无刷直流电机模糊PID概要.docx
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无刷直流电机模糊PID概要
摘要
无刷直流电机由于其结构简单，可靠性高等特点，广泛用于工业生产中。
在过去的控制方法中，多采用传统的单闭环PID控制，然而由于建立无刷直流电机的数学模型比较复杂，固定参数的PID在控制性能上难以达到令人满意的效果。
所以采用双闭环模糊PID控制方法提高电机的控制性能，成为当前工程技术人员和学者研究的热点。
首先，分析研究了无刷直流电机转速检测方法，通过比较具体分析确立反电动势检测法进行转子位置的检测，并对反电势法检测法的原理进行了分析。
其次，重点分析了直流调速的控制方法，常规PID控制方法在控制非线性对象时，往往鲁棒性较差，难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。
所以本文采用模糊PID控制方法，该方法能够在线调节PID参数，满足直流调速系统快速性、实时性的要求。
最后，通过观察MATLAB仿真结果，并进行不同控制方式下电机转速波形之间的对比，证明模糊PID的优越性。
关键词:
无刷直流电机；反电势法测速；模糊PID；仿真
ABSTRACT
BrushlessDCmotorduetoitssimplestructure,largeoutput,highreliability,iswidelyusedinindustrialproduction.Controlmethod,theuseoftraditionalDoubleclosedloopPIDcontrol,butbecauseofthebrushlessDCmotoritselfisastronglycouplednon-linearmodel,thefixedparameterPIDcontrolperformanceisdifficulttoachievesatisfactoryresults.Therefore,othercontrolmethodstoimprovecontrolperformancebecomehotspotsoftheengineeringandacademics.
Firstofall, introducedthe detectionmethodofnon brushDC motor speed,detectionoftherotorpositionestablishedbycomparativeanalysisofback-EMFdetectionmethod,andtheprincipleof backEMF detection method isanalyzed.Secondly,thispaperfocusesonthecontrolmethodofDCspeedregulationsystem,conventionalPIDcontrolmethodtocontrolnonlinearobject,oftenpoorrobustness,difficulttomeetthehighprecision,quickresponsetotherequirementsofcontrol,oftencannoteffectivelyovercometheparametersofloadmodelchangeinalargerange,andthenonlinearinfluencefactors.SothispaperfocusesontheresearchoffuzzyPIDcontrolmethod,intelligentfuzzyPIDcanadjustPIDparametersonline,canmeetthefast,real-timeDCspeedregulatingsystemrequirements.Finally,byobservingtheMATLABsimulationresults,andcomparethemotorspeedwaveformbetweendifferentcontrolmodes,toprovethesuperiorityoffuzzyPID.
Keywords:
BrushlessDCmotor；Back-EMFmethod；fuzzy-PID；Simulink
目录
第1章概述1
1.1无刷直流电机的发展历程1
1.2无刷直流电机应用范围1
1.3无刷直流电机系统研究的意义2
第2章无刷直流电机的原理及转子位置间接检测4
2.1无刷直流电机组成及工作原理4
2.2无刷直流电机转子位置间接检测7
2.3无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法的比较9
2.4转子位置间接检测方法的确定与分析14
第3章无刷直流电机调速系统18
3.1无刷直流电机调速系统比较18
3.2控制方法的比较19
3.3模糊控制理论21
3.4模糊PID控制器的设计23
第4章无刷直流电机调速控制系统软件仿真结果26
4.1仿真模型的建立26
4.2仿真结果分析30
结论33
参考文献34
致谢35
第1章概述
1.1无刷直流电机的发展历程
无刷直流电机（BrushlessDirectCurrentMotor简称BLDCM）是随着微电子技术与电动机技术的迅速发展而出现的一种新型电机。
它以电子换向替代机械电刷换向,在经济社会发展的各个领域中得以广泛应用。
长期以来,直流电机以其优良的转矩控制特性,在相当一段时间内一直在运动控制领域中占据主导地位,但传统的直流电机均采用机械电刷进行换向,存在一定的机械磨擦,因而具有火花、噪声、无线电干扰和寿命短等致命弱点,再因为制造成本高与维修困难等缺点,使其应用范围受到很大的限制。
为了取代有刷直流电机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。
1917年,Boliger提出用整流管代替机械电刷的无刷直流电机的基本思想,从此,开始了无刷直流电机的研制时代,但由于没有理想的电子换向元器件,致使研制工作只能处于实验阶段。
直到1955年,D.Harrison等人申请了用晶体管换向线路代替机械电刷的专利,才标志着现代无刷直流电机的诞生。
因此,无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的,而它的发展在很大程度上也取决于电力电子技术的进步。
从二十世纪六十年代初期开始,出现的开关式位置传感器、高频祸合式位置传感器、电磁谐振式位置传感器!
