無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊神經(jīng)元PID控制

周曉華+張銀+王荔芳+李振強(qiáng)

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)PID控制應(yīng)用于無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)存在調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性差及抗干擾能力弱等問題，提出一種基于模糊神經(jīng)元PID控制的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先采用神經(jīng)元控制、比例控制和模糊控制設(shè)計(jì)了一種可在線調(diào)整參數(shù)的模糊神經(jīng)元PID控制器，然后再用其設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果表明，基于模糊神經(jīng)元PID控制的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)性能好、自適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī)； 模糊控制； 神經(jīng)元控制； 比例控制

中圖分類號(hào)： TN876?34； TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）23?0140?04

Abstract： Since the BLDCM speed regulation system based on traditional PID controller has the problems of long regulation time， poor dynamic regulation characteristic and anti?interference ability， a design method of BLDCM speed regulation system based on fuzzy neuron PID control is proposed. The neuron control， proportional control and fuzzy control are adopted to design a fuzzy neuron adaptive PID controller with parameter online regulation. On this basis， a speed regulator of BLDCM speed regulation system was designed. The simulation results show that the BLDCM speed regulation system based on fuzzy neuron PID control has the advantages of fast response speed， good static and dynamic regulation characteristics， strong anti?interference ability and adaptive ability.

Keywords： BLDCM； fuzzy control； neuron control； proportional control

0 引 言

無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、良好的機(jī)械特性以及優(yōu)越的調(diào)速性能，被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車、航空航天、伺服控制及機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域中。由于BLDCM具有較強(qiáng)的非線性以及強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，使得基于傳統(tǒng)PID控制的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)存在調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差等問題。為了改善BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，模糊自適應(yīng)PID控制被應(yīng)用到BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中[1?3]，根據(jù)BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，模糊控制通過運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的自動(dòng)在線調(diào)整功能，從而獲得了較為滿意的調(diào)速性能。文獻(xiàn)[4]采用神經(jīng)元控制和比例控制設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)元變結(jié)構(gòu)PID控制器，然后再用一個(gè)神經(jīng)元調(diào)整此神經(jīng)元變結(jié)構(gòu)PID控制器的參數(shù)，并將其用于BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，獲得了較好的控制效果。在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，本文對(duì)控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，先采用神經(jīng)元控制和比例控制設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)元PID控制器，同時(shí)取消了變結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，然后用模糊控制實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整功能，最后將其用于BLDCM調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下對(duì)基于模糊神經(jīng)元PID的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。結(jié)果表明，所提出的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法可獲得更好的控制效果。

1 BLDCM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)控制原理框圖[4]如圖1所示，電機(jī)采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)BLDCM。BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)元PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)見圖1虛線框內(nèi)部分。

BLDCM調(diào)速系統(tǒng)基本原理：參考轉(zhuǎn)速[n*]與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速[n]比較后的轉(zhuǎn)速誤差由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輸出直流調(diào)壓電源的電壓，以實(shí)現(xiàn)三相逆變電路輸出電壓的調(diào)節(jié)[5?6]。門極控制模塊檢測(cè)BLDCM內(nèi)置霍爾傳感器的三相霍爾信號(hào)，然后通過解碼器解碼并獲得電機(jī)當(dāng)前時(shí)刻與霍爾信號(hào)對(duì)應(yīng)的三相定子反電動(dòng)勢(shì)信息，最后根據(jù)三相定子反電動(dòng)勢(shì)信息產(chǎn)生6路同步信號(hào)以控制三相逆變電路6只IGBT開關(guān)的通和斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDCM的換相和控制。

2 模糊神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

2.1 神經(jīng)元PID控制器

4 結(jié) 語

本文采用神經(jīng)元控制、比例控制和模糊控制設(shè)計(jì)了一種無刷直流電機(jī)的模糊神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并以此建立了無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型。通過電機(jī)在空載起動(dòng)及運(yùn)行過程中突增負(fù)載轉(zhuǎn)矩的仿真實(shí)驗(yàn)，得出模糊神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器優(yōu)于神經(jīng)元變結(jié)構(gòu)PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)論。由仿真結(jié)果可以看出，基于模糊神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，以及較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和抗干擾能力。

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