汽車空調(diào)風機無刷直流雙模糊PI調(diào)節(jié)的無級調(diào)速系統(tǒng)

1、汽車空調(diào)風機無刷直流雙模糊PI調(diào)節(jié)的無級調(diào)速系統(tǒng)曹少泳/北京理工大學珠海學院摘要：通過對汽車空調(diào)風機的無級調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析，表明模糊PI控制優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制，證明了該無級調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的正確性。得出了調(diào)速系統(tǒng)方案是可行的結(jié)論。關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)風機；無刷直流；模糊PI；無級調(diào)速中圖分類號：TP273+.4 文獻標識碼:B文章編號：1006-8155（2008）02-0054-07The Stepless Speed Regulating System Adjusted by Double Fuzzy PI with Brushless Direct Current and Used i

2、n Automotive Air-conditioning FansAbstract: The analysis on the simulation results in stepless speed regulating system of automotive air-conditioning fan shows that the fuzzy PI control is better than the conventional PI control. The accuracy of simulation model of the stepless speed regulating syst

3、em is demonstrated. The conclusion is that this speed regulating system scheme is feasible.Key words: automotive air-conditioning fan; brushless direct current; fuzzy PI; stepless speed regulating0 引言收稿日期：2007-07-13 珠海市 519085當前的汽車空調(diào)風機大多還是采用有刷直流電動機進行調(diào)速的。雖然有刷直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點，但由于它存在許多固有的缺陷：采用電刷和換

4、向器等機械的方法進行換向，壽命短、噪聲大、維護困難、成本高以及容易引起火災等安全隱患，故限制了它的進一步發(fā)展。而采用異步電動機對汽車空調(diào)風機進行調(diào)速，雖然異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、維護工作量小、運行效率高等許多優(yōu)點，但因其功率因數(shù)低、控制精度差、制造工藝要求高等諸多因素，也逐漸被近年來隨著永磁材料、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的迅猛發(fā)展而成熟起來的永磁無刷直流電動機（Brushless Direct Current Motor-BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)所取代1-7。永磁無刷直流電動機具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、噪聲低且可靠性高的特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用8-9。在調(diào)速系統(tǒng)中,

5、一般都采用PID控制策略，因為PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、穩(wěn)定精度高等優(yōu)點，但是常規(guī)的PID控制器的設(shè)計過分依賴于控制對象，參數(shù)魯棒性較差，且抗負載擾動能力也不太強；而模糊控制器具有不依賴對象的數(shù)學模型，便于利用人的經(jīng)驗知識，魯棒性強等優(yōu)點，它能很好地克服調(diào)速系統(tǒng)中模型參數(shù)變化及非線性等不確定因素給系統(tǒng)性能帶來的不利影響，但是模糊控制器具有一個較大的缺點就是穩(wěn)態(tài)精度低10-15。因此，針對這種情況，本文把兩種控制器的優(yōu)點結(jié)合起來，設(shè)計一種模糊PID控制器。但是，由于無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)是一個多干擾系統(tǒng)，D環(huán)節(jié)的加入又減弱了調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾能力。因此，在BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中，采用模糊P

6、I控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。1 速度控制器的設(shè)計16-191.1 確定模糊PI控制器的輸入、輸出變量及其他相關(guān)參數(shù)速度環(huán)節(jié)采用的模糊PI控制器選模糊自調(diào)整PI控制器，它的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，PI參數(shù)的校正部分實質(zhì)上就是一個模糊控制器。圖1 模糊自調(diào)整PID控制器結(jié)構(gòu)圖速度調(diào)節(jié)器的目的是通過給定轉(zhuǎn)速和BLDCM調(diào)速系統(tǒng)輸出的實際轉(zhuǎn)速進行比較，通過模糊PI控制器的控制作用，輸出一個電流參考信號，再通過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，最后去控制功率開關(guān)的導通和截止，最終實現(xiàn)BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速。因此，速度調(diào)節(jié)器輸入量為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的期望值和調(diào)速系統(tǒng)的反饋轉(zhuǎn)速，模糊控制器的輸入量為轉(zhuǎn)速的偏差和偏差變化率，輸出量

