無刷直流電機速度的模糊控制方法

1、無刷直流電機速度的模糊控制方法一、引言隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論以及永磁材料的快速發(fā)展，無刷直 流電機（BLDG得以迅速推廣。當BLDC調(diào)速系統(tǒng)用于要求調(diào)速性能、控制精度較高 的場合時（如機器人、航天航空、精密電子、儀器設(shè)備等地方），BLDC的快速性、穩(wěn)定性以及魯棒性是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標 。傳統(tǒng)的BLDC調(diào)速系統(tǒng)常采用PI控制，它算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便，有一定的 控制精度。 但 PI 控制本質(zhì)是一種線性控制， 需要控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型， 而 BLDC 是一個多變量、強藕合、非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，當系統(tǒng)負載或參數(shù)發(fā)生變化時， PI 控制將難以達到設(shè)計的預(yù)期效果。在BLDC這

2、類高度非線性的系統(tǒng)中，采用智能控制方法則是極有前景的，它具有提高系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和魯棒性的潛力。模糊控制是智能控制中最常用的方法之 一，它不依賴于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，具有快速性及魯 棒性強的特點，因此很適合 BLDC控制系統(tǒng)的要求。目前，BLDC速度的模糊控制已得到較多研究，各種模糊控制策略的應(yīng)用散見于 各類BLDC文獻，而應(yīng)用較多的模糊控制策略主要有： 基于簡單模糊控制器的速度控 制方法，基于模糊 -PI 復(fù)合控制器的速度控制方法，基于模糊 PID（ PI ）控制器的速 度控制方法，基于自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習模糊控制器的速度控制方法，以及基于 集成及智能模糊控制器的

3、速度控制方法。本文簡單介紹了模糊控制的基本原理，并在廣泛參考國內(nèi)外BLDC速度控制文獻 的基礎(chǔ)上，對在BLDC速度控制中常用的各種模糊控制方法、策略及具體應(yīng)用，進行了詳細歸納和總結(jié)。 可以看出，用模糊控制器或其混合控制器代替普通的 PI 控制器， 可以使BLDC勺整體性能得到顯著改善，是高性能BLDG調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)的一個重要方向。、模糊控制基本原理所謂模糊控制，是指在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語、言變量及模糊邏 輯推理來模擬人的模糊思維方法， 用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。 其中“模糊” 是指知識、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完 成的卻是一項完全確定的工作。

4、為實現(xiàn)模糊控制，需要設(shè)計模糊控制器，以一實現(xiàn)語言控制。模糊控制器結(jié)構(gòu) 包括以下3個方面：1精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集；2.模糊控制算法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系；3輸出信息的模糊判決，并完成模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換。圖1所示為一個具有模糊控制器的系統(tǒng)。其中，R為系統(tǒng)設(shè)定值（精確量）；e、 ech分別為系統(tǒng)誤差與誤差變化率（精確量）；E、EC分別為反映系統(tǒng)誤差與誤差變 化的語言變量的模糊集合（模糊量）；u為模糊控制器輸出的控制作用（精確量）； y為系統(tǒng)輸出（精確量）。模糊控制器的作用在于通過電子計算機，根據(jù)由精確量

5、 轉(zhuǎn)化來的模糊輸入信息，按照總結(jié)手動控制策略取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理， 給出模糊輸出判決，并再將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為反饋送到被控對象（或過程）的 控制作用。iB L模糊控制有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點，例如：1 使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型；2.采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應(yīng)性;3 對于具有一定操作經(jīng)驗、而非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握;4.操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。三、模糊控制器在BLDC調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用常見的BLDC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示

