基于模糊自適應(yīng)PI的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究

王正家 何博 李濤 李明 何濤

關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī); 調(diào)速系統(tǒng); 初始比例值優(yōu)化; 模糊自適應(yīng)PI控制算法; 仿真; 動態(tài)性能

中圖分類號： TN876?34; TM33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0139?04

Abstract： Since the traditional PI control algorithm based speed control system of brushless DC motor （BLDCM） has low control precision and poor anti?jamming performance， a fuzzy adaptive PI control algorithm based on initial proportionality value optimization is presented， and an initial proportionality value optimization method is proposed. The mathematical model of dual closed?loop （current and speed） speed control system of BLDCM is built. The fuzzy self?adaptive PI control is carried out for speed loop. The system is designed and simulated with Matlab/Simulink. The simulation results of traditional PI algorithm， common fuzzy adaptive PI algorithm and optimized fuzzy adaptive PI algorithm are compared. The results show that the optimized fuzzy adaptive PI control algorithm has better dynamic performance and control effect for BLDCM speed control system.

Keywords： brushless DC motor; speed control system; initial proportionality value optimization; fuzzy adaptive PI control algorithm; simulation; dynamic performance

0 ?引 ?言

無刷直流電機(jī)（BLDCM）采用逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的電子換向器，替代機(jī)械換向器和電刷，既具有優(yōu)良的調(diào)速性能，又克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)機(jī)械換向帶來的諸多問題。但是BLDCM調(diào)速系統(tǒng)是一種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，具有非線性、多變量和強(qiáng)耦合等電氣特征，采用傳統(tǒng)PI控制算法難以滿足調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能要求[1]。

傳統(tǒng)PI控制算法的調(diào)節(jié)過程性能取決于PI參數(shù)的整定情況，系統(tǒng)在各個運(yùn)行狀態(tài)下始終保持參數(shù)不變將導(dǎo)致運(yùn)行效果不佳。為了使BLDCM調(diào)速系統(tǒng)具有更好的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性和自適應(yīng)性，國內(nèi)外學(xué)者將一些智能控制算法運(yùn)用到BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的控制中，諸如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等。其中，模糊控制是最為常見的方法之一，具有自適應(yīng)性強(qiáng)、實時性高、易于理解和實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

本文在分析BLDCM特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)PI控制算法和模糊控制算法各自的優(yōu)勢，并優(yōu)化初始比例值，提出新的模糊自適應(yīng)PI控制算法，對BLDCM進(jìn)行雙閉環(huán)仿真系統(tǒng)研究，并對比分析了傳統(tǒng)PI、普通模糊自適應(yīng)PI和優(yōu)化后模糊自適應(yīng)PI三種控制算法的仿真結(jié)果。

1 ?BLDCM的數(shù)學(xué)模型

本文針對BLDCM為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的情形，對其數(shù)學(xué)模型和電磁轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析。假設(shè)電機(jī)定子空間上均勻排布，完全對稱;電樞繞組連續(xù)且均勻分布在定子內(nèi)表面;轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場近似為方波;磁路不飽和，且不考慮相關(guān)損耗;換相、齒槽及電樞反應(yīng)等影響均不予考慮。因為BLDCM三相繞組采用星形連接，有[ia+ib+ic=0]，則三相繞組的電壓平衡方程式[3]為：

由圖5可以看出，在參考轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，使用優(yōu)化后模糊自適應(yīng)PI控制的情況下，當(dāng)空載啟動時，速度曲線響應(yīng)最快，調(diào)節(jié)時間最短，超調(diào)量幾乎沒有;在負(fù)載突變時，轉(zhuǎn)速波動大小相對于傳統(tǒng)PI控制和普通模糊自適應(yīng)PI控制明顯減小。證明優(yōu)化后模糊自適應(yīng)PI控制能夠使調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能，抗干擾能力更強(qiáng)。

由圖6可以看出，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速變化時，傳統(tǒng)PI和普通模糊自適應(yīng)PI控制下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)超調(diào)量都約為8.3%，而優(yōu)化后模糊自適應(yīng)PI控制下的超調(diào)量下降至2.7%，且調(diào)節(jié)時間也由前兩者的0.13 s和0.11 s減小至0.08 s，使調(diào)速系統(tǒng)具有更快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和較小的超調(diào)量。

由此可見，當(dāng)BLDCM調(diào)速系統(tǒng)受到外部負(fù)載擾動或突然改變設(shè)定轉(zhuǎn)速時，本文所設(shè)計的基于初始比例值優(yōu)化的模糊自適應(yīng)PI控制器能夠使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更快的響應(yīng)速度和更好的自適應(yīng)性。

5 ?結(jié) ?論

仿真與對比實驗分析表明，轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形與理論分析相符，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。較傳統(tǒng)PI和普通模糊自適應(yīng)PI兩種控制算法而言，本文提出的新的模糊自適應(yīng)PI控制算法優(yōu)化了初始比例值[KP0，]通過在線自調(diào)整其控制參數(shù)應(yīng)用到BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性、抗干擾能力以及自適應(yīng)性。同時，該模糊自適應(yīng)PI控制算法實現(xiàn)簡單，不僅為今后分析無刷直流電機(jī)和對其控制策略的研究提供了新的方法，且在一定程度上縮短了開發(fā)周期，具有良好的應(yīng)用價值。

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