模糊PID算法在无刷直流电机控制系统中的应用概要文档格式.docx
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伺服驱动系统;
仿真
ApplicationofFuzzyPIDAlgorithmsinBrushlessDCMotorsystem
LIBin,TANGYong2zhe
（CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China
ABSTRACT:
ThispaperprovidesusabrushlessDCMotorsystem,whichisbasedonfuzzyPIDalgorithms.Thiscontrolsystemtotallyincludes4mainparts:
controller,motordriver,permanentmagnetbrushlessDCMotorandelectricalmagnets.Throughthecontroller,introducedthefuzzyPIDalgorithmsandfuzzycontrolregulars.Simulatethecontrolconsequenceandgainthesatisfiedresult.
KEYWORDS:
BrushlessDCMotor;
FuzzyPIDcontrol;
Lockstitchsewingmachine;
Servodrive;
Simulate
0 引 言
永磁无刷直流电机具有性能优异,比功率大和良好的调速功能。
近年来,随着新材料的出现和电力电子器件的发展,永磁无刷电机开始广泛应用于工业控制的各个领域。
本文所研究的全自动平缝机系统就是由无刷直流电机进行驱动。
基于无刷直流电机驱动器的该类平缝机具有以下特点:
上轴由内藏式小型无刷直流电机直接驱动,取代了过去的外装式大型电机,节省空间,节约能源,提高了传动效率和传动精度;
具有启动快,效率高,调速范围宽,位置控制精确等能力;
具有自动剪线,自动拨线,自动抬压脚,自动加固,自动调速等功能,还可以根据不同的工艺要求进行可选择的设定,取代了原先由手工进行的辅助工序,大大提高了工作效率,满足了规模生产的需要。
1 模糊PID控制原理
模糊控制器是一种建立在模糊数学基础上的控
制器。
其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型,而根据工作人员或专家的经验,建立控制规则,
组织控制决策表,然后由该表决定控制量的大小。
将模糊与PI控制结合起来,扬长避短,即具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具PI控制精度高的优点。
模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求,并利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。
具体来说,它就是在PID算法的基础上,通过计算当前系统误差e和误差变化率ec,利用模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行参数调整。
一般情况下,在不同e和ec下被控过程对参数
Kp,Ki与Kd（KP,Ki,Kd为比例、积分、微分系数的自整定要求可归结为以下3点。
当e较大时,为使系统具有良好的快速跟踪性能,避免因e瞬间变化大而引起微分饱和,应取较大的Kp与较小的Kd。
同时为避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取Ki=0,根据实际情况也可直接采取P控制。
当e处于中等大小时,为了减小系统的超调,同时保证系统的响应速度,Kp应取得小些,Ki的取值要适当。
在这种情况下,Kd的取值对系统响应的影响较大,一般根据ec的取值经验为:
ec较大时,Kd可取稍小;
ec较小时,Kd可取稍大。
实际中也可直接采
—
41—微电机 2006年 第39卷 第2期（总第149期
用PD控制。
当e较小时,为使系统具有较好的稳态性能,提高系统的抗干扰性,避免系统振荡,Kp与Ki均应取得大些。
同时为避免系统在设定值附近出现振荡,Kd值的选择很关键,可根据ec来决定,即:
当ec较大时,Kd可取稍小,ec较小时,Kd可取稍大。
2 模糊控制规则以及模糊算法的确定将电机给定速度与实际检测速度的偏差e以及偏差变化量ec作为模糊控制器输入,将模糊控制器调节后的输出u作为被控对象输入。
根据输入量e、ec和输出量u,结合对无刷电机的调速经验,得到Kp、Ki、Kd模糊控制规则表如表1和表2所示。
表1 Kp模糊控制规则表
e
uecPBPMPSZONSNMNB
PBPBPBPBPBPMPSZO
PMPBPBPBPMPSZONS
PSPBPBPMPSZONSNM
ZOPBPMPSZONSNMNB
NSPMPSZONSNMNMNB
NMPSZONSNMNMNBNB
NBZONSNMNMNBNBNB
表2 Kd、Ki的模糊规则表
eKp
△ec
NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNM
PSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNB
PBZOZONMNMNMNBNB
