PIC16C63單片微機(jī)和模糊控制器實(shí)現(xiàn)新型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 PIC16C63單片微機(jī)和模糊控制器實(shí)現(xiàn)新型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 傳統(tǒng)PID控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)成熟，構(gòu)造簡單，較穩(wěn)定可靠，應(yīng)用較為廣泛，但也存在一些缺點(diǎn)，例如無法有效地克服傳動對象和負(fù)載參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素對系統(tǒng)造成的影響，因而不能滿足高性能和高的要求。隨著模糊控制技術(shù)的成熟，應(yīng)用越來越廣泛，人們也開始將它應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速中。使用模糊控制技術(shù)后，能充分利用其非線性構(gòu)造自尋優(yōu)等各種功能，從而顯著提高系統(tǒng)的魯棒性（robustness）。此外，由于不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的設(shè)計也變得較為簡便。本文研究的這種新型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用模糊控制器替代傳統(tǒng)的

2、PID調(diào)節(jié)器，能明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，有較好的控制效果。 系統(tǒng)硬件構(gòu)造 系統(tǒng)硬件構(gòu)造如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片微機(jī)PIC16C63、顯示器、整流電路、直流變換、斬波電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、直流無刷電動機(jī)（額定電壓48V，額定轉(zhuǎn)速2000r/min）等組成。 設(shè)置CCP1模塊工作于PWM方式。把脈寬值置入CCPR1L存放器和CCP1CON5:4，RC2/CCP1引腳可輸出高達(dá)10位的脈寬調(diào)制波形。當(dāng)每次將CCPR1L中的數(shù)據(jù)再載入CCPR1H時，RC2/CCP1輸出高電平；當(dāng)定時/計數(shù)器TMR2的計數(shù)值等于CCPR1H的值時，RC2/CCP1輸出低電平，產(chǎn)生脈寬。TMR2繼續(xù)遞增，直至計數(shù)值

3、等于周期存放器PR2的值，此時RC2/CCP1輸出高電平，產(chǎn)生PWM周期，同時使CCPR1L再載入CCPR1H，如此周期循環(huán)，產(chǎn)生PWM信號。PWM輸出周期和脈寬的計算公式如下： PWM周期=（PR2）+1*4TOSC*（TMR2預(yù)分頻值） PWM脈寬=（DC1）*4TOSC*（TMR2預(yù)分頻值） 式中的DC1的值由8位的CCPR1L和CCP1CON5:42位組成。由此若PWM周期確定后，要獲得不同占空比的PWM信號，只要改變DC1的值即可。 系統(tǒng)的基本工作原理為：轉(zhuǎn)速由霍爾位置傳感器檢測，測得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定速度開展比較，將輸入變量模糊化（fuzzification）后開展模糊推理，產(chǎn)生相應(yīng)

4、的PWM信號從RC2/CCP1引腳輸出。圖1中，當(dāng)RC2/CCP1輸出低電平時，六只MOSFET仍受RA口控制開展電動機(jī)的正常換相；當(dāng)RC2/CCP1輸出高電平時，下半部的三只MOSFET被封死。因此，只需對RC2/CCP1的輸出開展PWM控制，就可以控制直流無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。整流電路的輸出除提供應(yīng)直流電動機(jī)電源外，還通過DC-DC變換器獲得5V電源提供應(yīng)單片機(jī)。系統(tǒng)設(shè)置一個2位的DIP開關(guān)，用于選擇給定轉(zhuǎn)速，有四個不同的給定轉(zhuǎn)速供選擇，以滿足不同運(yùn)行狀態(tài)和不同額定轉(zhuǎn)速的電動機(jī)；按鍵K1用于顯示給定轉(zhuǎn)速，按下則顯示給定轉(zhuǎn)速，否則顯示實(shí)時轉(zhuǎn)速。4個LED顯示器組成了顯示電路。 模糊控制器 模糊控

