基于模糊自適應(yīng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)與仿真研究摘要：無(wú)刷直流電機(jī)不但擁有直流電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大、機(jī)械特性好、控制優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),而且還擁有交流電動(dòng)機(jī)維護(hù)起來(lái)方便、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、壽命較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),因而被廣泛應(yīng)用于旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人水面艇、水下機(jī)器人、智慧醫(yī)療器械等智能制造領(lǐng)域。但是無(wú)刷直流電機(jī)自身是強(qiáng)耦合、非線性、參數(shù)多且具有時(shí)變性的特點(diǎn),所以由PID控制的雙閉環(huán)BLDCM控制系統(tǒng)性能仍然存在很多缺點(diǎn)。模糊控制不要求控制對(duì)象由非常精確的數(shù)學(xué)模型,它只需要根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)置好的模糊控制規(guī)則就可以對(duì)復(fù)雜的被控對(duì)象進(jìn)行控制,所以模糊控制在實(shí)際工程當(dāng)中還是得到了比較大的應(yīng)用。將PID控制技術(shù)與模糊控制算法相結(jié)合可以有效改善傳統(tǒng)雙閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)快速性不高，超調(diào)量大，抗干擾不強(qiáng)等缺點(diǎn)。本文從直流無(wú)刷電機(jī)基本工作原理為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)變量多且具有時(shí)變性、非線性和強(qiáng)耦合的特性，搭建了傳統(tǒng)雙閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)仿真模型。并且利用SIMULINK里的功能模塊對(duì)模糊控制的無(wú)刷直流電機(jī)和傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行仿真對(duì)比，從仿真結(jié)果可以清晰的看出模糊控制的無(wú)刷直流電機(jī)確實(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)有了一些改善。關(guān)鍵詞：直流無(wú)刷電機(jī)，自適應(yīng)模糊控制，PID控制目錄12218第1章緒論 1206651.1研究背景 140721.2研究現(xiàn)狀 1192021.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 1210441.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2276011.3研究?jī)?nèi)容 2182511.4論文結(jié)構(gòu)安排 323065第二章直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 459992.1傳統(tǒng)直流電機(jī)基本組成 435502.2無(wú)刷直流電機(jī)基本組成 4123382.3無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 5177922.4無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行原理 5105322.4.1無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 526212.4.2無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行方式 678882.4.3無(wú)刷直流電機(jī)的電路連接方式 8260322.5無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速原理 12160562.6不同PWM調(diào)制方式對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速的影響 13144262.6.1脈寬調(diào)制的含義 13215602.6.2不同脈寬調(diào)制的對(duì)比 14249602.7無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 17259732.7.1位置傳感器檢測(cè)法 17109722.7.2無(wú)位置傳感器檢測(cè)法 1810434第三章直流無(wú)刷電機(jī)PID控制算法與仿真 19161173.1PID控制算法 1977073.2傳統(tǒng)PID控制算法仿真框圖 21263963.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 22137443.3.1轉(zhuǎn)速PI控制模塊 22302993.3.2電流調(diào)節(jié)PI控制模塊 23295913.3.3轉(zhuǎn)速指令值模塊 24125083.3.4電壓源模塊 25169133.3.5三相逆變器模塊 26152523.3.6霍爾解碼模塊 26284343.3.7PWM模塊 27159263.3.8電機(jī)模塊 28304383.3.9驅(qū)動(dòng)模塊 29291053.3.10信號(hào)測(cè)量模塊 3033733.3.11負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊 31265783.3.12ac/dc整流模塊 3178123.3.13POWERGUI模塊 32319353.4仿真結(jié)果 3262833.4.1三相電流波形 33105883.4.2反電動(dòng)勢(shì)波形 33294973.4.3轉(zhuǎn)矩波形 34260833.4.4轉(zhuǎn)速波形 343473第四章直流無(wú)刷電機(jī)模糊PID控制算法與仿真 3515894.1模糊控制基礎(chǔ)與理論方法 35166904.1.1模糊控制的發(fā)展 3514504.1.2模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn) 35274974.1.3模糊控制原理圖 3598334.2模糊PI控制器的隸屬度函數(shù) 36244764.3模糊控制器控制規(guī)則 39103944.4解模糊 3957094.5控制算法仿真 40163544.6模糊變論域自適應(yīng)控制算法 42176744.6.1變論域模糊自適應(yīng)控制的發(fā)展 42251014.6.2變論域模糊自適應(yīng)控制伸縮因子的確定 43120344.6.3變論域模糊自適應(yīng)控制原理圖 448155第五章仿真結(jié)果對(duì)比分析 4615127結(jié)論 47930參考文獻(xiàn) 49緒論研究背景據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)生產(chǎn)大部分動(dòng)力來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，中國(guó)生產(chǎn)的電能中多數(shù)是被電動(dòng)機(jī)所消耗。電動(dòng)機(jī)作為最常用的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化裝置，在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的探索與發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)遍及國(guó)民生活的方方面面。為了解決各種場(chǎng)合下不同的應(yīng)用，各種各樣的電機(jī)類(lèi)型應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在所用的電機(jī)主要有以下幾類(lèi)：異步電機(jī)、直流電機(jī)，同步電機(jī)等，它們的容量范圍從幾瓦到幾千瓦不等。它們當(dāng)中異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其運(yùn)行效率比較低。