無刷直流電機的優化控制方案分析

張悅琳

摘 要：無刷直流電機的出現使傳統的電刷和換向器結構得到了優化，但傳統的控制方案卻不再具有適用性，在一定程度上限制了無刷直流電機的應用。本文首先介紹了無刷直流電機的結構和工作原理，然后分析了傳統PID算法的理論基礎，最后采用模糊PID控制算法對無刷直流電機的控制方案進行了優化。希望本文的研究可以為相關領域提供參考。

關鍵詞：無刷直流電機;PID算法;模糊控制

傳統的有刷電機需要設計電刷和換向器，因此存在機械摩擦和換相火花等問題，導致壽命不長，可靠性也較差。為了解決這一問題，無刷直流電機應運而生。無刷直流電機不再采用電刷和換向器結構，取而代之的是電子換相法，因而大大提高了電機的總體性能[1]。然而，這種性能提高是以控制系統的復雜化為代價的。由于無刷直流電機在結構上較復雜，非線性和時變特性也更加顯著，因此傳統的PID控制算法很難滿足精度要求。為此，需要探討新的控制算法，以適應無刷直流電機日益廣泛的應用需求。

1.無刷直流電機工作原理

無刷直流電機主要由電樞繞組、永磁體、定子、轉子、電子換向器等結構組成，其中電樞繞組組裝在定子上，永磁體磁極組裝在轉子上，電子換的應用使傳統電機的電刷和換向器不復存在[2]。根據應用場合的不同，電機繞組的相數可以不盡相同，轉子對數也有多種形式，繞組的連接可以采用星型和封閉型兩種，但由于封閉繞組具有較高的損耗，效率也不高，因此大部分無刷直流電機的繞組采用星型連接。不同型號的電子換相器可能具有不同的結構形式，因此又有橋式換向器和非橋式換向器的區分[3]，其中非橋式換向器結構簡單、成本較低，但由于效率不高，實際很少應用，故格式換向器是主流。

電流經過某相定子時會產生逆變交流信號，交流信號在氣隙的作用下感應出旋轉磁場推動轉子運動。傳感器實時測量轉子位置并將功率開關管有序導通，驅動電機持續運轉。根據轉子位置和換相關系的不同，功率開關管的導通或截止相序也不同，從而控制電機的正轉或反轉。

2.PID控制系統研究

2.1 PID控制概述

當前的電機控制系統中廣泛采用PID控制算法，所謂PID控制算法就是由比例（Proportion）、積分（Integral）、微分（Derivative）三部分組合在一起，動態地修正系統誤差的一種控制體系[4]。如果被控對象的數學模型可以被準確地描述，那么PID就可以獲得很高的控制精度。此外，PID控制算法還簡單易行、調試方便、可靠穩定、動態性能好等許多優點，因而成為運動控制領域中應用最為普遍的方案。

然而，隨著電機系統的發展，無刷直流電機開始在工業領域廣泛應用。無刷直流電機比傳統的交流電機更加復雜，非線性和時變性也更加明顯，性能要求也不斷提高，傳統的PID算法很難達到理想的控制精度和速度。為此，又發展出神經網絡、模糊控制、人工智能等許多新的控制算法，在很大程度上克服了傳統PID的不足。也正是這些智能算法的不斷發展，進一步推動了無刷直流電機的應用。

2.2 PID控制原理

PID控制器本質上是由三種控制策略組合而成的一種綜合控制系統，它由比例、積分和微分三個校正環節通過線性組合的方式，共同對系統誤差進行測量和修正，從而保證系統可靠穩定運行。PID控制體系由控制器和控制對象兩部分構成。在控制過程中，PID控制器首先通過傳感器將控制對象的關鍵參數測量出來，然后實時計算其與預設值的偏差，再通過綜合應用比例、積分和微分的方法對參數進行校正，比例、積分和微分環節各生成一個系數，校正后的參數用于控制被控對象，使其保持運行的穩定。