5、制方法 模糊控制器構(gòu)造如圖2所示，是一個參數(shù)自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)，其輸入變量是轉(zhuǎn)速偏差e和轉(zhuǎn)速偏差變化率e，輸出變量是PWM脈寬調(diào)制信號占空比的增量。在開展輸入變量模糊化時，轉(zhuǎn)速偏差e在其論域（full set）上定義3個模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(fù)（N）、零（Z）和正（P），其隸屬度函數(shù)分布如圖3（a）所示。轉(zhuǎn)速偏差變化率e在其論域上定義6個模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、負(fù)零（NZ）、正零（PZ）、正?。≒S）和正大（PB），其隸屬度函數(shù)分布如圖3（b）所示。轉(zhuǎn)速偏差e的模糊集只簡單的劃分為3個，而轉(zhuǎn)速偏差變化率的模糊集卻劃分為6個，一方面是考慮模糊控

6、制器的構(gòu)造優(yōu)化問題3，優(yōu)化后的模糊控制系統(tǒng)只有18條模糊規(guī)則；另一方面是滿足控制的要求，根據(jù)直流電動機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，在控制時為了到達(dá)控制的要求，有時更注重轉(zhuǎn)速偏差變化率。采用這樣的構(gòu)造可使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速偏差變化率比較小時獲得精細(xì)調(diào)節(jié)。輸出量PWM占空比增量的模糊化，要充分考慮到電動機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的協(xié)調(diào)。為了使轉(zhuǎn)速偏差較大時電機(jī)能快速響應(yīng)，而在轉(zhuǎn)速偏差較小時又不至于產(chǎn)生較大的超調(diào)量，輸出變量的模糊化采取兩種方案，一種方案的模糊化定義5個模糊集，相應(yīng)語言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、零（Z）、正?。≒S）和正大（PB），其隸屬度函數(shù)分布如圖4（a）所示；另一種方案的隸屬度函數(shù)采用單線形。

7、兩種方案由模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差量的大小開展自動切換。解模糊化（defuzzification）采用加權(quán)平均的重心法。 參數(shù)自調(diào)整原則 圖2所示的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器可以提高模糊控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku對模糊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性均有較大的影響。一般來說，Ke和Kec越大，系統(tǒng)的控制越高，但大偏差范圍分辯率相應(yīng)提高，可能導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，調(diào)節(jié)時間增加，動態(tài)特性變差。增大Ku可以提高系統(tǒng)的控制和響應(yīng)速度，減少Ku能減少超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。因此，參數(shù)自調(diào)整的一般原則為：當(dāng)偏差或偏差變化率較大時，Ke和Kec取較小值，Ku取較大值，這樣可以保證系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性；

8、當(dāng)偏差或偏差變化率較小時，Ke和Kec取較大值，Ku減小，這樣可以防止產(chǎn)生超調(diào)，并使系統(tǒng)盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)范圍。 控制軟件 控制系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖5所示 。模糊控制器的初始化實(shí)際上是取出以表格形式存放在程序存儲器的模糊控制規(guī)則，以初始的比例因子開展模糊判決后，將得出的控制數(shù)值以表格形式存放在RAM中，使用時可通過一個查表子程序直接提取，以滿足實(shí)時控制系統(tǒng)的快速要求。若運(yùn)行中比例因子自調(diào)整，只需要做簡單的計算可獲得新值；同時，還可以在不改變程序的情況下，將控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同參數(shù)的直流電動機(jī)。 實(shí)驗(yàn) 取直流電動機(jī)系統(tǒng)的模型為： 式中，K為放大系數(shù)，Tm為機(jī)電時間常數(shù)，Tu為小時間常數(shù)之和。 采用

9、MATLAB開展仿真實(shí)驗(yàn)，具體仿真方法見文獻(xiàn)4。仿真時所有的變量開展了歸一化，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）和圖5（b）為Tm=0.4和Tu=0.02時模糊參數(shù)自調(diào)整和參數(shù)固定的兩種仿真結(jié)果，圖5（c）為系統(tǒng)參數(shù)變化為Tm=0.5和Tu=0.02時模糊參數(shù)自調(diào)整的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，該模糊參數(shù)自調(diào)整直流電動機(jī)控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、動態(tài)性能好、超調(diào)小、控制較高的特點(diǎn)；同時，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大變化時系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)特性變化不大，說明具有良好的魯棒性。 實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行也說明該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。 結(jié)語 將高性能、高集成度并提供PWM信號的單片微處理器PIC16C63應(yīng)用于中小功率的直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)造簡單、成本低廉和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，