同步電機(jī)運(yùn)行效率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高，但同時(shí)其會(huì)造成失步現(xiàn)象而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很少運(yùn)用。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能相對(duì)比較好所以被應(yīng)用到對(duì)調(diào)速性能有要求的場(chǎng)合。但是傳統(tǒng)的電機(jī)需要機(jī)械換相，這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)械磨損，從而使電機(jī)產(chǎn)生噪聲和在電刷處產(chǎn)生電火花。而且機(jī)械式換相會(huì)增加電機(jī)結(jié)構(gòu)的難度，使維修變得麻煩。所以世界各地的科學(xué)家都在尋求方法找到可以代替機(jī)械換相的方式。到了20世紀(jì)60年代無(wú)刷直流電機(jī)的出現(xiàn)有效的解決了直流電機(jī)的弊端。無(wú)刷直流電機(jī)不僅繼承了傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，而且其不需要機(jī)械換相的方式有效的解決了無(wú)刷直流電機(jī)的弊端。而且無(wú)刷直流電機(jī)相比于其他電機(jī)而言體積較小，所以其在伺服控制系統(tǒng)當(dāng)中也得到了廣大的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)工程領(lǐng)域?qū)o(wú)刷直流電機(jī)控制要求越來(lái)越高，所以設(shè)計(jì)更加先進(jìn)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)顯得更加重要了。研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀因無(wú)刷直流電機(jī)具有體積小，輕便且控制性能良好等特點(diǎn)，所以其被應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)當(dāng)中，無(wú)刷直流電機(jī)從誕生的這幾十年來(lái)，對(duì)其的研究一直很火。國(guó)外經(jīng)過(guò)對(duì)BLDC幾十年的研究，無(wú)刷直流電機(jī)以經(jīng)發(fā)展的相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟?？茖W(xué)家很早就再研究用電子換相器件來(lái)取代機(jī)械換相的方式。但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)，生產(chǎn)力發(fā)展的限制，他們只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，無(wú)法得到大面積的推廣。美國(guó)研究員D.Harrison在1955年發(fā)明了用晶體管換相來(lái)代替直流電機(jī)機(jī)械換相的方式標(biāo)志著無(wú)刷電機(jī)的誕生。MAC公司在1978年研發(fā)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器才真正意義上推動(dòng)了無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)的使用。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)的研究比較晚，我國(guó)的研究院校主要是在20世紀(jì)70年代才開(kāi)始研究無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)在80年代才開(kāi)始進(jìn)入到實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中。到了21世紀(jì)后，我國(guó)的BLDC發(fā)展雖然取得了一些進(jìn)步，但由于技術(shù)不成熟導(dǎo)致造價(jià)比較高，所以達(dá)不到物美價(jià)廉的程度。隨著我國(guó)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度的提高促使著無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展。國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的華中數(shù)控、航天數(shù)控等品牌應(yīng)運(yùn)而生。雖然我國(guó)也有比較好的高端產(chǎn)品，但由于性?xún)r(jià)比的原因國(guó)際高端產(chǎn)品還是三菱、安川等品牌搶占。德國(guó)和日本一些品牌憑借著其高性?xún)r(jià)比占據(jù)著國(guó)內(nèi)大量的市場(chǎng)份額。在需要精度比較高的地方，伺服控制系統(tǒng)還是被日本，歐美這些發(fā)達(dá)國(guó)家所占有大量的市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大程度上的差距。智能控制系統(tǒng)水平的高低主要顯示在硬件系統(tǒng)、控制算法這兩個(gè)方面。因?yàn)槲覈?guó)可以采購(gòu)其他國(guó)家先進(jìn)的硬件設(shè)備，所以在硬件控制系統(tǒng)當(dāng)中我國(guó)與其他國(guó)家差距不是很大。我國(guó)與其他國(guó)家控制系統(tǒng)的差距主要是在控制算法層面上的，伺服驅(qū)動(dòng)的核心技術(shù)是無(wú)刷直流電機(jī)控制層面。國(guó)外控制器占領(lǐng)大部分的高端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所以發(fā)展高端無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)是我國(guó)當(dāng)下應(yīng)該做的事情。研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的參數(shù)具有時(shí)變性，多變量、非線性的特點(diǎn)，首先搭建無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)仿真模型，然后把傳統(tǒng)PI控制的雙閉環(huán)模型改造為具有模糊PI控制的無(wú)刷直流電機(jī)仿真模型。將模糊控制算法結(jié)合傳統(tǒng)PI控制一起應(yīng)用在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，在直流無(wú)刷電機(jī)的換相工作原理基礎(chǔ)研究之上，在MATLAB/SIMULINK上對(duì)模糊PI控制的無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證模糊PID自適應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)。論文結(jié)構(gòu)安排本文章節(jié)結(jié)構(gòu)安排如下：第一章是緒論，主要介紹國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究背景，并且還介紹研究?jī)?nèi)容和意義。第二章介紹無(wú)刷電機(jī)工作原理，主要介紹無(wú)刷電機(jī)工作原理和控制方式。第三章雙閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。先從整體介紹無(wú)刷直流電機(jī)仿真框圖，然后分別介紹各個(gè)功能模塊的硬件電路。第四章電機(jī)模糊控制算法與仿真。主要是關(guān)于模糊控制的基本原理以及模糊控制器的設(shè)計(jì)。第五章根據(jù)傳統(tǒng)PI控制與模糊PI控制的測(cè)試結(jié)果，得出結(jié)論。第二章直流無(wú)刷電機(jī)工作原理2.1傳統(tǒng)直流電機(jī)基本組成圖2.1直流電機(jī)示意圖2.2無(wú)刷直流電機(jī)基本組成圖2.2BLDC電機(jī)示意圖2.3無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)無(wú)刷直流電機(jī)因其可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷使其轉(zhuǎn)矩時(shí)刻保持在最大值，所以它的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是高效率。