7、即為PI參數(shù)的修正量，它們的基本論域、語言變量、模糊子集、模糊論域、量化因子和比例因子見表1。表1 速度調(diào)節(jié)器模糊參數(shù)表各語言變量的隸屬度函數(shù)曲線均采用三角形曲線，這不僅是因為三角形曲線形狀簡單、計算工作量小、可節(jié)約存儲空間，也在于當輸入量變化時，三角形狀的隸屬度函數(shù)比其他（例如正態(tài)分布）的隸屬度函數(shù)具有更大的靈敏性。根據(jù)表1作出的各變量隸屬度函數(shù)如圖2所示。（a）、Vkp隸屬度函數(shù) (b)、Vki隸屬度函數(shù)圖2 輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)1.2 確定PI參數(shù)模糊控制規(guī)則確定PI參數(shù)的模糊控制規(guī)則就是找出在不同時刻PI兩個參數(shù)與輸入和之間的模糊關(guān)系。通過在運行中不斷檢測和，根據(jù)模糊控制原理來對

8、兩個參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足不同和對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。下面根據(jù)一般系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（如圖3所示），進一步分析在不同的輸入和時，對參數(shù)、的要求。圖3 一般系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（其中表示系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值）AB段（）：系統(tǒng)呈現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)變化的趨勢，所以在開始時取較大的以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取較小的，當快接近B點時，為了防止超調(diào)，應(yīng)減小，甚至取消積分作用，抑制超調(diào)；BC段（）：系統(tǒng)輸出值已超過穩(wěn)態(tài)值，繼續(xù)向偏差增大的方向變化。在此階段，控制作用應(yīng)盡力壓低超調(diào)， 和取較小值；CD段（）：系統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度越快越好，即應(yīng)盡快消除偏差使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，在C點時應(yīng)取較大

9、的，當快要接近D點時，為了減小超調(diào)，適當減小積分作用，以避免積分超調(diào)及隨之而來的振蕩，有利于控制；DE段（）：系統(tǒng)出現(xiàn)下超調(diào)，偏差向增大的方向變化，當接近E點時，增大與；EF段（）：系統(tǒng)呈現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)變化的趨勢，偏差向減小的方向變化，當接近F點時，為了減小超調(diào)，應(yīng)減小和。根據(jù)上述在不同輸入下對PI兩個參數(shù)的要求，可以給出兩個參數(shù)的模糊控制規(guī)則見表2和表3。表2 KP的模糊規(guī)則 表3 KI的模糊規(guī)則 1.3 模糊推理及解模糊化根據(jù)前面所得到的模糊規(guī)則，可以通過輸入的速度偏差和偏差變化率經(jīng)過推理可以得出響應(yīng)的輸出。首先求出輸出變量的隸屬度，例如：對應(yīng)于KP的第一條模糊規(guī)則的隸屬度為 其中運算符“”表示

10、取小運算，即 依此類推，就可以求出輸出量VKp在不同偏差和偏差變化率下的所有模糊規(guī)則調(diào)整的隸屬度。在某一采樣時刻，根據(jù)偏差和偏差變化率的測量值，采用重心法（也即為加權(quán)平均法）就可以求出VKP的值為 式中，（）由當前偏差和偏差變化率的測量值經(jīng)量化后的和對應(yīng)的隸屬度求得的對應(yīng)于表2中各種組合的VKP的隸屬度。同理，也可以求出VKI的值，根據(jù)這些值，通過與它們對應(yīng)的比例因子相乘，就可以得到模糊控制器的輸出Vkp、Vki（它們即為PI控制器兩個參數(shù)的修正量），把它們分別與PI控制器的兩個初始參數(shù)、相加，即 上面所得兩個參數(shù)即為模糊PI控制器的輸出、，由它們進一步去控制下一個環(huán)節(jié)。1.4 速度模糊PI控