在校正過程中，不同的控制系數會對系統的精度和性能產生不同程度的影響。比例系統超出調節范圍會嚴重降低系統的穩定性，甚至產生振蕩而失去調節的作用。積分系數過大也會產生類似的問題，合理選擇積分系數能有效增強系統的抗干擾性，同時降低系統靜差。微分系數可以提高控制系統的反應速度，改善動態性能，過大的微分系統會造成系統過于靈敏，在未完成調節任務之前就停止了控制過程，因此有時候需要引入修正系數使微分環節的調節更加合理。

3.無刷直流電機的優化控制

對于傳統的交流電機而言，PID控制確實是一種優秀的控制算法，這也是其得到廣泛應用的原因。但是，對于無刷直流電機而言，其數學模型往往具有一些不確定因素，非線性和時變性也比較明顯，同時，在無刷直流電機的應用場合中，一般要求具有很高的控制精度。顯然，這種情況已經不能滿足傳統PID控制體系的前提，必須對其進行改進才能適應新的控制需求。本文結合模糊控制理論，采用模糊PID控制方案對無刷直流電機進行優化控制。

3.1模糊PID控制概述

考慮到無刷直流電機系統的數學模型引入了一些不穩定因素，無法精確建立數學模型，而模糊控制無需被控系統具有精確的數學模型，因而恰好可以彌補傳統PID控制算法的不足。模糊控制以語言控制規則為主，具有比PID控制更高的響應速度和更好的穩定性。如果將模糊控制思想融入到傳統PID控制算法中，就形成了模糊PID控制算法，使兩者的優點都得到了最充分的利用，可以大大提高系統的魯棒性。

3.2模糊PID控制過程

模糊PID控制系統的關鍵在于模糊控制器的實現，該控制器需要借助模糊數學的一些基礎理論，包括模糊集、模糊語言和模糊規則，這些數學過程再通過計算機編程的方法固化到代碼中，從而形成模糊PID控制器。具體而言，模糊控制器的實現需要經過模糊化、模糊推理和解模糊等三個關鍵步驟。

3.2.1模糊化

模糊化是模糊控制的出發點。由于無刷直流電機系統的輸入參數為誤差或誤差導數，顯然是一個確定的數值，但模糊控制器要求以模糊參數為輸入，因此必須先將誤差參數進行模糊化才能被模糊系統處理。這里所說的模糊其實是采用數學變換的方法將參數變換到論域內，并通過模糊子集的形式進行描述。模糊集和模糊規則的數量并非越多越好，也非越少越好：如果過少，就很難全面覆蓋系統特征，無法實現精確控制;如果過多，又會給計算帶來巨大的壓力。因此應綜合考慮，根據無刷直流電機的特點，恰當選取合適的模糊集合數量，其數量通常在3-10的范圍內。

3.2.2模糊推理

模糊推理是實現系統控制在關鍵環節，所謂的推理就是按照預設的模糊規則將模糊集進行延伸，建立各變量之間的對應關系。目前較經典的模糊推理算法包括Mamdani推演和T-S推演，其中前者由于過程簡單快捷而得到較廣泛的應用。對于非線性系統，T-S推演則具有一定的優勢，它通常原因-結論的思想來建立輸入輸出變量之間的非線性映射關系。

3.2.3解模糊

模糊推理的結果是給出了一系列模糊集合，這些模糊集合是根據預設的模糊規則推算而得的，因而可以反映系統的變化。為了對被控系統進行控制，還必須將模糊集合變換為確定值，這個變換過程與模糊化恰好相反，稱為解模糊。但解模糊的方法有很多，例如最經典的面積平分法、中心點法和最大隸屬度法，采用不同的方法可以得到不同的結果。

4.結語

隨著自動控制技術和數學基礎理論的發展，新的控制算法不斷涌現，無刷直流電機的控制逐步走向智能化，人工智能技術開始得到應用。不難預見，在新型控制算法的支撐下，無刷直流電機的應用將更加廣泛。

參考文獻：

[1]孫元，李鵬.無刷直流電機閉環控制設計[J].內蒙古科技與經濟.2019，（2）：83-85.

[2]黃李威，林榮文，文思奇.無刷直流電機控制系統的研究[J].電氣開關.2018，56（5）：36-39，44.

[3]何劍文.無刷直流電機的原理與應用[J].西部論叢.2018，（8）.