而直流電機(jī)只有在旋轉(zhuǎn)一周期間的一瞬間可以產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，不能時(shí)刻保持最大轉(zhuǎn)矩。如果直流電機(jī)想要達(dá)到無(wú)刷電機(jī)相同大的轉(zhuǎn)矩就需要增大其磁體體積。相對(duì)于有刷電機(jī)來(lái)說(shuō)無(wú)刷電機(jī)取消了電刷，從而避免了有刷電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的噪音和電火花現(xiàn)象，這是無(wú)刷電機(jī)第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷電機(jī)可以通過(guò)周密的控制來(lái)減少電機(jī)的電損耗，這時(shí)無(wú)刷電機(jī)第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2.4無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行原理2.4.1無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。直流電機(jī)是定子是磁體，轉(zhuǎn)子是繞組的結(jié)構(gòu)，而無(wú)刷直流電機(jī)正好相反，它的定子繞有線圈，而轉(zhuǎn)子是一塊永磁體，所以無(wú)需像轉(zhuǎn)子通電，這樣就實(shí)現(xiàn)了無(wú)需電刷就可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。另一方面，無(wú)刷電機(jī)不是簡(jiǎn)單的將線圈接入到電源正負(fù)極就可以了，其控制相對(duì)于有刷電機(jī)變得復(fù)雜一些。無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，因此就無(wú)法像直流電機(jī)一樣通電就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了。但是因此無(wú)需電刷及換向器，可謀求延長(zhǎng)使用壽命。圖2.3BLDC電機(jī)的外觀及內(nèi)部構(gòu)造2.4.2無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行方式為了研究無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行方式，雖然在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會(huì)有多對(duì)極的電機(jī)，但為了研究無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行方式，我們將其理想化為一對(duì)極來(lái)進(jìn)行研究其運(yùn)行原理。圖2.4一對(duì)極無(wú)刷電機(jī)如圖2.4所示，我們可以將無(wú)刷電機(jī)的線圈其命名為U、V、W，分別向這三個(gè)線圈通電后會(huì)產(chǎn)生各自的磁通量。首先向U相通電，其產(chǎn)生的磁通量如圖2.5所示。但實(shí)際上電機(jī)采用的是三相星型接法，我們無(wú)法僅僅向其中一相進(jìn)行通電。所以我們?cè)谶@里采用向UW兩相進(jìn)行通電，如圖2.6所示在兩相線圈U、W產(chǎn)生磁通量。將這兩相的磁通量進(jìn)行合成就和得到如圖2.7所示那樣較大的磁通量了。轉(zhuǎn)子永磁體會(huì)被吸引而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)子N極方向與合成磁通量方向一致。圖2.5U相通電時(shí)磁通量方向 圖2.6UW通電時(shí)磁通量方向圖2.7UW合成磁通量方向通過(guò)控制三相全橋開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)改變合成磁通量的方向，進(jìn)而帶動(dòng)著轉(zhuǎn)子不斷的旋轉(zhuǎn)。2.4.3無(wú)刷直流電機(jī)的電路連接方式圖2.8電機(jī)連接圖直流無(wú)刷電機(jī)控制電路采用三相星形全控橋式連接方式，如上圖2.8所示。采用三相星型連接方式時(shí)有兩相是導(dǎo)通的，另外一項(xiàng)相是斷開(kāi)的。逆變電路由六個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120度，它們的相位相差60度。假設(shè)無(wú)刷電機(jī)開(kāi)始時(shí)是A、B相導(dǎo)通，此時(shí)是開(kāi)關(guān)管T1和T5導(dǎo)通，電流從T1流入繞組A相，后又從B相經(jīng)T5開(kāi)關(guān)管回到電源。這種狀態(tài)會(huì)保持60個(gè)電角度，只有位置傳感器檢測(cè)到位置信號(hào)時(shí)才開(kāi)始換相，這時(shí)控制電路將關(guān)閉T5，同時(shí)開(kāi)啟T6，這時(shí)導(dǎo)通相變?yōu)锳、C相，不斷循環(huán)。開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序是T6T1、T1T2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6，此時(shí)直流無(wú)刷電機(jī)導(dǎo)通順序是AB、AC、BC、BA、CA、CB。下圖是無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子示意圖，下面對(duì)這六換相個(gè)時(shí)刻一一分析。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖a的位置時(shí)，該時(shí)刻是轉(zhuǎn)子開(kāi)始換相的前一個(gè)時(shí)刻，此時(shí)電流流向BC兩相。位置傳感器檢測(cè)到位置信號(hào)時(shí)就會(huì)觸發(fā)換相,這時(shí)A相會(huì)開(kāi)始導(dǎo)通，同時(shí)C相會(huì)斷開(kāi)，B相保持不變，實(shí)現(xiàn)AC兩相換相。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到圖c時(shí)，電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)60度電角度，這時(shí)位置傳感器又會(huì)觸發(fā)換相，這時(shí)B相會(huì)斷開(kāi)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)通C相，實(shí)現(xiàn)BC兩相換相。如圖所示，圖c是換相前電流方向，圖d是換相后電流方向。同理，圖e和圖f為直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)120度電角度時(shí)換相前和換相后的電流方向。圖2.9轉(zhuǎn)子位置圖由上面的描述可以得出直流無(wú)刷電機(jī)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形特性如圖2.10電流是120度寬度的矩形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是120度寬度的梯形波圖2.10電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖隨著無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器輸出波形如圖2.11所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)電周期時(shí)位置傳感器會(huì)產(chǎn)生6種編碼狀態(tài)，為110,100,101,001,011,010。開(kāi)關(guān)管是根據(jù)這六種編碼狀態(tài)進(jìn)行導(dǎo)通或者截至的。圖2.11霍爾波形圖為了使無(wú)刷電機(jī)以最大的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要霍爾編碼為001時(shí)，電流B相流入，從A相流出，此時(shí)時(shí)AB兩相導(dǎo)通。當(dāng)霍爾編碼為101時(shí)，控制器導(dǎo)通BC兩相。依次類(lèi)推，霍爾編碼和定子導(dǎo)通順序如表2-1所示。