11、制器仿真模型的建立 利用模糊邏輯工具箱構(gòu)成模糊推理系統(tǒng)（FIS）在MATLAB命令行輸入： fuzzy打開FIS編輯器，采用Mamdani型系統(tǒng)。設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，建立的初步模糊推理系統(tǒng)的GUI(圖形用戶界面)及輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)圖，在此從略。最后得到的模糊規(guī)則瀏覽器界面如圖4所示。圖4 模糊規(guī)則瀏覽器界面 SIMULINK下速度模糊PI控制器仿真模型的構(gòu)建 根據(jù)上面構(gòu)造的模糊推理系統(tǒng)（FIS），就可以構(gòu)造出一個模糊邏輯控制器，同時根據(jù)模糊自調(diào)整PI控制器結(jié)構(gòu)圖就可以構(gòu)建以下的速度模糊PI控制器仿真模型，如圖5所示。圖5 速度模糊PI控制器仿真模型1.5 速度環(huán)仿真模型的構(gòu)建根據(jù)轉(zhuǎn)子的位

12、置和感應(yīng)電動勢和相電流波形，可以編寫三相電流系數(shù)的S函數(shù)bldcia、bldcib、bldcic，把它們分別與速度模糊PI控制器輸出的電流幅值相乘，即得到速度環(huán)的輸出，它們即為電流調(diào)節(jié)器各相電流的參考輸入值，速度環(huán)的仿真模型如圖6所示。圖6 速度環(huán)仿真模型2 電流模糊控制器的設(shè)計電流模糊控制器的輸入為電流參考值和反饋值的偏差以及偏差的變化率，輸出即為PI控制器兩個參數(shù)和的修正值和。它們所采用的基本論域、語言變量、模糊子集、模糊論域、量化因子和比例因子如表4所示。表4 電流調(diào)節(jié)器模糊參數(shù)表電流模糊控制器所采用的模糊控制規(guī)則及隸屬函數(shù)分別與速度模糊控制器相同，模糊推理和反模糊化方法也與速度控制器相

13、同，在此不再贅述。把電流模糊控制器輸出的P、I參數(shù)修正量、分別與P、I參數(shù)初始值、相加，即此即為電流模糊PI控制器輸出的兩個參數(shù)、，由這兩個參數(shù)去繼續(xù)控制電流環(huán)的下一個環(huán)節(jié)。其隸屬函數(shù)、模糊控制規(guī)則的編輯與速度模糊控制器類同。由電流模糊推理系統(tǒng)可以構(gòu)建一個電流模糊邏輯控制器模塊，把這個模塊與SIMULINK中的其他相關(guān)模塊連接起來，就可以構(gòu)成一個電流模糊PI控制器的仿真模型，見圖7。圖7 電流模糊PI控制器仿真模型將A、B、C三相電流模糊PI控制器的輸出與各相的參考電流值，分別作為S函數(shù)pwmsfun的輸入，通過S函數(shù)的作用，產(chǎn)生控制逆變器的六相脈沖，其仿真模型如圖81（以A相為例）所示，pw

14、msfun的編寫從略。圖8 脈沖發(fā)生器仿真模塊3 系統(tǒng)總體仿真模型為了驗證所設(shè)計的控制器的準確性,可以設(shè)計出整個汽車空調(diào)風機無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖9所示。圖9 汽車空調(diào)風機無刷直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖該仿真模型由電機本體、電源和逆變器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和示波器等幾個部分組成，各個部分中又含有相應(yīng)的子系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)和速度環(huán)所采用的控制策略就是上面所介紹的模糊PI控制策略。 4 仿真結(jié)果及其討論4.1 仿真參數(shù)額定輸出功率：PN=116W額定電壓：UN=24V(DC)額定電流:IN=5.6A，極對數(shù)：電勢常

