。与传统控制技术 相比较，模糊控制的特点有：适应性强、鲁棒性强、系统的规则和参数整定方便、结构简单 等特点[5]。 下面设计一个模糊控制器[6-7]，在转速发生变化时，模糊控制器能够根据转速偏差以及 偏差的变化率做出相应的模糊运算[8-9]，最后将模糊控制器的输出与转速调节器的输出求和， 以此来增强转速环的性能。模糊控制器的结构如图 4。 知识库   转速偏差 增益1 增益2 模糊化 模糊推理 清晰化 增益3 模糊控制 量 模糊控制器 图 4 模糊控制器结构图 Fig. 4 Fuzzy controller structure 120 图 4 中模糊控制器为一个两输入单输出的二维模糊控制器[10]，转速偏差与其变化率作 为模糊控制器的两个输入，增益 1 与增益 2 分别为转速偏差与转速偏差变化率的增益系数， 增益 3 为模糊控制器输出的增益系数，选择 FIS 推理控制器的类型为 Mamdani，解模糊为重 心法[11-12]。 对于模糊控制器，两个输入一个输出的模糊集论域均为[-6，6]，模糊集论域语言变量的 取值皆为 NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL。输入与输出的隶属函数均为三角形，但两个 输入的 NL，PL 除外，其形状为梯形，之后选取合适的模糊规则。控制器输出模糊语言值隶 属度是根据规则前件及规则蕴涵均采用“取小”操作，最后采用 COG 反模糊化计算方法求得 实际的控制量。表 2 为两输入一输出的模糊规则表，图 5 为模糊规则形成的控制面。 125 130 表 2 转速偏差 e，偏差变化率 ec 和控制量 u 的模糊规则表 Tab. 2 The fuzzy rule table of e, ec and u u NL NM NS ZO PS PM PL e NL NL NM NS ZO ZO ZO ZO NM NL NM NS ZO ZO ZO PS ec ZO NM NS NS ZO PS PS PM PS NS NS ZO ZO PS PS PM PM NS ZO ZO ZO PS PM PL PL ZO ZO ZO ZO PS PM PL NS NM NS NS ZO ZO PS PS - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 135 图 5 模糊控制器的控制面 Fig. 5 Control surface of fuzzy controller 基于图 3 的无刷直流电机的三闭环控制策略，在 MATLAB/Simulink 中搭建了无刷直流 140 电机的三闭环控制模型，如图 6 所示。 (DC-DC) Add 图 6 模糊 PI 控制器仿真模型 Fig. 6 Simulation model of fuzzy PI controller 145 150 图 6 中的控制器从左到右分别是位置调节器(APR)、转速调节器(ASR)和电流调节器 (ACR)，最上方为模糊控制器，并联在转速调节器上，每个调节器都有限幅环节。控制系统 的电源为直流 24V，电源母线有电感滤波，母线与三相全桥逆变器的结构如图 1 所示，无刷 直流电机采用 Simulink 中自带的永磁同步电机模块。将电机的反电动势波形设置为梯形波， 轴上的机械输入设置为转矩输入。母线电流检测值与转速反馈值均有滤波处理，输入为位置 给定（单位：rad）。其中模糊控制器的输入为转速偏差和转速偏差变化率，转速偏差先经 过一个开关，判断电机位置是否到达给定值，若到达则不启动模糊控制器，若未到达则将转 速偏差输入模糊控制器。Kc、Ke、Ku 分别为转速偏差、转速偏差变化率和模糊输出的增益。 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3 仿真结果 155 无刷直流电机的负载给定 0.4N.m，电机额定转速设定为 1000r/min。在 0.3s 时加入 0.01N.m 的负载扰动，然后观察转速、电流和电机其它参数的变化情况。对图 6 中的无刷直 流电机进行仿真实验，负载转矩为 0.4N.m，并与负载转矩为 0.1N.m 的结果进行对比。仿真 结束后得到图 7 的位置、转速、电流波形。 50 0 0.4N.m 0.1N.m 负载 负载 ) d a r ( 置 位 -50 0 2000 ) n m i / r ( 速 转 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 -2000 0 4 ) ( A 流 电 2 0 0 负载扰动 0.1 0.2 0.3 0.4 0.1 0.2 时间(s) 0.3 0.4 0.5 0.5 160 165 图 7 模糊 PI 控制器不同负载下的位置、转速、电流仿真曲线 Fig. 7 Simulation curves of position, speed and current under different loads of fuzzy PI controller 图 7 为采用模糊 PI 控制器后的无刷直流电机的位置、转速、电流曲线。在 t=0.02s 以前 电机处于启动状态，当转速上升到给定值 n*=1000r/min 时，保持此转速。在 t=0.2s 时，电 机出现 0.01N.m 的负载扰动，转速出现了短暂的下降。此时转速偏差增大，转速环由于有模 糊控制器，其响应速度变快，使转速迅速上升，当转速与转速给定值相等时，电机又进入了 新的平衡状态。 ) ( V 势 动 电 反 10 5 0 -5 -10 0 170 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 时间(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 图 8 0.4N.m 负载时的反电动势波形 Fig. 8 Back EMF waveform of 0.4N.m load - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ) ( V 压 电 线 40 20 0 -20 -40 0 4 结论 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 时间(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 图 9 0.4N.m 负载时的线电压波形 Fig. 9 Line voltage waveform of 0.4N.m load 175 采用传统 PI 控制器的无刷直流电机的闭环调速系统已具有比较满意的动态性能，但在 启动阶段仍有转速上升慢，转速有超调等问题。在系统结合了合理的模糊控制后，明显减小 了电机在启动过程中产生的转速超调，改善了电机的运行性能，提高了无刷直流电机控制系 统的鲁棒性。 180 [参考文献] (References) 185 190 195 [1] 贺虎成，刘卫国. 无刷直流电机逆变器的软开关技术[M]. 北京：科学出版社，2016. [2] 李家庆，李芳，叶文. 无刷[M]直流电机控制应用：基于 STM8S 系列单片机. 北京：北京航空航天大学 出版社，2014. [3] 夏长亮. 无刷直流电机控制系统[M]. 北京：科学出版社，2009. [4] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2003. [5] 党建武,赵庶旭,王阳萍. 模糊控制技术[M]. 北京:中国铁道出片社,2007. [6] 席爱民. 模糊控制技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2008. [7] 支长义, 王瑞玲, 唐道奎,等. 无刷直流电动机模糊自适应 PID 控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(8):35-37. [8] Choi J, Park C W, Rhyu S, et al. Development and control of BLDC Motor using fuzzy models[C]// Robotics, Automation and Mechatronics, 2004 IEEE Conference on. IEEE Xplore, 2005:1180-1185 vol.2. [9] Kandiban R, Arulmozhiyal R. Speed Control of BLDC Motor Using Adaptive Fuzzy PID Controller[J]. Procedia Engineering, 2012, 38:306-313. [10] 饶选辉, 刘卫国. 基于模糊自抗扰的无刷直流电机直接转矩控制研究[J]. 微电机, 2014, 47(5):36-40. [11] 夏长亮, 方红伟. 永磁无刷直流电机及其控制[J]. 电工技术学报, 2012, 27(3):25-34. [12] 王 晓 远 , 田 亮 , 冯 华 . 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 模 糊 控 制 研 究 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2006, 26(15):134-138. - 8 -
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