2-1正轉(zhuǎn)換相控制規(guī)則表（PSWPSVPSU）導(dǎo)通相導(dǎo)通功率管001VU(V頭U尾）T3T4101VW(V頭W尾）T3T2100UW(V頭W尾）T1T2110UV(U頭V尾）T1T6010WV(W頭V尾）T5T6011WU(W頭U尾）T5T4同理，當(dāng)直流無(wú)刷電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞組導(dǎo)通順序和霍爾編碼的關(guān)系完全顛倒，如表2-2所示。2-2反轉(zhuǎn)換相控制規(guī)則表導(dǎo)通相導(dǎo)通功率管101WV(W頭V尾）T5T6100WU(W頭U尾）T5T4110VU(V頭U尾）T3T4010VW(U頭W尾）T3T2011UW(U頭W尾）T1T2001UV(U頭V尾）T1T6隨著無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，控制器會(huì)根據(jù)位置傳感器反饋的信號(hào)來(lái)控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)管的通斷。從而改變氣隙磁場(chǎng)，產(chǎn)生扭矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此就實(shí)現(xiàn)了直

流無(wú)刷電機(jī)換相。2.5無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速原理無(wú)刷電機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為：(2.1)B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，L是導(dǎo)線長(zhǎng)度，N為每相電樞繞組串聯(lián)導(dǎo)體的匝數(shù)，V是導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)線速度,其表達(dá)式為：(2.2)D是電樞內(nèi)徑，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，p是極對(duì)數(shù)，t是極距。將公式(2.1)和(2.2)合并得：（2.3）而氣隙磁通量表達(dá)式為：（2.4）a為計(jì)算極弧度系數(shù)，把（2.4）帶入（2.3）得反電動(dòng)勢(shì)為：（2.5）因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)采用星型連接，每一時(shí)刻都有兩相導(dǎo)通，所以其線電動(dòng)勢(shì)為：（2.6）其中Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)令兩相導(dǎo)通的電壓為u,那無(wú)刷電機(jī)電壓平衡方程為：（2.7）把式(2.6)代入上式(2.7)經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可得:(2.8)由式(2.8)可以知道，無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速只與磁場(chǎng)強(qiáng)度和電樞電壓u有關(guān)。由此可得無(wú)刷電機(jī)調(diào)速主要是弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速這兩種辦法。調(diào)壓調(diào)速包括用PWM來(lái)調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)從而進(jìn)行調(diào)壓，控制晶閘管的相位角，直流變換電路這三種方式。因?yàn)镻WM控制技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，還可以起到抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)，所以本文將采用PWM的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)壓輸出。弱磁調(diào)速主要是改變電勢(shì)常數(shù)Ce。但由于轉(zhuǎn)子為永磁體，上述參數(shù)基本固定不變，所以這種方法無(wú)法實(shí)施。2.6不同PWM調(diào)制方式對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速的影響2.6.1脈寬調(diào)制的含義PWM的全稱(chēng)是脈沖寬度調(diào)制的意思，改變脈沖的寬度也就是改變t在一個(gè)周期T的占比。我們?cè)谝淮握{(diào)制當(dāng)中所能夠改變的最小值Δtmin稱(chēng)為PWM的分辨率。基本概念有：占空比、分辨率；占空比：它就是在一個(gè)PWM周期當(dāng)中高電位所占用的時(shí)間與一個(gè)周期的比值,如過(guò)一個(gè)PWM的頻率是1Hz，那么它一個(gè)周期使用的時(shí)間就是1s，此時(shí)如果高電位所占用的時(shí)間是0.5s，那么低電位所用的時(shí)間也是0.5s，此時(shí)PWM的占空比就是0.5:0.5，也就是1：1。分辨率：它就是PWM的占空比最小是多少，對(duì)于數(shù)字控制系統(tǒng)，如果是16位的PWM控制系統(tǒng)，理論上其分辨率就是1:65535，如果是8位的控制系統(tǒng)那么其理論上的分辨率是1：255。如果t=0，那么其占空比為0%，如果t=T，那么其占空比為100%，16位的PWM就是將100%的占空比分為65536個(gè)檔位，8位的PWM就是將100%的占空比分為256個(gè)檔位，如果擋位越大，那么其分辨率就會(huì)越高，調(diào)速就越順滑。PWM特點(diǎn)PWM控制系統(tǒng)從處理器到被控系統(tǒng)其控制信號(hào)都是數(shù)字量而不是模擬量，這樣就可以有效減少了一系列模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的過(guò)程是其第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這樣的控制形式可以有效地減少噪聲，只有噪聲的強(qiáng)度達(dá)到使PWM的0變?yōu)?或者是1變?yōu)?的時(shí)候其才會(huì)發(fā)生變化。PWM控制的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其抗干擾的能力，這也和第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有關(guān)系的，這也解釋了為什么我們經(jīng)常會(huì)將PWM用于通信用途。我們只需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM可以擴(kuò)大通信的距離。這時(shí)我們只需要在接收端用一個(gè)濾波調(diào)制裝置就可以將PWM的高頻的方波還原為原先的模擬信號(hào)。PWM控制原理我們假設(shè)有三個(gè)不同的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率是1Hz，也就是周期都是1s。第一個(gè)脈沖占空比為80%，第二個(gè)脈沖占空比為60%，第三個(gè)脈沖占空比為40%。那么這些不同占空比的脈沖是如何對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的呢？我們可以用點(diǎn)亮LED小燈單片機(jī)程序來(lái)做一個(gè)形象的類(lèi)比，當(dāng)我們輸入LED=1時(shí)小燈就會(huì)發(fā)亮，我們輸入LED=0時(shí)小燈就會(huì)熄滅。如果我們控制輸入LED=1或者LED=0的時(shí)間不同時(shí)小燈就會(huì)不斷地閃爍。如果我們把把小燈閃爍的時(shí)間設(shè)置到我們?nèi)庋鄯直娌怀鰜?lái)的程度的話，小燈在我們的眼里就會(huì)呈現(xiàn)出常亮的狀態(tài)，但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)發(fā)亮的強(qiáng)度沒(méi)有我們?cè)O(shè)置LED=0時(shí)的發(fā)亮強(qiáng)度大。當(dāng)我們不斷改變LED=0和LED=1時(shí)的時(shí)間不同時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈呈現(xiàn)的亮度強(qiáng)度各不相同，這和模擬電路控制有一樣的效果的感覺(jué)了，而不是數(shù)字電路時(shí)簡(jiǎn)單的0和1。