磁电祸合式位置传感器、光电式位置传感器以及磁敏二极管、霍尔元件等器件,使无刷直流电机的概念发展为泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机川。
自上世纪七十年代以来,高性能、低成本的永磁材料以及全控型大功率器件的出现,对无刷直流电机的发展产生了极大的推动作用,提高了无刷直流电机的输出力矩及功率,增强了实用性。
1978年,前联邦德国推出的MAC无刷直流电机与驱动器,标志着无刷直流电机进入了实用阶段"之后,国际上对无刷直流电机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。
总之,30多年以来,在永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术发展的支持下,无刷直流电机得到了长足的发展,在工农业等各领域有着广泛的应用前景。
1.2无刷直流电机应用范围
无刷直流电动机在先进国家已大量应用于办公设备、家电业、信息业、军事、手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等生产生活的各个领域[1]：
（1）无刷直流电机在办公自动化领域的应用
计算机外设和办公自动化设备用的电机,绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密永磁无刷电动机,是技术密集化和高投资类产品。
（2）无刷直流电机在家用电器中的应用
随着人们生活水平的提高,许多家用空调压缩机和洗衣机内的电机都选用了无刷直流电机。
吸尘器、搅拌机和家用电风扇也有望采用无刷直流电机代替目前使用的电机,这样不仅能克服目前所用电机的缺点,还能降低能源损耗。
（3）无刷直流电机在工业上的应用
由于永磁无刷电动机驱动控制系统集有刷直流电动机和交流异步电动机驱动控制系统的优点于一体,并随着稀土永磁材料和电力电子元器件价格不断降低,性能不断提高,目前工业中使用永磁无刷电机驱动控制系统越来越多,该系统将是主要的发展方向。
（4）无刷直流电机在军事上的应用
无刷直流电机以其在效率、重量和体积、噪音和振动、电磁兼容性（EMC）、可靠性、故障排除以及造价等各方面的优势,已大量应用于作战舰艇的电力推进系统。
1.3无刷直流电机系统研究的意义
1.3.1无刷直流电机的起源
交流电机的历史超过百年。
但是，无刷直流电机历史只有几十年。
1955年美国D.Harrison等人首次申请了用晶闸管换向电路代替机械电刷的专利，这是无刷直流电机的雏形。
在1962年，T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换向直流电机”（DCMachinewithSolidStateCommutation）专利，这标志着现代无刷直流电机的真正诞生。
从20世纪60年代初开始，无刷直流电机进入到应用阶段。
因其较高的可靠性，无刷直流电机最先在宇航技术中得到应用。
1964年，它被美国国家航空航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太阳能电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等。
在1978年当时联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部的MAC经典无刷直流电机及其驱动器在汉诺威贸易展览会正式推出，这是电子换向的无刷直流电动机真正进入实用阶段的标志。
国际上对无刷直流电机进行了深入的研究，从研制方波无刷直流电机基础上发展到正弦波无刷直流电机——新一代的永磁同步电机（PMSM）。
随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷直流电机得到了长足的发展。
50年来，它逐步推广到其他军事装备、工业、民用控制系统以及家庭电器领域中，现在已成为最具发展前途的电机产品。
1.3.2无刷直流电机的优势
在中、小功率高性能调速系统和伺服系统中，无刷直流电机的应用日益广泛。
而它之所以得到如此迅猛的发展，根本原因在于其自身不可替代的技术优势。
（1）噪声小
无刷直流电机无换向所需的电刷、滑环等装置，这实际上等于消除了除轴承、联轴和负载之外的其他所有机械噪音。
（2）结构简单紧凑容易小型化