表中,在模糊调速系统中,采用{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},并记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},作为偏差e以及偏差变化量ec和输出u的7个模糊状态描述。
Kp、Ki、Kd的模糊规则表建立好后,根据如下方法进行Kp、Ki、Kd的自适应校正。
将系统误差e和误差变化量ec的变化范围定义为模糊上的论域,由各模糊集的隶属度函数赋值表和各参数模糊控制模型,应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表,查出修正参数并代入下式计算。
Kp=K′p+{ei eci}p
Ki=K′i+{ei eci}i
Kd=K′d+{ei eci}d
在线运行过程中,控制系统通过对模糊逻辑规则的结果进行处理、查表和运算,完成对PID参数的在线自校正。
图1 电机的速度曲线
根据如图1电机的速度特性曲线来改进PI算法。
在启动、加速阶段可以进行开环控制,使电机进行软启动,以恒定的加速度进行加速,到达预定值时,进入稳态调速阶段,再用积分分离PI控制算法进行稳态调速。
具体算法如下。
△U=Kp[e（k-e（k-1]+Ki[e（k]+Kd[e（k-2e（k-1+（k-2]
U（k=U（k-1+△U（k
式中,Ki=KpT
Ti
Kd=Kp
Td
T
T为采样周期。
在动态响应过程中,根据偏差e和偏差变化ec的特征信息由模糊推理产生一个相应的合理的a变化并作用于Kp、Ti、Td,即
Kp=Kp0
1
aΧ
其中Χ∈[1 1.6]
Ti=Ti0
Β（1+a
2
其中Β∈[0.4 1]
Td=Td0
式中,Χ、Β分别为比例增益和积分时间的调整系数,其值是根据不同系统由经验给出。
Kp0、Ti0、Td0为PID控制器的初始整定值。
在此作用下的PID参数根据偏差e和偏差变化ec进行动态调整以满足动态性能。
a（t的在线调整则由一个Fuzzy推理生成,根据当前e与ec,被控对象的特点和实际经验推理产生出一个模糊变量H,其反映a在动态过程中应具备的变化趋势的模糊决策,H经非模糊化处理后得到的h（t,并由它在线调整a,即:
a（t=a（t-1+Γh（t a（t∈[0,1],Γ为调整a的变化速度。
（下转第89页
5
模糊PID算法在无刷直流电机控制系统中的应用 李 斌 唐永哲
当电枢电流较小时,IaR可约去,公式可简化为:
n=
UKe5
。
直接测量电机端电压,即可求出电机转速n。
可以在桥式电路的低电压端与地之间串联采样电阻检测主回路上的电流。
检测电路如下。
在H桥的两条桥臂下端都串联采样电阻。
取电压信号VR,
VL再加一基准电压Vref,经由加、
减放大运算得Vout。
只需调速Rf、R1、R2、R3、R4的值,使Vout保持在0V
~3.3V的范围之内。
由图可得:
Vout=
R1+Rf
R1
R3R4R2+R3
R4VL+R2R4
R3+R2R4
V
ref
-
Rf
VR（4图4 电流采样电路
2.5 设备检测和故障处理电路
设备检测和故障处理
电路主要包括功率MOSFET的检测,直流电机电枢回路的检测和电机
电磁车闸的检测。
直流电机采用H桥式功率MOSFET驱动。
检测电枢回路时,开通一个与母线连接的MOSFET,关断其他3个MOSFET,在电枢另一端进行AD采样,若采样电压值不为零表示电枢回路正常,否则表示电枢断路,控制器进入故障模式,封管并报警。
电机电磁车闸内也有一电感线圈。
检测方法相同。
功率MOSFET的检测。
分析H桥的一边桥臂,2只MOSFET交替导通。
当下管导通时,上管关断,下管的栅极（G为高电平,漏极（D为低电平;
下管关断时,上管导通,下管的栅极（G为低电平,漏极（D为高电平。
取此G、D信号逻辑异或,输出信号应为高电平,否则此桥臂中必定有MOSFET损坏。
因此,MOSFET的检测如下:
取4条桥臂的下管G、D信号,分别将其逻辑异或,将得到的4路信号再逻辑与非,得到XINT信号。
可知,当全部MOSFET正常时,XINT为低电平,若有任何一个MOSEFT损坏
（短路或断路,XINT将会置高,使控制器进入故障
模式,封管并报警。
参考文献
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[3] 王鑫,傅丰林,陈健.一种基于DSP控制的液晶显示屏的设计
及实现[J].电子技术应用,2003（5:
64-67.
作者简介:
褚超（1981-,男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子与交流技术。
（上接第15页
3 仿真结果
根据模糊控制规则和算法,在MATLAB下对被控系统进行仿真,得到如图2所示的仿真结果。
图2 模糊-PID控制律的响应
由仿真结果可以看出:
对于由无刷直流电机驱
动的平缝机这样的非线性、强耦合系统,在快速性、稳定精度、超调上考虑,模糊-PID控制规律的控制效果是很好的。
它消除了一般PID调节器算法中的饱和现象,使电机调速稳定,并具有快速跟随性,同时也使电机具有恒转矩调速特性。
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重庆大学出版社,
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李斌（1980-,研士研究生;
研究方向:
电机及控制。
98—基于TMS320LF240X的电动车控制器接口电路设计 褚 超 马小珍 万淑芸
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