所以由此可以知道在上述不同的脈沖當(dāng)中，第一個(gè)脈沖小燈呈現(xiàn)的亮度最低，第二個(gè)脈沖亮度次之，第三個(gè)脈沖亮度最高。2.6.2不同脈寬調(diào)制的對(duì)比使用PWM進(jìn)行調(diào)壓時(shí)定子端電壓表達(dá)式為:(2.9)E為直流電源電壓,t為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,U為定子端電壓，T為PWM波的周期，X=t/T為PWM波的占空比。這時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式變?yōu)?2.10)由上面的公式可以得到要想調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需要調(diào)節(jié)PWM的占空比就行，由（2.10）可知其無(wú)刷電機(jī)的占空比和轉(zhuǎn)速成正比。在無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中，一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120度，導(dǎo)通相位角分別滯后60電角度。采用PWM方式控制開(kāi)關(guān)管的通斷，PWM信號(hào)控制方式有五種，如圖2.12所示。ON-PWM:開(kāi)關(guān)管前60度恒導(dǎo)通，后60度受PWM信號(hào)控制，如圖(a)所示。PWM-ON:開(kāi)關(guān)管后60度恒導(dǎo)通，前60度受PWM信號(hào)控制，如圖(b)所示。HPWM-LON:此時(shí)電路上橋臂開(kāi)關(guān)管受PWM控制，下橋臂開(kāi)關(guān)管恒導(dǎo)通，如圖(c)所示。HON-LPWM:此時(shí)下橋臂受PWM控制，上橋臂開(kāi)關(guān)管恒導(dǎo)通，，如圖(d)所示。HPWM-LPWM:此時(shí)上下橋臂都受PWM控制，如圖(e)所示。其中，ON-PWM、PWM-ON為雙單邊雙管控制方式，HPWM-LON、HON-LPWM為單邊單管控制方式，HPWM-LPWM為雙邊控制方式。圖2.125種PWM控制方式從無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，會(huì)綜合以下幾個(gè)因素來(lái)選擇PWM控制方式：1.開(kāi)關(guān)管發(fā)熱損耗2.控制方式實(shí)現(xiàn)的難易程度3.影響無(wú)位置檢測(cè)方式得到反電動(dòng)勢(shì)的程度顯然，使用雙邊調(diào)制時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的功率損耗是單邊控制方式的兩倍，從而使開(kāi)關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重而影響其使用壽命。所以，HPWM-LPWM雙邊控制方式直接淘汰。并且由文獻(xiàn)[13]可知在同等條件下HPWM-LON控制方式無(wú)刷電機(jī)電樞電壓尖峰電壓最小，而且包含的諧波量最小，因此在無(wú)位置無(wú)刷傳感器的BLDC控制系統(tǒng)中可以更容易就獲取到BLDC轉(zhuǎn)子位置，為后面PI控制的仿真電路提供了理論依據(jù)。2.7無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)2.7.1位置傳感器檢測(cè)法位置傳感器是無(wú)刷直流電機(jī)的核心部分，它可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)向控器器發(fā)出控制信號(hào)從而控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，傳感器與控制器結(jié)合在一起來(lái)代替直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置，無(wú)刷直流電機(jī)現(xiàn)在有電磁式、光電式、磁敏式這三種類(lèi)型的傳感器。電磁式位置傳感器電磁式傳感器是用電磁感應(yīng)原理對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)的，這時(shí)繞組會(huì)產(chǎn)生高頻感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)濾波和整形可以得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。光電式位置傳感器光電式傳感器是用光電耦合原理對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)的，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，遮光板隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不斷的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)光敏三極管會(huì)隨著感應(yīng)光源的強(qiáng)弱不斷地導(dǎo)通與關(guān)斷，控制器根據(jù)三極管通斷的信號(hào)根據(jù)邏輯關(guān)系處理來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。磁敏式位置傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)的，霍爾傳感器根據(jù)磁場(chǎng)變化輸出霍爾信號(hào)，控制器根據(jù)霍爾信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。使用位置傳感器時(shí)還有一些缺點(diǎn)，比如在惡劣環(huán)境下可能導(dǎo)致其損壞，這時(shí)維修成本就會(huì)加大，而且如果需要高精度的位置傳感器的話，其成本價(jià)也會(huì)比較高。所以此時(shí)無(wú)需傳感器的無(wú)位置檢測(cè)方法在科學(xué)家的研究下應(yīng)運(yùn)而生。2.7.2無(wú)位置傳感器檢測(cè)法無(wú)位置傳感器檢測(cè)就是利用一些算法，通過(guò)獲得電壓電流等信息進(jìn)行位置的計(jì)算，有的也通過(guò)注入一些高頻分量或者諧波分量檢測(cè)位置。以上是軟件方法，也有使用硬件方法的，就是雖然沒(méi)有使用傳感器，但是利用構(gòu)造虛擬中點(diǎn)等方法，再結(jié)合軟件進(jìn)行檢測(cè)。常見(jiàn)的無(wú)位置傳感器檢測(cè)法包括反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)，定子三次諧波檢測(cè)，瞬時(shí)電壓方程法等。第三章直流無(wú)刷電機(jī)PID控制算法與仿真3.1PID控制算法PID控制技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，它是所有智能控制技術(shù)當(dāng)中最早出現(xiàn)的控制技術(shù)，因其控制可靠性高，調(diào)試簡(jiǎn)單，魯棒性也比較好的特點(diǎn)，所以PID控制技術(shù)以經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)中。PID控制原理傳統(tǒng)PID控制原理框圖如圖3.1所示。圖3.1PID控制原理框圖PID控制原理是根據(jù)輸入，輸出兩者相減得到的誤差進(jìn)行比例，積分，微分的作用得到輸出值去控制被控對(duì)象，其輸出方程為：（3.1）u是控制器的輸出值，Ki是積分常數(shù)，Kp是比例常數(shù)，Kd是微分常數(shù)PID控制器傳遞函數(shù)表達(dá)形式為： （3.2）其結(jié)構(gòu)控制框圖如圖3.2所示圖3.2PID控制器結(jié)構(gòu)框圖通過(guò)調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)Ki,Kp,Kd可以讓被控系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。比例模塊：通過(guò)偏差量成比例的來(lái)控制被控對(duì)象以此來(lái)減少誤差。比例這個(gè)參數(shù)可以增加系統(tǒng)響應(yīng)速度，比例參數(shù)越大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，比例參數(shù)越小也不好，它會(huì)減少系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變壞。