自適應(yīng)模糊PID控制的無刷直流電機(jī)及仿真分析

摘 要：文章通過對于自適應(yīng)模糊PID控制的無刷直流電機(jī)和仿真技術(shù)進(jìn)行了全面的分析，并且根據(jù)相關(guān)的理論基礎(chǔ)建設(shè)了永磁無刷直流電機(jī)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并且通過這個數(shù)學(xué)模型來轉(zhuǎn)換成為電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。通過對于PWM進(jìn)行的調(diào)節(jié)來達(dá)到轉(zhuǎn)矩脈動減少的條件，從而保證模糊控制器與PID控制器能夠各自適應(yīng)相互之間的因子結(jié)合方式，并且通過自調(diào)節(jié)控制參數(shù)來不斷完善PID控制器的相關(guān)理論功能。進(jìn)一步提高PID的操控精度，而且還能夠?qū)ATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIM ULINK以及Power SystemBlockset進(jìn)行有機(jī)會結(jié)合，從而適應(yīng)模糊PID控制的自適應(yīng)，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。通過PID與控制器之間的計算仿真，能夠進(jìn)一步使該方法得到比較有效的精度控制。

關(guān)鍵詞：模糊控制；自適應(yīng) PID控制器；無刷直流電機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)

永磁無刷直流電動機(jī)通常簡稱為BLDCM，主要的工作原理就是通過電子變換器或者逆變器來使得直流電動機(jī)替代機(jī)械換向器，從而進(jìn)一步完成直流轉(zhuǎn)換成為逆流的逆變過程。通過將位置傳感器的控制繞組電流進(jìn)行不斷地切換與控制，進(jìn)一步使無刷直流電動機(jī)能夠保證良好的電機(jī)控制與動靜相關(guān)調(diào)速的功能，而且還會避免有刷結(jié)構(gòu)存在的固有缺陷。無刷直流電動機(jī)因為具有體積小、效率高、控制力強(qiáng)、操作簡單、使用便捷的特點，能夠在伺服系統(tǒng)中得到比較廣泛的應(yīng)用，并且永磁無刷直流電動機(jī)的工作系統(tǒng)主要是1臺自控制永磁同步電動機(jī)的調(diào)頻系統(tǒng)。這樣就能夠保證與普通的變頻交流控制器有所區(qū)別。而且永磁無刷直流電動機(jī)主要是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性、多變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這樣就使得無刷直流電動機(jī)要遠(yuǎn)比普通直流無刷電動機(jī)復(fù)雜。目前在國外對于永磁無刷直流電動機(jī)進(jìn)行了很多方面的專業(yè)研究，并且提出了很多的觀點。文章通過對于無刷直流電動機(jī)的自模糊PID控制來與其他方面的模糊控制進(jìn)行了模糊推理與信息處理工作，并且進(jìn)一步增添了人工智能在線學(xué)習(xí)的功能，從而保證了能夠有效的控制系統(tǒng)的非線性或者不確定的因素。從這些方面來看，永磁無刷電動機(jī)自適應(yīng)模糊PID控制能夠有效地結(jié)合模糊信息處理的相關(guān)優(yōu)點，并且針對各自的有利條件來構(gòu)造新型的PID控制系統(tǒng)，這樣就能夠保證電機(jī)端的PWM進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)并且控制。

永磁無刷直流電動機(jī)的主電路一共包括三個部分，即電機(jī)本體、控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置傳感器。可以說，電機(jī)三相繞組具有星形連接、無重點引出的特點，而且由于兩項到點的工作方式使得雙極具有斬波的效果。由于永磁無刷直流電機(jī)能夠具有梯形反電形式，所以定子與轉(zhuǎn)子之間的功能是相互非正弦感應(yīng)的，這樣就是去了電機(jī)方程由D轉(zhuǎn)換到P軸系方程的意義。如果主要采用狀態(tài)變量的工作方式，能夠非常有效地建立起自適應(yīng)模糊控制PID的控制模型。

通過根據(jù)一般電機(jī)的工作原理，我們能夠?qū)⑷楇娏鬓D(zhuǎn)換為狀態(tài)電流，這樣就能夠進(jìn)一步得到三相繞組電壓的方程式：其中ua， ub，uc表示的是定子相繞組的電壓，單位是V；Ra，Rb，Rc表示的是定子相繞組電阻，單位是Ω；ia，ib，ic表示的是定子相繞組電流，單位是A；La，Lb，Lc表示的是每相繞組的自感，單位是H；Mab，Mac，Mba，Mbc，Mca，Mcb表示的是三相繞組間的互感，單位是H；ea，eb，ec表示的是每相繞組的反電勢，單位是V；P所代表的是微分算子，其計算公式是P=d/dt。

