無(wú)刷直流電機(jī)速度的模糊控制方法

1、無(wú)刷直流電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)（BLDG）得以迅速推廣。當(dāng)BLDC調(diào)速系統(tǒng)用于要求調(diào)速性能、控制精度較高的場(chǎng)合時(shí)（如機(jī)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(biāo)。傳統(tǒng)的BLDC調(diào)速系統(tǒng)常采用PI控制，它算法簡(jiǎn)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(gè)多變量、強(qiáng)藕合、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PI控制將難以達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。在BLDC這類高度非線性的系統(tǒng)中，采

2、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(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，具有快速性及魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(xiàn)，而應(yīng)用較多的模糊控制策略主要有：基于簡(jiǎn)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(xí)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速度控制方法。本文簡(jiǎn)單介紹了模糊控制的基本原理，并

3、在廣泛參考國(guó)內(nèi)外BLDC速度控制文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)歸納和總結(jié)?？梢钥闯觯媚：刂破骰蚱浠旌峡刂破鞔嫫胀ǖ腜I控制器，可以使BLDC的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(gè)重要方向。二、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(yǔ)、言變量及模糊邏輯推理來(lái)模擬人的模糊思維方法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。其中“模糊”是指知識(shí)、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過(guò)模糊語(yǔ)言描述的，但它所完成的卻是一項(xiàng)完全確定的工作。為實(shí)現(xiàn)模糊控制，需要設(shè)計(jì)模糊控制器，以一實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言控制。模糊控制器結(jié)構(gòu)

4、包括以下3個(gè)方面：1精確量的模糊化，把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集；2模糊控制算法的設(shè)計(jì)，通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)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(gè)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(yǔ)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(guò)電子計(jì)算機(jī)，根據(jù)由精確量轉(zhuǎn)化來(lái)的模糊輸入信息，按照總結(jié)手動(dòng)控制策略取得的語(yǔ)言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出

5、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(duì)象（或過(guò)程）的控制作用。模糊控制有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：1使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型；2采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；3對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、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(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)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。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(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定，但它難以克服負(fù)載

6、、模型參數(shù)等發(fā)生大范圍變化時(shí)以及非線性因素的影響，因而無(wú)法滿足高性能、高精度場(chǎng)合的要求。而自適應(yīng)PI控制器則結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差，在快速運(yùn)動(dòng)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(shí)變系統(tǒng)、滯后系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，取得好的控制效果和強(qiáng)的魯棒性，且因不需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)較方便。（一）基于簡(jiǎn)單模糊控制器的速度控制簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)性能。在多數(shù)場(chǎng)合，簡(jiǎn)單模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(shí)測(cè)速度；模糊控制器的輸人e為速度偏差，ech為速度

7、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(jiǎn)單模糊控制器的例子較多，介紹如下。應(yīng)用Mamdani型模糊推理算法，采用低成本微處理器（80CL580）實(shí)現(xiàn)模糊控制器功能，對(duì)BLDC進(jìn)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(fù)載變化時(shí)，控制效果不佳的問(wèn)題。其仿真結(jié)果表明，該模糊控制器系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，響應(yīng)時(shí)間快；如若結(jié)合模糊控制與PI控制各自的優(yōu)點(diǎn)，則可以設(shè)計(jì)出性能更好的控制器。為同樣目的，則提出了一種模糊追蹤控制器，并應(yīng)用Motorala微處理器MC68-HC11E9進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(qiáng)的魯棒性，對(duì)

8、BLDC速度及位置變化有極好的跟蹤性能。由于標(biāo)準(zhǔn)模糊控制器設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程耗時(shí)，且需要較好的專家經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單、新穎的模糊速度控制器設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)形狀參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)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(shí)，BLDC的離線控制過(guò)程僅需調(diào)節(jié)一個(gè)參數(shù)。對(duì)采用這種方法設(shè)計(jì)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(dāng)，太小雖能抑制速度超調(diào)，但響應(yīng)速度較慢；太大雖能

9、使響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(gè)很好的策略。模糊-PI復(fù)合控制如圖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(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)合控制同單純的PI控制相比，具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