比例控制因?yàn)槭抢孟到y(tǒng)的誤差來(lái)進(jìn)行控制的，所以它無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差控制。積分模塊：它的作用主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差控制，積分參數(shù)決定著積分環(huán)節(jié)的強(qiáng)弱，但是積分強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)：它的作用就是當(dāng)誤差量即將發(fā)生較大變化趨勢(shì)時(shí)提前發(fā)出校正信號(hào)從而達(dá)到快速調(diào)節(jié)的作用，但是要注意的是微分強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。（2）PID控制算法的局限性及其發(fā)展方向PID控制算法雖然其可靠性比較好，魯棒性強(qiáng)，調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，PID控制技術(shù)在某些場(chǎng)合已經(jīng)無(wú)法勝任這些復(fù)雜場(chǎng)合的控制任務(wù)了，而且PID參數(shù)的確定經(jīng)常是用豐富的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和大量的調(diào)試來(lái)得到，所以無(wú)法得到最優(yōu)秀的參數(shù)值。鑒于此就需要對(duì)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)的參數(shù)是個(gè)時(shí)變參數(shù)，并且電機(jī)本身具有非線性等特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)的PID控制算法很難做到精確控制，所以本次論文運(yùn)用模糊控制對(duì)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。3.2傳統(tǒng)PID控制算法仿真框圖無(wú)刷直流電機(jī)仿真系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，利用經(jīng)典PI控制算法。無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖如圖3.3所示，無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)總體仿真框圖如圖3.4所示。圖3.3模型控制系統(tǒng)總體框圖圖3.4無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)PI控制仿真模型采用的是PWM調(diào)節(jié)定子兩端端電壓進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法采用的是利用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)。由第2章分析可得PWM控制方式采用的是HPWM-LON控制方式，如圖3.5所示。圖3.5采用PWM方式調(diào)速時(shí)功率開(kāi)關(guān)管調(diào)制方式由第二章分析可得開(kāi)關(guān)管狀態(tài)和霍爾信號(hào)關(guān)系如表3.1所示表3.1開(kāi)關(guān)管狀態(tài)和霍爾信號(hào)關(guān)系3.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.3.1轉(zhuǎn)速PI控制模塊轉(zhuǎn)速PI控制器是將轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到期望的電流值i*,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊示意圖如下圖3.6所示，其控制算法如下：（3.3）Ki、Kp為PI控制算法的積分常數(shù)、比例常數(shù),i*為期望得到的電流值圖3.6轉(zhuǎn)速PI控制器轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)為0.25，比例常數(shù)為0.0045，輸出期望電流值限幅為正負(fù)6。3.3.2電流調(diào)節(jié)PI控制模塊電流調(diào)節(jié)器是根據(jù)期望得到的電流和反饋電流的差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到希望得到的PWM波的占空比，電流調(diào)節(jié)器的示意圖如圖3.7所示，其控制算法如下：（3.4）Ki、Kp為PI控制算法的積分常數(shù)，比例常數(shù)，Te*為期望得到的PWM波的占空比。圖3.7電流PI調(diào)節(jié)器電流PI調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)為0.01，比例常數(shù)為1，輸出期望值限幅為正負(fù)500。3.3.3轉(zhuǎn)速指令值模塊圖3.8轉(zhuǎn)速指令模塊由圖可知設(shè)置的無(wú)刷電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)3.3.4電壓源模塊圖3.9電壓源模塊由圖可知電壓源選擇的是直流電壓，其幅值大小為500V3.3.5三相逆變器模塊圖3.10三相逆變器模塊因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)定子繞組采用的是三相星型連接方式，所以驅(qū)動(dòng)電路我選擇的是三相全橋驅(qū)動(dòng)回路，其功率開(kāi)關(guān)器件我選擇的是MOS管。3.3.6霍爾解碼模塊圖3.11霍爾解碼模塊霍爾解碼模塊是配合著后面整流模塊一起起到的作用就是按照邏輯關(guān)系將三相電流整成一條流過(guò)定子繞組的實(shí)際電流在反饋給電流環(huán)與期望電流作比較。3.3.7PWM模塊圖3.12PWM模塊該模塊的功能就是將三角波與電流調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行邏輯處理得到PWM波，由上述參數(shù)可以看出，三角波的頻率為1000Hz。3.3.8電機(jī)模塊圖3.13電機(jī)模塊無(wú)刷電機(jī)采用的是SimPowerSystems庫(kù)自帶的模塊，其定子電阻為2.875Ω，每相電感為8.5mH,電機(jī)極對(duì)數(shù)為4，反電動(dòng)勢(shì)波形設(shè)置為梯形波。3.3.9驅(qū)動(dòng)模塊圖3.14驅(qū)動(dòng)模塊該模塊的功能就是根據(jù)根據(jù)霍爾輸出信號(hào)采用HPWM-LON調(diào)制方式來(lái)改變定子繞組端電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。3.3.10信號(hào)測(cè)量模塊圖3.15信號(hào)測(cè)量模塊該模塊是將電機(jī)輸出值進(jìn)行分束處理以便得到想要查看的信號(hào)波形，我選擇查看的信號(hào)波形是三相定子的反電動(dòng)勢(shì)波形，定子電流波形，還有轉(zhuǎn)速，因?yàn)榈玫降霓D(zhuǎn)速是用弧度表示的，所以要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚聿拍艿玫綄?shí)際的轉(zhuǎn)速。3.3.11負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊圖3.16負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊為了測(cè)試各個(gè)控制算法的魯棒性，需要模擬負(fù)載擾動(dòng)，由圖3.16可以知道負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2S由1N·m變?yōu)?N·m。3.3.12ac/dc整流模塊圖3.17三相整流模塊為了得到流過(guò)三相定子繞組的實(shí)際電流值進(jìn)行反饋，所以設(shè)計(jì)了該模塊將三相定子電流經(jīng)過(guò)邏輯關(guān)系處理得到實(shí)際電流值進(jìn)行反饋。3.3.13POWERGUI模塊這個(gè)是simulink仿真必備的一個(gè)工具，做電力電子仿真一般都需要，可用于設(shè)置仿真離散時(shí)間，或者是做其他分析用。