1 模糊PID控制器的設(shè)計

關(guān)于模糊PID的控制器的設(shè)計首先要明確PID控制算法。因為PID控制算法與傳統(tǒng)的控制算法相比較而言具有實用性強(qiáng)、實時性好、便于操作等優(yōu)點，進(jìn)一步被廣泛的應(yīng)用于控制中。如果我們采用模糊PID控制器之后，就一定要準(zhǔn)確地找到控制器設(shè)置的正確參數(shù)Kp、TD和TI，PID控制器就能夠根據(jù)這些設(shè)定好的參數(shù)來進(jìn)行工作。

但是在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中由于動態(tài)響應(yīng)和超調(diào)量技術(shù)指標(biāo)之間不能夠相互兼容，所以這樣的缺點就導(dǎo)致電機(jī)存在著非線性、時變性的不穩(wěn)定條件，導(dǎo)致PID控制效果與預(yù)期的效果不相符。如果模糊PID控制器無法確定參數(shù)對象模型，那么它就不會隨著數(shù)值變量的改變而改變，進(jìn)一步使用語言變量來進(jìn)行系統(tǒng)的描述。如果按照動態(tài)系統(tǒng)信息以及模糊控制規(guī)則來進(jìn)行推理，進(jìn)一步獲得相同的控制變量，這樣就能夠保證模糊PID控制器具有比較強(qiáng)的魯棒性的特點，但是很多情況下都不能夠進(jìn)行穩(wěn)定的精度控制，對于相關(guān)的研究結(jié)果顯示，F(xiàn)uzzy-PI控制比PID控制更加具有優(yōu)勢，比如更快的動態(tài)響應(yīng)、更小的超調(diào)。這樣一來就更加突出Fuzzy-PI控制的精度更加準(zhǔn)確。通過這樣的研究表明，F(xiàn)uzzy-PI控制更加具有優(yōu)良性以及高精度的模糊控制效果，如果Fuzzy-PI控制能夠得到充分的自適應(yīng)，那么模糊邏輯在線的系統(tǒng)控制參數(shù)就能夠不斷的完善PID控制器的性能，導(dǎo)致控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出不佳的效果。

2 無刷直流電機(jī)控制仿真系統(tǒng)

無刷直流電機(jī)控制仿真系統(tǒng)的控制方式以及機(jī)理包括很多，首先是關(guān)于速度的調(diào)節(jié)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)PID控制分離進(jìn)行調(diào)節(jié)，尤其是在控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速來改變電壓的變化，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無時差的特點，對于負(fù)載變化的抗擾功能起到一定的效果。因為PID調(diào)節(jié)器能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步保證了PID調(diào)節(jié)器對于電流能夠進(jìn)行非線性的控制，從而保證電流實現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)。

電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)的功能也可以使用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣能夠保證響應(yīng)速度更快，對于電壓的波動調(diào)節(jié)也能夠起到抗干擾的作用。在系統(tǒng)啟動的過程中，由于其輸出的閥值能夠決定最大電流的電壓，所以在保證最大電流下啟動能夠確保運(yùn)行的響應(yīng)速度，這樣就能夠保證在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程中是電流能夠根據(jù)電壓的變化而變化。通過PMW控制調(diào)節(jié)的方式，能夠保證控制器內(nèi)部的開關(guān)元件T1-T6都能夠得到脈寬調(diào)制，也就是所謂的全橋調(diào)制。

在復(fù)合控制器的調(diào)節(jié)下，直流無刷永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)速波形呈現(xiàn)出典型的PID控制器的特點，這種控制器具有進(jìn)度高、震蕩小的特點，但是對于超調(diào)的效果并不是非常出色，而且對于自適應(yīng)模糊控制器的調(diào)節(jié)能夠造成電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)慢、精度調(diào)節(jié)質(zhì)量低的情況，超調(diào)量也會不斷的下降，但是卻具有很多的振蕩功能。如果是自適應(yīng)的Fuzzy-PI復(fù)合型控制器，那么控制的直流無刷永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)速域波形就會呈現(xiàn)出平滑的特點。可以說，F(xiàn)uzzy-PI即具有PID控制器的無振蕩、高精度的特點，而且還具備PID控制器所不具有的響應(yīng)快、超調(diào)小的特點。

3 結(jié)束語

永磁無刷直流電動機(jī)通常簡稱為BLDCM，主要的工作原理就是通過電子變換器或者逆變器來使得直流電動機(jī)替代機(jī)械換向器，從而進(jìn)一步完成直流轉(zhuǎn)換成為逆流的逆變過程。文章通過對于自適應(yīng)模糊PID控制器的無刷直流電機(jī)以及仿真性模擬進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹，包括了無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、模糊PID控制器的設(shè)計以及無刷直流電機(jī)控制仿真系統(tǒng)以及結(jié)果的相關(guān)研究，能夠進(jìn)一步促進(jìn)我國關(guān)于永磁無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

作者簡介：劉偉健（1990，01-），男，漢族，廣西，碩士，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：模糊PID控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理。

姜曉愛，女，高級工程師，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計、無人機(jī)航電系統(tǒng)測試、飛行器數(shù)據(jù)采集與處理。