无刷直流电机转子一般是由永磁磁钢制成，没有绕组。
定子侧的电枢绕组形式与普通交流电机的绕组完全一样。
高能量密度永磁材料的出现，可能提高电机的功率密度，显著减小电动机的体积和重量。
（3）寿命长
普通直流电机依靠电刷和换向器完成换向，在换向过程中会产生火花，电刷和换向器的滑动接触会产生机械损耗，这些降低了电机效率，缩短了电机寿命。
而无刷直流电机依靠电子换向，不需要电刷、滑环等换向结构，减少了机械损耗，使得电机寿命得以延长。
（4）效率高
无刷直流电机是目前效率最高的电机。
这主要归功于永磁体的出现。
转子永磁体无需外加电流励磁就能提供近似恒定连续的磁场：
永磁体另外一个重要优点是在合适的工作点下具有很小的退磁系数。
另外使用高性能永磁体，可以提高导磁系数增大气隙磁通密度，从而减少电流的消耗。
（5）控制简单
无刷直流电机的输出转矩直接正比于电机的电流，这使得对它的控制变得非常简单。
也正因为如此，日本和欧洲的许多半导体器件厂商开发了很多无刷直流电机的驱动控制专用集成芯片。
因其控制简单、成本低廉，得到了广泛应用。
综上所述，无刷直流电机是一种综合性能很好的电机，并已成为微特电机的重要发展方向。
第2章无刷直流电机的原理及转子位置间接检测
2.1无刷直流电机组成及工作原理
无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路（逆变电路）三部分组成，就其基本结构而言，可以认为是一个电动机系统，其原理框图与结构图如图2-1所示。
（a）原理框图
A
YZ
N
S
CB
X
T1T2T3
（b）结构简图
图2-1无刷直流电动机原理图与结构简图
用电子开关线路和转子位置传感器代替原直流电机的电刷和机械换向器。
直流电源通过电子开关线路向电机定子绕组供电，由位置传感器检测电机转子位置，驱动电机旋转。
2.1.1无刷直流电机的组成结构
无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。
（1）电机本体
无刷直流电机的电机本体主要包括定子和转子两部分，在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼形绕组和其他启动装置。
无刷直流电机的转子是由永磁体组成的，磁钢的磁极N和S是交替放置的。
根据所需要的磁场密度选择合适的永磁体，按一定的极对数p（2p=2,4,…）组成，产生气隙磁通。
图2-2为两种不同结构的转子示意图。
图2-2（a）是在铁芯外表面粘贴径向充磁的瓦片形成稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本。
图2-2（b）是在铁芯中嵌入矩形稀土永磁体，这种结构可以获得较大的磁通，但需要作隔磁处理。
除上述两种转子结构外，还有在铁芯外套上一个整体稀土永磁环的环形转子结构，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电动机，这种结构的转子制造工艺性较好。
另外，在电动车驱动中还常常采用外转子结构，将无刷直流电动机装在轮毂之内，直接驱动电动车辆，这种结构的电机其定子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。
永磁体
NS转子铁芯隔磁套
NS
SNNS
NS紧圈SN
SN
SN转轴
（a）（b）
图2-2电机转子结构形式
无刷直流电机的定子为电枢，有多相对称绕组，一般为三相、四相、五相不等。
定子是由定子冲片（钢片叠加而成）和放置在各个槽中的绕组组成，一般无刷直流电动机的定子结构和同功率的异步电机相同，不同的只是它绕组的分布方式。
大部分无刷直流电动机的三相绕组是绕成星形的，每相绕组都是由若干个线圈组成的，每极下的绕组数目都是均等的。
（2）位置传感器
位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分。
无刷直流电动机为了实现无刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁钢放在转子上，这与传统的有刷直流永磁电机正好相反，即无刷直流电动机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。