圖3.18POWERGUI模塊3.4仿真結(jié)果仿真實(shí)驗(yàn)中取電源為500V的直流電源，系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為0.5s，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1N?M，給定轉(zhuǎn)速n=1500(rpm)。0.25s時(shí)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩4N?M，得到的三相電流，反電動(dòng)勢(shì)波形以及轉(zhuǎn)速波形如下圖所示。3.4.1三相電流波形圖3.19三相定子電流波形無(wú)刷電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的沖擊電流，然后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用慢慢恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.25s后隨著轉(zhuǎn)矩突然增加，定子電流也隨之增大。3.4.2反電動(dòng)勢(shì)波形圖3.20定子三相反電動(dòng)勢(shì)由第二章分析可以得到定子三相反電動(dòng)勢(shì)是相位相差120度電角度的梯形波。3.4.3轉(zhuǎn)矩波形圖3.21電磁轉(zhuǎn)矩波形電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩沖擊，后隨著PI調(diào)節(jié)的作用轉(zhuǎn)矩慢慢恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，0.25s后隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，輸出轉(zhuǎn)矩也慢慢增加。3.4.4轉(zhuǎn)速波形圖3.22電機(jī)轉(zhuǎn)速波形由圖4可知在設(shè)定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)的啟動(dòng)曲線中，轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)一個(gè)比較大的超調(diào)量后回復(fù)到1500轉(zhuǎn)，并且在0.25秒后施加轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)經(jīng)過(guò)小的失速后經(jīng)PI調(diào)節(jié)控制恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速。第四章直流無(wú)刷電機(jī)模糊PID控制算法與仿真4.1模糊控制基礎(chǔ)與理論方法4.1.1模糊控制的發(fā)展模糊控制經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)教授Zadeh在1965年首次提出模糊算法這些專(zhuān)業(yè)名詞。英國(guó)Mamdani教授在1987年的時(shí)候在蒸汽機(jī)控制系統(tǒng)使用到模糊控制算法。自此1987年模糊控制算法在大型工程項(xiàng)目得到了廣泛的應(yīng)用后，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家開(kāi)始加大對(duì)模糊控制算法的研究，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展變化后模糊控制算法在現(xiàn)代生活的方方面面都得到了廣泛的應(yīng)用。4.1.2模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)雖然模糊控制發(fā)展的還可以，但是其還是存在一些優(yōu)缺點(diǎn)：模糊控制不需要知道被控對(duì)象具有非常精確的數(shù)學(xué)模型，只需要根據(jù)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置模糊控制規(guī)則來(lái)對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，所以它經(jīng)常被用于控制一些無(wú)法獲取精確數(shù)學(xué)模型的具有復(fù)雜時(shí)變參數(shù)的非線性被控對(duì)象，而且模糊控制控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便人理解。但是模糊控制算法由于發(fā)展時(shí)間還比較短，還不是特別成熟，其控制方法還缺少成熟的理論支持，而且其模糊語(yǔ)言的量化規(guī)則主要還是靠試湊法進(jìn)行，缺乏成熟的理論指導(dǎo)。4.1.3模糊控制原理圖模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示圖4.1模糊控制結(jié)構(gòu)框圖上面為模糊控制器的原理圖，實(shí)際上模糊控制器的輸出并非真正的控制信號(hào)，而是作為PID的參數(shù)，所以完整的模糊PID控制器框圖應(yīng)該需要包含PID控制的部分，如圖4.2所示圖4.2完整模糊控制結(jié)構(gòu)框圖其中模糊推理部分即上面的模糊控制器，PID調(diào)節(jié)器才是真正起作用的控制器，而模糊控制器起到的是在線調(diào)整PID控制器參數(shù)的作用。模糊控制器需要具有模糊化，模糊推理，解模糊這三個(gè)功能，首先是模糊化，它將偏差變化ec和偏差e轉(zhuǎn)化到設(shè)置的論域當(dāng)中。其次是模糊推理，它是將輸入值送到設(shè)置好的控制規(guī)則庫(kù)，利用相應(yīng)的推理法得到一些列模糊值。最后就是解模糊這一步了，它是將得到的一系列模糊值按照相應(yīng)的辦法處理得到最后的精確值。上述三個(gè)功能最核心的是模糊推理這一步，而模糊推理需要模糊規(guī)則庫(kù)的支持。而模糊規(guī)則是由一系列單獨(dú)的條件語(yǔ)句所構(gòu)成，將這一系列模糊條件語(yǔ)句結(jié)合在一起就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫(kù)。如果有n條規(guī)則，就把這n個(gè)模糊蘊(yùn)含關(guān)系做并運(yùn)算進(jìn)而構(gòu)成模糊控制總的蘊(yùn)含關(guān)系：（4.1）4.2模糊PI控制器的隸屬度函數(shù)考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜程度，運(yùn)算能力及控制性能要求，轉(zhuǎn)速偏差、偏差變化率及PI控制器參數(shù)兩個(gè)增量的模糊子集隸屬函數(shù)均選取便于計(jì)算的、占用內(nèi)存小的三角形函數(shù)。模糊控制器e的基本論域?yàn)閇-1500,1500]，模糊論域選為[-3,3],所以其比例因子為0.002，其模糊語(yǔ)言變量取值為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)如圖4.3所示。模糊控制器ec的基本論域?yàn)閇-30000,30000]，模糊論域選為[-3,3],所以其比例因子為0.0001，其模糊語(yǔ)言變量取值為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)如圖4.4所示。同理基本論域?yàn)閇-0.003,0.003],[-0.3,0.3]，兩者的模糊論域選為[-3,3],所以其比例因子分別為0.001和0.1,其模糊語(yǔ)言變量取值為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，的隸屬度函數(shù)分別如圖4.5，4.6所示。圖4.3e的隸屬函數(shù)圖4.4ec的隸屬函數(shù)圖4.5Kp的隸屬函數(shù)圖4.6Ki的隸屬函數(shù)4.3模糊控制器控制規(guī)則模糊控制算法的主要內(nèi)容是制定模糊控制器，其制定的好壞關(guān)系著模糊控制算法控制性能的好壞。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試無(wú)刷直流電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)加上對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的研究，總結(jié)出Kp,Ki的控制規(guī)則表如下表4-1,表4-2所示：表4-1Kp的模糊規(guī)則表表4-2Ki的模糊規(guī)則表4.4解模糊本文將采用最常見(jiàn)的Mamdani型推理法,將設(shè)置的49條規(guī)則放到該推理發(fā)法可以得到一些列模糊控制量，但這些模糊控制量無(wú)法直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，還需要最后一步就是對(duì)模糊量進(jìn)行解模糊的處理后方能對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。