6、。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，即速度環(huán)、電流 環(huán)控制。傳統(tǒng)上采用PI控制，結(jié)構(gòu)簡單、可靠、穩(wěn)定，但它難以克服負載、模型參 數(shù)等發(fā)生大范圍變化時以及非線性因素的影響，因而無法滿足高性能、高精度場合 的要求。而自適應(yīng)PI控制器則結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、實時性差，在快速運動控制中 受到一定的限制。將模糊控制器直接用于BLDC速度控制，則可以充分發(fā)揮模糊控制器適應(yīng)于非線 性時變系統(tǒng)、滯后系統(tǒng)的優(yōu)點，取得好的控制效果和強的魯棒性，且因不需建立被 控對象的精確數(shù)學(xué)模型，設(shè)計較方便。（一）基于簡單模糊控制器的速度控制簡單模糊控制器用于BLDC調(diào)速，主要是取代傳統(tǒng)的 PI調(diào)節(jié)器，以提高系統(tǒng)的 動態(tài)性能。在多數(shù)場合，簡單模

7、糊控制器主要用于速度環(huán)， 其結(jié)構(gòu)如圖3所示。nref 為給定速度，n為實測速度；模糊控制器的輸人e為速度偏差，ech為速度偏差變化 率;模糊控制器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值iref 。BLDC采用簡單模糊控制器的例子較多，介紹如下。凰38?卑楔' ；控制結(jié)梅應(yīng)用Mamdani型模糊推理算法，采用低成本微處理器（8OCL580實現(xiàn)模糊控制 器功能，對BLDC4行速度調(diào)節(jié)，以克服 PI控制器在工作環(huán)境不穩(wěn)或負載變化時， 控制效果不佳的問題。其仿真結(jié)果表明，該模糊控制器系統(tǒng)準確率高，響應(yīng)時間快； 如若結(jié)合模糊控制與PI控制各自的優(yōu)點，貝V可以設(shè)計出性能更好的控制器。為同樣目的，則提出了一種

8、模糊追蹤控制器，并應(yīng)用Motorala微處理器MC68-HC11E進行了實驗。其結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的滯環(huán) bang-bang控制器比較，該 模糊追蹤控制器有較強的魯棒性，對 BLDC速度及位置變化有極好的跟蹤性能。由于標準模糊控制器設(shè)計方法復(fù)雜，設(shè)計過程耗時，且需要較好的專家經(jīng)驗。 針對這一問題，提出了一種簡單、新穎的模糊速度控制器設(shè)計方法：首先分析PI速度控制器的狀態(tài)軌跡，然后以PI控制器的控制面（圖4a）為參考，初步描繪出模糊控制器的控制面（圖4b）;最后，為了提高模糊控制器的控制性能，通過對形 狀參數(shù)進行調(diào)節(jié)，來修改模糊控制器，從而使模糊控制器的控制面為非線性形狀。 采用這一方法時，BLD

9、C勺離線控制過程僅需調(diào)節(jié)一個參數(shù)。對采用這種方法設(shè)計的 BLDC模糊速度調(diào)節(jié)器的仿真表明，其性能優(yōu)于PI控制器，但形狀參數(shù)要選擇恰當，太小雖能抑制速度超調(diào)，但響應(yīng)速度較慢；太大雖能使響應(yīng)時間減少，卻又造成較 大的速度超調(diào)。（二）基于模糊-PI復(fù)合控制器的速度控制常規(guī)的二維模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸人變量的，因此，這種控制 器具有模糊比例一微分控制作用， 但缺少模糊積分控制作用，因而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性較差。 PI控制既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又具有較快的動態(tài)響應(yīng)，因此，把PI控制引人模糊控制器，構(gòu)成模糊-PI復(fù)合控制，以改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能，是BLDC控制的一個很好的策略。模糊-PI復(fù)合控制如

