基于模型設計的BLDC電機調速控制

張祁

基于模型設計的BLDC電機調速控制

張祁

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

無刷直流電機在工業(yè)生產中有著廣泛的應用。文章通過基于模型設計的方法研究BLDC電機的調速控制，在Matlab/Simulink中建立了無刷直流電機模糊PID調速控制模型，并通過RTW技術生成C代碼，再通過CodeWarrior編譯成機器碼刷寫入ECU中。結果表明，模糊PID控制器能夠改善BLDC的調速性能。

無刷直流電機；基于模型的設計；模糊PID控制；自動代碼生成

引言

無刷直流電機具有高速動態(tài)響應、結構簡單、穩(wěn)定性高、高效率、低噪聲和力矩大等優(yōu)點，因此在工業(yè)生產中具有廣泛應用[1][2]。而在對無刷直流電機調速控制系統(tǒng)進行具體設計時，由于會遇到對硬件底層驅動的編寫、電機換相程序的設計和控制系統(tǒng)程序的編譯等難題，因此設計過程會非常復雜，并在此過程中會出現(xiàn)非常多的問題?；谀Ｐ驮O計的方法開發(fā)控制系統(tǒng)不需要精通各種編程語言，它將繁瑣的代碼生成工作交給計算機完成，并有各種功能模塊與驅動模塊供設計者使用，只需要設計人員了解工作原理與關注算法本身，因此能夠保證代碼的高效性、可靠性，并極大地降低了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)難度，顯著縮短產品開發(fā)周期，大大提高了工作效率。

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立了無刷直流電機模糊PID控制系統(tǒng)模型，通過RTW技術生成代碼刷寫入ECU中，通過MeCa測量與標定軟件，進行硬件在環(huán)調試系統(tǒng)，結果表明了模糊PID控制器相比PID控制器，可以使BLDC電機實現(xiàn)平滑連續(xù)調速，調速性能得到顯著改善。

1 基于模型的設計的介紹

隨著用戶需求越來越多樣化，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)越來越多，系統(tǒng)設計本身也變得越來越復雜。基于模型的設計是一種用于開發(fā)動態(tài)系統(tǒng)快速的、高效的方法，在設計過程中設計者可以把原始模塊劃分為更小的模塊，以便能夠對其進行實現(xiàn)和驗證，并在今后的設計過程中多次重復使用?；谀Ｐ偷脑O計開發(fā)過程的核心是圍繞系統(tǒng)模型來進行的，從需求分析到設計到實現(xiàn)到測試，都與模型緊緊相關[3]。

在傳統(tǒng)的設計中，模型一般是采用基于匯編、C 語言等編程語言工具來實現(xiàn)算法的，而驗證是通過測試環(huán)境來實現(xiàn)的。但基于模型的設計采用了自動代碼生成技術，它可以用來證明語言實現(xiàn)的概念，并且也可當作手工代碼的驗證基準，并且還可以用來進行原型設計，所以該技術是相當有前景的。當然這一新技術的出現(xiàn)并不意味著作出在手工代碼和自動代碼中二選一的抉擇，而是相互之間結合使用，得到最優(yōu)化的設計結果[4]。

2 無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機的換相功能是通過三相全控電路達到的。由于缺少碳刷換相，當直流電源給定子上任意兩相繞組供電時，只能有一個恒定磁場，它不能與運動中的轉子磁鋼產生的永磁磁場相互作用，來保證單一方向的轉矩，因此轉子不能連續(xù)旋轉?？梢?，無刷直流電機還需要增加位置檢測裝置和電子開關電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的永磁直流電機的碳刷和換相器。位置檢測裝置檢測轉子位置信息，處理邏輯控制器后，控制電子整流電路整流，電樞磁場的定子繞組和轉子磁鋼永磁場的相互作用，導致連續(xù)轉矩以確保電動機的連續(xù)運行。

無刷直流電機的定子繞組通常為多相（三相、四相、五相等）結構，轉子按一定極對數(shù)組成。三相全控電路運行方式轉矩脈動小，繞組利用率高，所以應用范圍較廣，圖1所示為三相全控電路方式。三相全控方式因同時導通的繞組數(shù)的區(qū)別又可分為兩兩導通方式（也稱120o導通方式）和三三導通方式（也稱為180o導通方式）。由于本課題研究的控制電機采用的是三相全橋星形連接，兩兩導通三相六狀態(tài)方式?？刂齐娐窌鶕?jù)位置信號決定六路PWM信號的通斷，進而使功率管導通或關斷，使繞阻按一定順序導通，驅動電機連續(xù)旋轉[5]。