接模糊的方法主要有四種：重心法，最大隸屬度法，中位數(shù)法，還有系數(shù)加權(quán)平均法。本次設(shè)計(jì)我選擇的是重心法，因?yàn)橹匦姆ㄏ鄬?duì)于另外三種方法來(lái)說(shuō)其控制精度要高一些，其表達(dá)形式如下：(4.2)經(jīng)過(guò)重心法解模糊得到PI控制器倆個(gè)修訂量Kp,Ki。模糊PI控制器參數(shù)的修正公式為：KpKp0Kp(4.3)KiKi0Ki(4.4)在公式當(dāng)中，Kp0,Ki0是PI控制器的初始值,這兩個(gè)參數(shù)可以通過(guò)傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行調(diào)制來(lái)得到。4.5控制算法仿真根據(jù)第三章建立的雙閉環(huán)無(wú)刷電機(jī)仿真模型，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器改為模糊PI控制，以此來(lái)構(gòu)建模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型。首先是在Matlab當(dāng)中找到模糊控制fuzzy模塊，然后在fuzzy模塊中設(shè)置好誤差，誤差變化率還有比例，積分增量的隸屬度函數(shù)，還有解模糊的方法，這里我采用的是重心法來(lái)解模糊，模糊控制器如圖4.7所示。圖4.7模糊控制器其次就是在模糊推理庫(kù)當(dāng)中建立模糊控制規(guī)則，這里采用的是mamdani推理法，也稱(chēng)作削頂推理法，模糊規(guī)則的設(shè)置如圖4.8所示圖4.8模糊規(guī)則最后就是構(gòu)建模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型，如圖4.9所示圖4.9模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型當(dāng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊如圖4.10所示圖4.10轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊該模塊的功能就是將模糊推理并且經(jīng)過(guò)解模糊得到的比例，積分常數(shù)的增量值,然后再與初始的比例，積分常數(shù)值相加得到真正的比例，積分常數(shù)值，然后利用得到的PI參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速誤差從而得到期望的電流值。4.6模糊變論域自適應(yīng)控制算法4.6.1變論域模糊自適應(yīng)控制的發(fā)展模糊自適應(yīng)控制要想提高控制系統(tǒng)的控制性能就需要增加控制規(guī)則的數(shù)量，這樣做的化雖然能提高控制系統(tǒng)的控制性能，但是也相應(yīng)的增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度，如果減少了模糊控制規(guī)則的數(shù)量雖然可以減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是相應(yīng)的是系統(tǒng)的控制性能不會(huì)特別好。為了解決模糊控制性能與模糊控制規(guī)則數(shù)量之間的矛盾，在20世紀(jì)90年代李洪新教授提出了變論域模糊自適應(yīng)控制的思想，并且將該理論運(yùn)用到倒立擺的控制系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)倒立擺控制實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)踐證明了變論域模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理的正確性。由于變論域模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)控制規(guī)則，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)的能力，所以該理論在一些現(xiàn)代化對(duì)控制性能要求比較高的鄰域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。變論域模糊自適應(yīng)控制基本思想就是將輸入輸出的論域范圍隨著輸入輸出值的變化自動(dòng)的經(jīng)過(guò)拉伸與縮小的變換以達(dá)到減少或增加模糊控制規(guī)則的目的。這樣既可以提高控制系統(tǒng)的控制性能，又可以減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，其論域變化的原理圖如圖4.11所示。圖4.11變論域模糊控制論域變化原理圖4.6.2變論域模糊自適應(yīng)控制伸縮因子的確定因?yàn)樽冋撚蚰：赃m應(yīng)控制的伸縮因子的大小對(duì)控制系統(tǒng)的影響很大，所以設(shè)計(jì)伸縮因子時(shí)也要遵循著一些方法與原理，不能隨意去設(shè)置伸縮因子的大小，對(duì)于我這個(gè)二維控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，伸縮因子的大小與轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率有關(guān)，而對(duì)于普通的一維控制器來(lái)說(shuō)伸縮因子的大小與其輸入量的偏差有關(guān)。要想選擇合適的伸縮因子，就需要滿足正規(guī)性，單調(diào)性，對(duì)偶性，協(xié)調(diào)性這幾個(gè)條件，從這幾個(gè)條件與變論域模糊自適應(yīng)控制的原理可以得到當(dāng)輸入存在一個(gè)增量時(shí)，伸縮因子也存在一個(gè)增量，且輸入增量與伸縮因子的增量成正比，但是要保證伸縮因子的值小于1，則關(guān)于伸縮因子增量的方程式為：（4.5）等式當(dāng)中的k為常數(shù)項(xiàng)。當(dāng)輸入偏差趨于零時(shí)等式可以化簡(jiǎn)為：（4.6）等式當(dāng)中的a與k都是常數(shù)項(xiàng)。同理可以得到向量與輸出量因子變化率成正比，因?yàn)闉橄蛄恐担瑸榱吮阌谡业絻烧叩年P(guān)系，所以需要將向量轉(zhuǎn)化為標(biāo)量進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化后的到兩者的關(guān)系為：（4.7）等式當(dāng)中k為常數(shù)相，u為向量。將進(jìn)一步化簡(jiǎn)可以得到：（4.8）4.6.3變論域模糊自適應(yīng)控制原理圖變論域的思想就是在原有的模糊自適應(yīng)控制原理的基礎(chǔ)上增加了隨輸入與輸出的變化可以適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)更改模糊控制規(guī)則，以達(dá)到在控制系統(tǒng)不復(fù)雜的情況下也能實(shí)現(xiàn)好的控制效果，其控制原理框圖如圖4.12所示。圖4.12變論域模糊自適應(yīng)原理框圖根據(jù)變論域模糊自適應(yīng)原理框圖構(gòu)建變論域模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型，如圖4.13所示。圖4.13變論域模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型變論域模糊自適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)仿真模型當(dāng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊如圖4.14所示。圖4.14轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊變論域模糊自適應(yīng)模塊主要由PI調(diào)節(jié)模塊，比例積分修改模塊和變論域調(diào)整模塊這三部分組成，其中前兩部分與模糊自適應(yīng)控制模塊相同，區(qū)別主要是在變論域調(diào)整模塊這一部分，根據(jù)前面的描述以及大量的仿真實(shí)驗(yàn)可以得出輸入的伸縮因子為：（4.9）