15、數(shù)：Ke=0.01V/(r/min)電機電樞電阻:每套繞組的電感：(LM)=12.5×10-3H轉(zhuǎn)動慣量：J=10×10-3kg·m2給定轉(zhuǎn)速：n=1000 r/min4.2 仿真結(jié)果分析及比較4.2.1 轉(zhuǎn)速電流環(huán)和速度環(huán)分別采用模糊PI控制策略，且速度環(huán)的PI參數(shù)選為，電流環(huán)PI參數(shù)選，其他參數(shù)如量化因子、比例因子等的取值見表1；電流環(huán)模糊PI參數(shù)的初值即選為雙PI調(diào)節(jié)器電流環(huán)相應(yīng)的參數(shù)，其他參數(shù)的取值見表4，在時突加負載的速度波形如圖10所示。圖10 雙模糊PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波形從圖可知，雙模糊PI調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)精度高，當出現(xiàn)擾動時，能更

16、快的恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，具有更高的抗干擾能力。4.2.2 轉(zhuǎn)矩比較圖11是無刷直流調(diào)速系統(tǒng)采用雙PI調(diào)節(jié)器時的轉(zhuǎn)矩波形，圖12是調(diào)速系統(tǒng)采用雙模糊PI調(diào)節(jié)器時的轉(zhuǎn)矩波形。從兩圖的比較可知，兩圖中都出現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)矩脈動，這是由于電流換向引起的，但是圖12中的轉(zhuǎn)矩脈動明顯小于圖11，而且在未進行換向時，轉(zhuǎn)矩的波動也更小，這是因為在雙模糊PI調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)是根據(jù)電流偏差和偏差變化率的大小自動進行在線修正的，使電機的電流能夠更快的跟蹤給定電流的變化，從而使轉(zhuǎn)矩的波動減小。另外圖中出現(xiàn)的剛開始時刻轉(zhuǎn)矩幅值較大的情況，是由于電機啟動的原因造成的，這些在雙PI調(diào)節(jié)和雙模糊PI調(diào)節(jié)中不存在較

17、大的差別。 圖11 雙PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波形圖12 雙模糊PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波形4.2.3 電流比較雙PI調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)三相電流仿真波形分別如圖13a、b、c所示。(a) A相電流波形(b) B相電流波形(c) C相電流波形圖13 雙PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形圖14a、b、c是雙模糊PI調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形圖。(a) A相電流波形(b) B相電流波形(c) C相電流波形圖14 雙模糊PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形從以上電流波形的對比中可看出，雙模糊PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的電流波動明顯小于雙PI調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)；在電流換向時刻，電流脈動后者也比

18、前者小得多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。5 結(jié)論通過對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流波形的對比，可以得出雙模糊PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的性能無論從穩(wěn)定性、抗干擾性能還是從減小轉(zhuǎn)矩方面都優(yōu)于雙PI調(diào)節(jié)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)。模糊PI控制是一種比較優(yōu)良的控制方法，它具有更高的穩(wěn)態(tài)精度和更小的控制誤差，值得推廣應(yīng)用。參 考 文 獻1 樊貴勇，馬錦珍.YDWF型外旋轉(zhuǎn)子變極多速三相異步電動機設(shè)計及其在空調(diào)風機中的應(yīng)用J.中小型電機,1995，22（5）：12-15.2 Don Alfano, Jim Judkins.Intelligent Thermal Management Using Brushless DC Fans I

19、mplementing Reliable, Full-Featured, and Cost-Effective Systems for Cooling and Thermal Supervision.1998 IEEE: 154-160.4 邸敏艷，姚勇,等.汽車空調(diào)蒸發(fā)風機與專用逆變器系統(tǒng)的研制J.中小型電機,2003，30（4）：43-47.5 侯雪玲.永磁材料的發(fā)展趨勢J. 稀有金屬快報, 1999(10).6 毛維杰，沈云寶.汽車空調(diào)無刷直流風機的驅(qū)動與保護J.汽車電器,1995(4)：8-10.7 Andras Lelkes, Jens Krotsch, Rik W.De Doncker. Low-Noise External Rotor BLDC Motor for Fan Applications. 2002 IEEE: 2036-2042.8 葉金虎,等.無刷直流電動機M.科學技術(shù)出版社，1982.9 張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社，1996.10 趙金，王光龍,等.交流調(diào)速系統(tǒng)模糊PID控制J.自動控制,2000(2)：13-16.11 武雪艷.基于模糊PID控制方法的跳汰機排料系統(tǒng)研究D.太原理工大