但是，这样还是不够的，因为用一般的直流电源给定子上的各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。
只有实时检测电动机转子的位置，再根据转子的位置信号按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连的电力电子开关器件，给电动机的不同相通以对应的电流，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场，电动机才可以跟着磁场转动起来。
所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换向装置，显然在这里转子位置传感器和功率逻辑开关电路起到了电子换向起的作用，它有多种结构形式，常见的有电磁式、光电式和霍尔元件式。
（3）电子开关线路
电子开关线路（逆变器）用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，有三相半空和三相全控两种，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。
电枢绕组可以接成星形和角形，各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元[3]。
2.1.2无刷直流电机的工作原理
下面以图2-3为例来说明无刷直流电机的换向原理。
+
T1T3T5
A
UdBC
T4T6T2
_
图2-3无刷直流电机的工作原理图
设无刷直流电机的初始状态是电枢电流从A相流入、B相流出、C相绕组悬空，此时功率管T1和T6导通，电流由A相流入、B相流出。
这种状态维持60度电角度后开始换向，T6关断，T2导通，此时A、C相导通，电流由A相流入，由C相流出，这种状态维持60度电角度后又开始换相，依次类推，整个过程形成了“三相六拍”状态。
各功率管的导通顺序为：
T1、T6→T1、T2→T3、T2→T3、T4→T5、T4→T5、T6→T1、T6……依次循环，构成六种导通状态，每个状态维持60度电角度，每相绕组导通120度电角度。
上述控制逻辑过程可以由表2-1说明，其中H1、H2和H3表示与各状态对应的位置传感器输出的逻辑电平。
表2-1三相无刷直流电机顺时针导通顺序
电角度
0度
-60度
60度
-120度
120度
-180度
180度
-240度
240度
-300度
300度
-360度
导电顺序
A
B
C
B
C
A
B
T1
导通
T2
导通
T3
导通
T4
导通
续表2-1
电角度
0度
-60度
60度
-120度
120度
-180度
180度
-240度
240度
-300度
T5
导通
T6
导通
导通
电流流向
A→B
A→C
B→C
B→A
C→A
C→B
H1
1
0
0
0
1
1
H2
0
1
1
1
0
0
H3
0
0
0
1
1
1
2.2无刷直流电机转子位置间接检测
无位置传感器并不是真正意义上的无传感器，而是无机械位置传感器，即不是直接在电机本体的定子上安装位置传感器，而是在电机运转过程中，通过一定的硬件和软件检测到电压或者电流信号，根据原理经过计算，间接的获得转子位置信号，已达到电机准确换向的目的。
无位置传感器控制是无刷直流电机近二十年来的一个重要研究方向，随着各项技术的发展，在生产中部分技术得到广泛应用，位置信号获取是通过检测容易获取的物理量如电压、电流等来实现，其中主要有反电势法，三次谐波电势法，电感法，状态观测器法。
反电势检测法是目前技术最成熟、实现最简单、应用最广泛的转子位置检测方法，其原理将在本章第三节进行详细的介绍，本文拟采用该方法以达到无刷直流电机无位置传感器控制的目的。
2.2.1无位置传感器无刷直流电机
1有位置传感器无刷直流电机的缺点
传统的无刷直流电机都要使用位置传感器实现对转子位置的检测，比如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。
然而这些传感器存在着以下缺点：
（1）使得电机设计复杂，并增加了电机尺寸；
（2）显著增加了小容量设备的硬件投资；
（3）位置传感器有碍机械转动，使得系统的鲁棒性能降低，并且连接线多，容易引入干扰；
（4）位置传感器难于安转在电机内部有限的空间里，维修比较困难；
因此，无刷直流电机的无位置传感器控制技术迅速兴起，并成为今后无刷直流电动机控制的发展趋势。
2无位置传感器无刷直流电机的优点