10、圖5所示。具體原理為：在大范圍偏差內(nèi)采用模糊控制， 在小范圍偏差內(nèi)轉(zhuǎn)換成PI控制，二者的轉(zhuǎn)換由微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自 動實現(xiàn)。這種復(fù)合控制同單純的PI控制相比，具有更快的動態(tài)響應(yīng)特性，更小超調(diào)； 同單純的模糊控制器相比，具有更好的穩(wěn)態(tài)精度。e圖5模護PI復(fù)合控制結(jié)構(gòu)在MATLAB勺SIMULINK環(huán)境下研究BLDC調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)合模糊控制工具箱，對速 度環(huán)采用模糊-PI復(fù)合控制，對電流環(huán)采用 PI控制，進行了建模與仿真。其模糊控 制器中的模糊決策采用 Mamdani型推理算法，逆模糊則采用中心平均法（Centroid）， 并根據(jù)三角型隸屬函數(shù)和 BLDC空制經(jīng)驗來設(shè)計控制規(guī)則表。其仿真

11、結(jié)果表明，通過 采用模糊-PI復(fù)合控制，系統(tǒng)在速度誤差較大時，具有較快的響應(yīng)速度，而在誤差 較小時，則有較高的穩(wěn)態(tài)精度，因此既滿足了動態(tài)要求，又滿足了穩(wěn)態(tài)要求。為了實現(xiàn)模糊控制和PI控制間的自動切換，提出了需要自動切換到模糊控制器 的兩種情況（其它情況則由常規(guī) PI控制器起作用）：當檢測到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，使 得某段時間內(nèi)誤差絕對值之和與誤差之和絕對值不等，即時；當檢測到系統(tǒng)發(fā)生超調(diào)，使得誤差為零，但誤差變化率不為零，即e=0且echH0時。將這兩種情況相關(guān)的切換條件儲存起來， 并由控制系統(tǒng)不斷地監(jiān)測系統(tǒng)的輸人輸出特性， 就可以在線實現(xiàn)兩種控制規(guī)律間的轉(zhuǎn)換。文獻還指出，輸人量化因子 k, kech

12、，輸出比例因子kU對模糊系統(tǒng)的穩(wěn)、動態(tài) 性能均有較大影響。當e和ech較小時，k和kech取較大值，kU取較小值，以避免 產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)保持在穩(wěn)態(tài)精度范圍內(nèi)； 當e和ech較大時，k和kech取較小值， kU取較大值，以保證系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。其仿真結(jié)果表明，模糊-PI復(fù)合控制響應(yīng)快、無超調(diào)、魯棒性強、脈動幅度小，抗干擾能力好，動靜態(tài)性能都要優(yōu)于傳 統(tǒng)PI控制。文獻則通過實驗，進一步證明了模糊-PI復(fù)合控制能夠適用于高性能 BLDC 驅(qū)動系統(tǒng)，且設(shè)計簡便、靈活。（三）基于模糊PID（PI）控制器的速度控制控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。模糊PID （ PI）控制是指采用模糊控制方法，在線 調(diào)節(jié)PI

13、D （PI）控制器的參數(shù)，以達到良好的動態(tài)性能。模桝PID（Pl）控制結(jié)構(gòu)文獻分別采用 DSP（Motorola的56001）、模糊單片機（NeuraLogie的NLX230構(gòu)成PI控制器、模糊控制器，利用模糊控制器的輸出 KPs, KIs來調(diào)節(jié)PI控制器的比例增益 KP（ KP二KPsXKPP，積分增益 KI （ KI=KIsXKIP），其中KPP KIp為預(yù)先給定的值，通常為1。其模糊控制規(guī)則的制定原則如下：1在穩(wěn)態(tài)時，若BLDC的轉(zhuǎn)速由于系統(tǒng)參數(shù)的變化而發(fā)生波動，貝y同時調(diào)節(jié)比例增益及積分增益，使轉(zhuǎn)速保持恒定；2.當系統(tǒng)響應(yīng)時間較長時，則同時增加比例增益及積分增益， 以減小響應(yīng)時間。其仿

