无刷直流电机速度的模糊控制方法

无刷直流电机速度的模糊控制方法

一、引言

随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展，无刷直流电机（BLDG）得以迅速推广。当BLDC调速系统用于要求调速性能、控制精度较高的场合时（如机器人、航天航空、精密电子、仪器设备等地方），BLDC的快速性、稳定性以及鲁棒性是衡量其性能优劣的重要指标。

传统的BLDC调速系统常采用PI控制，它算法简单，参数调整方便，有一定的控制精度。但PI控制本质是一种线性控制，需要控制系统的精确数学模型，而BLDC 是一个多变量、强藕合、非线性、时变的复杂系统，当系统负载或参数发生变化时，PI控制将难以达到设计的预期效果。

在BLDC这类高度非线性的系统中，采用智能控制方法则是极有前景的，它具有提高系统快速性、稳定性和鲁棒性的潜力。模糊控制是智能控制中最常用的方法之一，它不依赖于控制系统的数学模型，对系统参数的变化不敏感，具有快速性及鲁棒性强的特点，因此很适合BLDC控制系统的要求。

目前，BLDC速度的模糊控制已得到较多研究，各种模糊控制策略的应用散见于各类BLDC文献，而应用较多的模糊控制策略主要有：基于简单模糊控制器的速度控制方法，基于模糊-PI复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，基于自适应、自组织、自学习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。

本文简单介绍了模糊控制的基本原理，并在广泛参考国内外BLDC速度控制文献的基础上，对在BLDC速度控制中常用的各种模糊控制方法、策略及具体应用，进行了详细归纳和总结。可以看出，用模糊控制器或其混合控制器代替普通的PI控制器，可以使BLDC的整体性能得到显著改善，是高性能BLDG调速系统开发的一个重要方向。

二、模糊控制基本原理

所谓模糊控制，是指在控制方法上应用模糊集理论、模糊语、言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。其中“模糊”是指知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，但它所完成的却是一项完全确定的工作。

为实现模糊控制，需要设计模糊控制器，以一实现语言控制。模糊控制器结构包括以下3个方面：

1．精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集；

2．模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；

3．输出信息的模糊判决，并完成模糊量到精确量的转换。

图1所示为一个具有模糊控制器的系统。其中，R为系统设定值（精确量）；e、ech分别为系统误差与误差变化率（精确量）；E、EC分别为反映系统误差与误差变化的语言变量的模糊集合（模糊量）；u为模糊控制器输出的控制作用（精确量）；y为系统输出（精确量）。模糊控制器的作用在于通过电子计算机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象（或过程）的控制作用。

模糊控制有许多传统控制无法比拟的优点，例如：

1．使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型；

2．采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性；

3．对于具有一定操作经验、而非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握；

4．操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。

三、模糊控制器在BLDC调速系统中的应用

常见的BLDC控制系统结构如图2所示。系统采用双闭环控制，即速度环、电流环控制。传统上采用PI控制，结构简单、可靠、稳定，但它难以克服负载、模型参数等发生大范围变化时以及非线性因素的影响，因而无法满足高性能、高精度场合的要求。而自适应PI控制器则结构复杂、计算量大、实时性差，在快速运动控制中受到一定的限制。

将模糊控制器直接用于BLDC速度控制，则可以充分发挥模糊控制器适应于非线性时变系统、滞后系统的优点，取得好的控制效果和强的鲁棒性，且因不需建立被控对象的精确数学模型，设计较方便。

（一）基于简单模糊控制器的速度控制

简单模糊控制器用于BLDC调速，主要是取代传统的PI调节器，以提高系统的动态性能。在多数场合，简单模糊控制器主要用于速度环，其结构如图3所示。nref 为给定速度，n为实测速度；模糊控制器的输人e为速度偏差，ech为速度偏差变化率；模糊控制器的输出作为电流调节器的给定值iref。BLDC采用简单模糊控制器的例子较多，介绍如下。

应用Mamdani型模糊推理算法，采用低成本微处理器（80CL580）实现模糊控制器功能，对BLDC进行速度调节，以克服PI控制器在工作环境不稳或负载变化时，控制效果不佳的问题。其仿真结果表明，该模糊控制器系统准确率高，响应时间快；如若结合模糊控制与PI控制各自的优点，则可以设计出性能更好的控制器。

为同样目的，则提出了一种模糊追踪控制器，并应用Motorala微处理器MC68-HC11E9进行了实验。其结果表明，与传统的滞环bang-bang控制器比较，该模糊追踪控制器有较强的鲁棒性，对BLDC速度及位置变化有极好的跟踪性能。

由于标准模糊控制器设计方法复杂，设计过程耗时，且需要较好的专家经验。针对这一问题，提出了一种简单、新颖的模糊速度控制器设计方法：首先分析PI 速度控制器的状态轨迹，然后以PI控制器的控制面（图4a）为参考，初步描绘出模糊控制器的控制面（图4b）；最后，为了提高模糊控制器的控制性能，通过对形状参数进行调节，来修改模糊控制器，从而使模糊控制器的控制面为非线性形状。采用这一方法时，BLDC的离线控制过程仅需调节一个参数。对采用这种方法设计的BLDC模糊速度调节器的仿真表明，其性能优于PI控制器，但形状参数要选择恰当，太小虽能抑制速度超调，但响应速度较慢；太大虽能使响应时间减少，却又造成较大的速度超调。