圖1 無刷直流電機三相全控電路

3 BLDC電機模糊PID控制器的設計

3.1 BLDC電機的系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)采用速度環(huán)與電流環(huán)的雙閉環(huán)控制，其中速度環(huán)參與電機的調速并采用Fuzzy-PID控制，輸出PWM信號控制電機轉速，而電流環(huán)只有在電機電流超過額定電流時，才參與對電機的控制，起到一個過載保護的作用。整體控制原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體原理

3.2 模糊PID控制器設計

無刷直流電機的Fuzzy-PID控制器的輸入變量有兩個，分別為速度誤差E與誤差的變化率EC，根據(jù)不同的E和EC，模糊控制器按照離線的模糊規(guī)則表自動查詢改變參數(shù)Kp，Ki，Kd以滿足不同E和EC時對控制參數(shù)的不同要求。其BLDC電機系統(tǒng)制定模糊規(guī)則的制定原則如下[6]：

（1）當e和ec很大時，給Kp一個大的值，增大系統(tǒng)的響應速度，為了避免系統(tǒng)超調，當e和ec較大時，相應的Kp的值要減小，當?shù)秸{節(jié)末期，此時e和ec都較小，再稍微增大Kp的值，使系統(tǒng)反應靈敏，并且減少穩(wěn)態(tài)誤差。

（2）當e和ec很大時，給Ki一個很小的值，防止積分飽和，避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調，當e和ec適中時，此時給Ki的值要適當增大，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，當?shù)秸{節(jié)末期時，e和ec都較小，就要增大Ki的值，使系統(tǒng)反應靈敏，并且消除穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）微分環(huán)節(jié)的作用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，對于BLDC電機系統(tǒng)，e與Kd的關系要保證反比，則又可增加系統(tǒng)的反應速度又避免了超調。但是對于ec來說，ec較大時，則要減少Kd值，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，ec變小時，便可相應的增大Kd的值，提高系統(tǒng)的響應速度。

誤差e實際論域范圍為[-750，750]，誤差變化率ec的實際論域范圍為[-12，12]，設定系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec 的模糊論域：e={-10，-2，-1，0，1，2，10}，ec={-6，-4，-2，0，2，4，6}，Kp，Ki，Kd的模糊論域：Kp，Ki，Kd={-6，-4，-2，0，2，4，6}其模糊子集為 e，ec，Kp，Ki，Kd ={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

表1 Kp的模糊規(guī)則表

表2 Ki的模糊規(guī)則表

表3 Kd的模糊規(guī)則表

根據(jù)專家知識，建立合適的模糊規(guī)則庫，Kp，Ki，Kd對應的模糊規(guī)則表如表1、表2、表3所示。

⑨由于風浪影響或水位測量誤差可能造成水閘上下游水位偏差，為防引排倒流，設定上游水位比下游水位高0.01 m以內時，閘門一次性關到底（不分級關閘）。

并將規(guī)則表導入到模糊邏輯編輯器中，便可生成模糊規(guī)則MAP圖，如圖3所示。

(a) Kp MAP (b) Ki MAP (c) Kd MAP 圖3 模糊規(guī)則MAP

4 控制策略建模

本系統(tǒng)使用的ECU芯片型號是Freescale公司的MPC5604。設計的系統(tǒng)結構示意圖如圖4所示。根據(jù)對系統(tǒng)響應速度的要求與硬件的性能，設定ECU任務周期為1ms。

圖4 總體系統(tǒng)結構示意圖

將上文的模糊邏輯編輯器生成的MAP，導入到查表模塊中，與PID控制模塊相連，便構成模糊PID控制器，將其與電機驅動模塊相連和輸入信號模塊相連，構成系統(tǒng)總體模塊如圖5所示。在模塊中添加測量speed，實時的監(jiān)控電機轉速大小，查看控制效果，并通過M文件將模糊規(guī)則表與期望轉速設定為標定量，后期在MeCa測量與標定軟件中，設定轉速，根據(jù)電機轉速響應效果來在線優(yōu)化規(guī)則表。

圖5 Fuzzy-PID控制器總體模塊

5 測試與分析

利用Simulink的自動代碼生成功能，將控制系統(tǒng)生成C代碼，再通過CodeWarrior編譯成機器碼，刷寫到ECU中控制電機。使用MeCa的內置數(shù)據(jù)保存功能，將采集到的數(shù)據(jù)保存到EXCEL文件中，后期做成曲線圖。實驗結果如圖6所示。