14、真結(jié)果表明，當系統(tǒng)參數(shù)變化時，能夠有效減少系統(tǒng)響應(yīng)時間，并抑制轉(zhuǎn) 速脈動。文獻則采用DSP（TMS32OF240成功地實現(xiàn)了 BLDC位置的模糊PID控制。（四）基于自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習模糊控制器的速度控制模糊控制規(guī)則是人們對被控過程認識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結(jié)。被 控對象的非線性、高階次、時變性，以及隨機干擾等因素，都將使模糊控制規(guī)則顯 得粗糙或者不夠完善，不同程度地影響控制效果。而自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習的模 糊控制方法，因其在控制過程中，能夠自動調(diào)整、修改和完善模糊控制的參數(shù)或規(guī) 則，故可以使系統(tǒng)的控制性能不斷改善，達到最佳效果，因而在BLDG空制中得到了一定的關(guān)注。將模糊控制和

15、經(jīng)典自適應(yīng)控制相結(jié)合，設(shè)計了一個模糊自適應(yīng)BLDC速度控制器，如圖7所示。它采用具有萬能逼近器性能的模糊基函數(shù)表示模糊辨識器，來為 模糊自適應(yīng)控制器提供參數(shù)自調(diào)整的梯度信息。其仿真實驗證明，模糊自適應(yīng)控制 的BLDC調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)特性。ft*提出了一種BLDC的模糊-PI控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法，其采用自適應(yīng)的權(quán)值修正方法來修正Fuzzy回路與PI回路的連接權(quán)值。其仿真結(jié)果表明，該設(shè)計方法很 好地抑制了超調(diào)和振蕩。貝V提出了一種具有自學(xué)習功能的模糊控制方法，其具有三 個主要特性：1在開始自動調(diào)節(jié)前， 不需要向伺服系統(tǒng)輸人模糊控制規(guī)則， 規(guī)則可在自學(xué)習 過程中自動產(chǎn)生；2不需要系統(tǒng)參

16、數(shù)的調(diào)節(jié)技術(shù)；3能夠獲得快速響應(yīng)和強的魯棒性。（五）基于集成及智能模糊控制器的速度控制為了使復(fù)雜系統(tǒng)獲得精度、速度及跟蹤性能都良好的控制品質(zhì)，采用將模糊控 制與其它控制策略結(jié)合在一起的集成技術(shù)，以使彼此的動態(tài)特性互補，是BLDC速度控制研究的重要課題?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制（SMC具有健全的控制性能，對負載參數(shù)的變化以及外界的干 擾并不敏感，它可使系統(tǒng)的狀態(tài)按預(yù)定路徑變化，但存在顫振問題。提出了一種新 型滑模變結(jié)構(gòu)模糊速度控制器，它僅使用速度誤差信號作為輸人，消除了SMC對增加信號噪聲的敏感性，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)與滑模面的距離，不斷地改變控制規(guī)律來消 除顫振現(xiàn)象。該方法一方面應(yīng)用 SMC確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性

17、，另一方面又利用模糊 控制，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能。由于模糊控制減小了穩(wěn)態(tài)誤差，對滑模 控制邊界層的限制得到了緩解，設(shè)計簡單、靈活。仿真及試驗結(jié)果表明，該控制器 性能良好。為了進一步提高模糊控制器的智能水平，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，將人工智 能技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，可設(shè)計出智能模糊控制器。模糊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過訓(xùn)練，自動確定系統(tǒng)參數(shù)，比單純的模糊邏輯控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 更具優(yōu)勢。提出了一種用基本樣條函數(shù)實現(xiàn)BLDC模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器的新方法，即采用基本樣條函數(shù)構(gòu)造模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中的隸屬度函數(shù)。它實現(xiàn)了權(quán)值 系數(shù)、學(xué)習步長的自動調(diào)節(jié)與尋優(yōu)。其試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、魯棒 性較強、脈動幅度小、抗干擾能力好。則提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器， 它采用 5 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，模糊控制規(guī)則及隸屬函數(shù)的性質(zhì)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元來體現(xiàn)，并采用自學(xué)習裝置在線更新控制器參數(shù)。其結(jié)構(gòu)簡單、魯 棒性強、跟蹤性好，且隱藏層神經(jīng)元少。其試驗結(jié)果表明，與普通 PI 控制器相比， 自適應(yīng)神