無刷直流電機的優(yōu)化控制方案分析

張悅琳

摘 要：無刷直流電機的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的電刷和換向器結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，但傳統(tǒng)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(yīng)用。本文首先介紹了無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后分析了傳統(tǒng)PID算法的理論基礎(chǔ)，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(yōu)化。希望本文的研究可以為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機;PID算法;模糊控制

傳統(tǒng)的有刷電機需要設(shè)計電刷和換向器，因此存在機械摩擦和換相火花等問題，導(dǎo)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(yīng)運而生。無刷直流電機不再采用電刷和換向器結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的復(fù)雜化為代價的。由于無刷直流電機在結(jié)構(gòu)上較復(fù)雜，非線性和時變特性也更加顯著，因此傳統(tǒng)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(yīng)無刷直流電機日益廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)子、電子換向器等結(jié)構(gòu)組成，其中電樞繞組組裝在定子上，永磁體磁極組裝在轉(zhuǎn)子上，電子換的應(yīng)用使傳統(tǒng)電機的電刷和換向器不復(fù)存在[2]。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，電機繞組的相數(shù)可以不盡相同，轉(zhuǎn)子對數(shù)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(jié)構(gòu)形式，因此又有橋式換向器和非橋式換向器的區(qū)分[3]，其中非橋式換向器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但由于效率不高，實際很少應(yīng)用，故格式換向器是主流。

電流經(jīng)過某相定子時會產(chǎn)生逆變交流信號，交流信號在氣隙的作用下感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)磁場推動轉(zhuǎn)子運動。傳感器實時測量轉(zhuǎn)子位置并將功率開關(guān)管有序?qū)?，?qū)動電機持續(xù)運轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和換相關(guān)系的不同，功率開關(guān)管的導(dǎo)通或截止相序也不同，從而控制電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

2.PID控制系統(tǒng)研究

2.1 PID控制概述

當(dāng)前的電機控制系統(tǒng)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(tài)地修正系統(tǒng)誤差的一種控制體系[4]。如果被控對象的數(shù)學(xué)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(diào)試方便、可靠穩(wěn)定、動態(tài)性能好等許多優(yōu)點，因而成為運動控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為普遍的方案。

然而，隨著電機系統(tǒng)的發(fā)展，無刷直流電機開始在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。無刷直流電機比傳統(tǒng)的交流電機更加復(fù)雜，非線性和時變性也更加明顯，性能要求也不斷提高，傳統(tǒng)的PID算法很難達到理想的控制精度和速度。為此，又發(fā)展出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(tǒng)PID的不足。也正是這些智能算法的不斷發(fā)展，進一步推動了無刷直流電機的應(yīng)用。

2.2 PID控制原理

PID控制器本質(zhì)上是由三種控制策略組合而成的一種綜合控制系統(tǒng)，它由比例、積分和微分三個校正環(huán)節(jié)通過線性組合的方式，共同對系統(tǒng)誤差進行測量和修正，從而保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。PID控制體系由控制器和控制對象兩部分構(gòu)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(guān)鍵參數(shù)測量出來，然后實時計算其與預(yù)設(shè)值的偏差，再通過綜合應(yīng)用比例、積分和微分的方法對參數(shù)進行校正，比例、積分和微分環(huán)節(jié)各生成一個系數(shù)，校正后的參數(shù)用于控制被控對象，使其保持運行的穩(wěn)定。

在校正過程中，不同的控制系數(shù)會對系統(tǒng)的精度和性能產(chǎn)生不同程度的影響。比例系統(tǒng)超出調(diào)節(jié)范圍會嚴重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生振蕩而失去調(diào)節(jié)的作用。積分系數(shù)過大也會產(chǎn)生類似的問題，合理選擇積分系數(shù)能有效增強系統(tǒng)的抗干擾性，同時降低系統(tǒng)靜差。微分系數(shù)可以提高控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度，改善動態(tài)性能，過大的微分系統(tǒng)會造成系統(tǒng)過于靈敏，在未完成調(diào)節(jié)任務(wù)之前就停止了控制過程，因此有時候需要引入修正系數(shù)使微分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)更加合理。

3.無刷直流電機的優(yōu)化控制

對于傳統(tǒng)的交流電機而言，PID控制確實是一種優(yōu)秀的控制算法，這也是其得到廣泛應(yīng)用的原因。但是，對于無刷直流電機而言，其數(shù)學(xué)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(yīng)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(jīng)不能滿足傳統(tǒng)PID控制體系的前提，必須對其進行改進才能適應(yīng)新的控制需求。本文結(jié)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(yōu)化控制。

3.1模糊PID控制概述

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

3.2模糊PID控制過程

模糊PID控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于模糊控制器的實現(xiàn)，該控制器需要借助模糊數(shù)學(xué)的一些基礎(chǔ)理論，包括模糊集、模糊語言和模糊規(guī)則，這些數(shù)學(xué)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(xiàn)需要經(jīng)過模糊化、模糊推理和解模糊等三個關(guān)鍵步驟。

3.2.1模糊化

模糊化是模糊控制的出發(fā)點。由于無刷直流電機系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)為誤差或誤差導(dǎo)數(shù)，顯然是一個確定的數(shù)值，但模糊控制器要求以模糊參數(shù)為輸入，因此必須先將誤差參數(shù)進行模糊化才能被模糊系統(tǒng)處理。這里所說的模糊其實是采用數(shù)學(xué)變換的方法將參數(shù)變換到論域內(nèi)，并通過模糊子集的形式進行描述。模糊集和模糊規(guī)則的數(shù)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(tǒng)特征，無法實現(xiàn)精確控制;如果過多，又會給計算帶來巨大的壓力。因此應(yīng)綜合考慮，根據(jù)無刷直流電機的特點，恰當(dāng)選取合適的模糊集合數(shù)量，其數(shù)量通常在3-10的范圍內(nèi)。

3.2.2模糊推理

模糊推理是實現(xiàn)系統(tǒng)控制在關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所謂的推理就是按照預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則將模糊集進行延伸，建立各變量之間的對應(yīng)關(guān)系。目前較經(jīng)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(yīng)用。對于非線性系統(tǒng)，T-S推演則具有一定的優(yōu)勢，它通常原因-結(jié)論的思想來建立輸入輸出變量之間的非線性映射關(guān)系。

3.2.3解模糊

模糊推理的結(jié)果是給出了一系列模糊集合，這些模糊集合是根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則推算而得的，因而可以反映系統(tǒng)的變化。為了對被控系統(tǒng)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(jīng)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(jié)果。

4.結(jié)語

隨著自動控制技術(shù)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，新的控制算法不斷涌現(xiàn)，無刷直流電機的控制逐步走向智能化，人工智能技術(shù)開始得到應(yīng)用。不難預(yù)見，在新型控制算法的支撐下，無刷直流電機的應(yīng)用將更加廣泛。

參考文獻：

[1]孫元，李鵬.無刷直流電機閉環(huán)控制設(shè)計[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)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(tǒng)的研究[J].電氣開關(guān).2018，56（5）：36-39，44.

[3]何劍文.無刷直流電機的原理與應(yīng)用[J].西部論叢.2018，（8）.