上述例句中，原文是由“as long as”引導的條件狀語從句。本來它的意思是“只要…”，但是在字幕翻譯里并沒有將整句話字對字地翻譯過來。它將句子很簡單化地表述出來，并且非常地口語化。原句里還有主語“You”,但在翻譯過來的字幕里，已經省略了主語“你”，這符合中文的說話習慣，如果在翻譯里加上了“你”，會顯得有些生硬和奇怪。

(a) 轉速響應曲線 (b) 轉速穩(wěn)定后誤差曲線 圖6 實驗結果曲線

從圖6（a）可以看出，PID控制響應時間為2ms，超調為3%，并且系統(tǒng)為了消除超調，速度下降到1700r/min左右，遠離目標轉速，而Fuzzy-PID控制下系統(tǒng)響應快速平穩(wěn)，響應時間為2ms，并且沒有超調，而且轉速穩(wěn)定在1800r/min左右。

圖7(a)和(b)分別是PCW和Un-PCW試樣的表面裂紋復形觀察。從圖7(a)可以看出，PCW試樣表面裂紋主要是穿晶裂紋，裂紋沿與水平方向呈現(xiàn)約45°方向擴展；而Un-PCW試樣表面裂紋以沿晶擴展為主，裂紋沿水平方向曲折擴展。這些與前面的疲勞斷口觀察相一致，出現(xiàn)這種變化的原因是預冷變形處理導致PCW材料晶粒出現(xiàn)沿預冷變形方向的擇優(yōu)取向，從而使裂紋沿擇優(yōu)取向晶粒的易滑移方向擴展，這種裂紋擴展導致裂紋主要為穿晶裂紋；而Un-PCW處理的材料由于沒有織構的存在，裂紋按照常見的水平方向擴展，裂紋也以沿晶為主。

從圖4.5（b）可以看出，在轉速穩(wěn)定到1800r/min時，PID控制的轉速誤差最大超過±10r/min，控制較穩(wěn)定，而Fuzzy-PID控制下，轉速穩(wěn)定在±8r/min之內，穩(wěn)定效果比PID控制好，達到了工程控制的要求。

盧局長打斷他說：“你是說這個寄尸案的死者是毛德君？有人殺了他后再開著他的車把他的尸體送到火車站寄存？”

6 結論

本文通過基于模型的設計，大大減低了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的開發(fā)難度與開發(fā)時間，讓開發(fā)者只需關心控制算法的設計，提高了工作效率。并通過實驗結果看出，F(xiàn)uzzy-PID控制器由于只考慮系統(tǒng)得輸入和輸出的變化情況，不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，所以具有很強的參數(shù)適應性和魯棒性，改善了一般PID控制器對系統(tǒng)參數(shù)變化敏感的缺點。同時，由于Fuzzy-PID控制器的參數(shù)計算只需查找模糊規(guī)則表，沒有大量的數(shù)學計算，因此具有迅速的反應速度，所以適合電機調速系統(tǒng)的高速控制，具有較強的實用價值。

參考文獻

[1] 榮軍,楊航,李獻,等.無刷直流電機在Matlab中的建模與仿真研究[J].湖南理工學院學報(自然科學版) ,2012,25(2): 55-59.

[2] 榮軍,楊航,韓良,等.無刷直流電機PWM調速技術的建模與仿真[J].湖南理學院學報(自然科學版), 2012,25(3):53-58.

[3] 劉杰.基于模型的設計及其嵌入式實現(xiàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010:12-15.

[4] 基于模型的設計——迎接當今嵌入式系統(tǒng)設計面臨的不斷增加的挑戰(zhàn)[OL].(2016-8-10).華強電子網(wǎng).http:// www.hqew.com.

[5] 李寧,白晶,陳桂.電力拖動與運動控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2009:7-11.

[6] 王結飛.基于DSP的無刷直流電機智能控制系統(tǒng)的研究[D].南京:南京郵電大學,2011.

Speed Control of BLDC motor based on Model Design

Zhang Qi

( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Abstract:Brushless direct current (BLDC) motor has been widely used in industrial production. By studying BLDC motor model-based design speed control, based on Matlab/Simulink of Fuzzy PID BLDC motor speed control model and generate C code from RTW technology, and then compiled into machine code by CodeWarrior writing brush the ECU. The results show that the fuzzy PID controller can improve the speed performance of the BLDC.

Keywords: BLDCM; Model-Based Design; Fuzzy-PID control; Auto-generation code

CLC NO.:U463.6

Document Code: A

Article ID:1671-7988(2019)14-83-04

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)14-83-04

作者簡介：張祁（1993-），男，長安大學汽車學院碩士研究生，車輛工程專業(yè)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.026