10、，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。在MATLAB的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(duì)速度環(huán)采用模糊-PI復(fù)合控制，對(duì)電流環(huán)采用PI控制，進(jìn)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控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)控制規(guī)則表。其仿真結(jié)果表明，通過(guò)采用模糊-PI復(fù)合控制，系統(tǒng)在速度誤差較大時(shí)，具有較快的響應(yīng)速度，而在誤差較小時(shí)，則有較高的穩(wěn)態(tài)精度，因此既滿足了動(dòng)態(tài)要求，又滿足了穩(wěn)態(tài)要求。為了實(shí)現(xiàn)模糊控制和PI控制間的自動(dòng)切換，提出了需要自動(dòng)切換到模糊控制器的兩種

11、情況（其它情況則由常規(guī)PI控制器起作用）：當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，使得某段時(shí)間內(nèi)誤差絕對(duì)值之和與誤差之和絕對(duì)值不等，即 時(shí)；當(dāng)檢測(cè)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ech0時(shí)。將這兩種情況相關(guān)的切換條件儲(chǔ)存起來(lái)，并由控制系統(tǒng)不斷地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸人輸出特性，就可以在線實(shí)現(xiàn)兩種控制規(guī)律間的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)還指出，輸人量化因子k，kech，輸出比例因子kU對(duì)模糊系統(tǒng)的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能均有較大影響。當(dāng)e和ech較小時(shí)，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(dāng)e和ech較大時(shí)，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

12、表明，模糊-PI復(fù)合控制響應(yīng)快、無(wú)超調(diào)、魯棒性強(qiáng)、脈動(dòng)幅度小，抗干擾能力好，動(dòng)靜態(tài)性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制。文獻(xiàn)則通過(guò)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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)PID （PI）控制器的參數(shù)，以達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)分別采用DSP （Motorola的56001）、模糊單片機(jī)（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(lái)調(diào)節(jié)PI控制器的比例增益KP （KP=KPsXKPP）

13、，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(shí)，若BLDC的轉(zhuǎn)速由于系統(tǒng)參數(shù)的變化而發(fā)生波動(dòng)，則同時(shí)調(diào)節(jié)比例增益及積分增益，使轉(zhuǎn)速保持恒定；2當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，則同時(shí)增加比例增益及積分增益，以減小響應(yīng)時(shí)間。其仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，能夠有效減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，并抑制轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。文獻(xiàn)則采用DSP（TMS320F240）成功地實(shí)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(xí)模糊控制器的速度控制模糊控制規(guī)則是人們對(duì)被控過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。被控對(duì)象的非線性、高階次、時(shí)變性

14、，以及隨機(jī)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(xí)的模糊控制方法，因其在控制過(guò)程中，能夠自動(dòng)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(dá)到最佳效果，因而在BLDG控制中得到了一定的關(guān)注。將模糊控制和經(jīng)典自適應(yīng)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊自適應(yīng)BLDC速度控制器，如圖7所示。它采用具有萬(wàn)能逼近器性能的模糊基函數(shù)表示模糊辨識(shí)器，來(lái)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)特性。提出了一種BLDC的模糊-PI控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，其采用自適應(yīng)的

15、權(quán)值修正方法來(lái)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(jì)方法很好地抑制了超調(diào)和振蕩。則提出了一種具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制方法，其具有三個(gè)主要特性：1在開始自動(dòng)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(xí)過(guò)程中自動(dòng)產(chǎn)生；2不需要系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)技術(shù)；3能夠獲得快速響應(yīng)和強(qiáng)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(dòng)態(tài)特性互補(bǔ)，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(duì)負(fù)載參數(shù)的變化以及外界的干擾并不敏感，它

16、可使系統(tǒng)的狀態(tài)按預(yù)定路徑變化，但存在顫振問(wèn)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(hào)作為輸人，消除了SMC對(duì)增加信號(hào)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(lái)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，另一方面又利用模糊控制，改善了系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)滑?？刂七吔鐚拥南拗频玫搅司徑?，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器性能良好。為了進(jìn)一步提高模糊控制器的智能水平，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)出智能模糊控制器。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)訓(xùn)練，自動(dòng)確定

17、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(shì)。提出了一種用基本樣條函數(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)了權(quán)值系數(shù)、學(xué)習(xí)步長(zhǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與尋優(yōu)。其試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、魯棒性較強(qiáng)、脈動(dòng)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(lái)體現(xiàn)，并采用自學(xué)習(xí)裝置在線更新控制器參數(shù)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、跟蹤性好，且隱藏層神經(jīng)元少。其試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通PI控制器相比，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器有更好的動(dòng)態(tài)性能，無(wú)超調(diào)。四、結(jié)語(yǔ)&