针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，无刷直流电机无位置传感器控制一直是国内外较热门的研究课题。
在三相无刷直流电机中，为检测转子的位置通常需要3个霍尔元件。
但是无位置传感器无刷直流电机正如其名，没有霍尔元件等传感器，也没有必要给霍尔元件配线。
因此在设计上受到的制约少，多用在高度及空间有限制的硬盘驱动、光盘驱动等情况，或用作数码摄像机的主轴电机。
无位置传感器无刷直流电机有以下优点：
（1）可实现部件低成本和高可靠性
由于无传感器无刷直流电机不适用霍尔元件等传感器，不仅可以降低部件成本，还可用在高温的环境。
这是因为霍尔元件等传感器与集成电路同样是半导体器件，特性随温度变化有很大变化。
在高温环境下使用会使其特性老化甚至可能破坏其特性。
（2）可以减少电机的配线
因为无位置传感器直流电机不需要霍尔元件等传感器的配线，可实现电路板小型化并简化装配工程。
在使用霍尔元件时，在电机及电机驱动电路之间要有霍尔元件的8条配线（电源、地、霍尔元件的6条输出）及3条电动机驱动配线，即最少需要11条配线。
（3）减少了设计上的制约
组装在电机电路板上的硬盘驱动器或光盘驱动器本身有外形尺寸的规定，电机电路板的尺寸自然受到限制。
电路板上没有了传感器元件，电机的永磁转子及定子尺寸就有了更多的自由度，在电机轻薄短小的设计上就减少了制约。
2.3无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法的比较
近20多年来，永磁无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题，提出了诸多位置检测电路和方法，主要包括反电势法、反电动势三次谐波检测法G（θ）函数法等[7]。
2.3.1反电动势检测法
三相六状态120度通电方式运行的无刷直流电机在任意时刻总是两相通电工作，另一相绕组是浮地不导通的。
这时候非导通绕组的端电压（从绕组端部到直流地之间）或相电压（从绕组端部到三相绕组中心点之间）就反映出该相绕组的感应电动势。
在实际应用场合，由于电机绕组中心点往往是不引出的，所以，通常将非通电绕组的端电压用于无传感器控制时，称为端电压法。
无刷电机气隙磁场包含永磁转子和电枢反应产生的磁场，只是永磁转子产生的磁场和它感应的反电动势才是所需要的，而电枢反应会引起气隙磁场的畸变和过零点的移动。
严格来说，反电动势检测法适用于电枢反应电动势比较小的电机，例如表贴式转子的情况。
在有些无刷直流电机中电枢反应比较强，使得非导通相的感应电动势包含较大的点数反应电动势成分，这样从端电压中提取反电动势过零点就存在较大误差。
这种端电压法容易实现，但往往会带有很多噪声干扰信号，需要低通滤波器滤除。
续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号。
尤其是在高速重载或者绕组电气时间常数很大的情况下，续流二极管导通角度很大，可能使得反电动势无法检测。
在对霍尔传感器分析时，如果以反电动势过零点定义为0度，为了获得尽可能大的电机转矩输出，同一相的反电动势和电流应该是同相位的。
所以正确的换向点应当在延后30度后。
也就是说，在反电动势过零点后30度时刻，应当就是该换向点出现时刻。
由于每隔60度应当出现一个换向点，检测到反电动势过零以后，延时（30+60K）电角度（K=0,1,2…）就是相应的换向时刻。
为了电路设计方便，取K=1，也就是取相反电动势过零点滞后90度电角度作为一个换向点。
每一相电路再将相电压波深度过滤，它不仅起到滤波作用，而且将输入的反电动势信号滞后一个90度电角度，从而得到电机换向的时刻。
2.3.2三次谐波反电动势检测法
三次谐波检测法适合用于Y连接、三相六状态工作的无刷直流电机。
其基本思想是相绕组反电动势波除了基波分量外，主要还包括三次谐波。
在一个基波周期内三次谐波共有六个过零点。
如果取得反电动势三次谐波信号，再将它移向90度（相当于基波的30度），就可以获得预期的换向点，而且无论在任何转速和负载下，这个相位差保持不变。
三次谐波反电动势六个过零点实际上和基波反电动势过零点重合，所以取得三次谐波反电动势过零点后，可以仿照反电势法实现电机的换向。
现有文献中三次谐波反电动
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