淺析無(wú)刷直流電動(dòng)機的模糊邏輯算法控制設計應用

　　但是，這對發(fā)動(dòng)機提出了新的挑戰。當使用傳統的積分和微分(PID)控制器來(lái)控制無(wú)刷直流(BLDC)電機的速度是復雜的，因為它們依賴(lài)于復雜的數學(xué)模型，并且是計算密集型的。

　　而使用模糊邏輯(FL)的算法，可以消除設計過(guò)程對復雜的數學(xué)公式的依賴(lài)，并且提供一個(gè)容易理解的解決方案。與(PID)微分控制器相比，模糊邏輯(FL)發(fā)動(dòng)機控制還有一個(gè)優(yōu)勢，那就是開(kāi)發(fā)周期更短。本文討論了采用德州儀器c28xx定點(diǎn)DPS系列，實(shí)現用模糊邏輯算法來(lái)控制無(wú)刷直流電動(dòng)機的過(guò)程。

　　模糊邏輯控制器的實(shí)現是由三個(gè)模塊組成的。它們分別是模糊化、規則部署和去模糊化。以下各節討論模糊邏輯無(wú)刷直流電動(dòng)機相關(guān)模塊的實(shí)現情況。

　　模糊化

　　模糊化是將有明晰數值的數據轉換成模糊數據的過(guò)程。由此產(chǎn)生的模糊數據的轉換是基于對輸入變量的模糊隸屬度。對于這種應用，電機控制輸入變量是旋轉誤差 (Error)和旋轉誤差差值(Cerror)。旋轉誤差(Error)是從一個(gè)采樣時(shí)間到下一個(gè)采樣時(shí)間的絕對旋轉速度差。同樣地，旋轉誤差差值 (Cerror)是一個(gè)采樣時(shí)間和下一個(gè)采樣時(shí)間之間的旋轉誤差變化值。公式如下：

　　旋轉誤差(Error)=SetSpeed(設定速度)-Cur-rentSpeed(目前速度)

　　旋轉誤差差值(Cerror)=旋轉誤差(Error)-Pre-viousError(前一次誤差)

　　正如前面談到的，為旋轉誤差(Error)變量和旋轉誤差差值(Cerror)變量定義了五個(gè)成員集：

　　1.NM：中等負值

　　2.NS：小負值

　　3.ZE：零

　　4.PS：小正值

　　5.PM：中等正值

　　圖1顯示了為旋轉誤差(Error)變量和旋轉誤差差值(Cerror)變量定義的五個(gè)成員集。這些成員集是三角型重疊，以提供良好的響應。每一組有一個(gè)0×1AAA的最大值。

　　輸入變量模糊化后產(chǎn)生了由五部分組成的向量，這五個(gè)部分相對應于模糊化成員集的中等負值、小負值、零、小正值、中等正值。每個(gè)組件對應的Y軸的值代表該明晰輸入值的隸屬度。向量含有旋轉誤差(Error)和旋轉誤差差值(Cerror)模糊化值被表示為數組×1[]和X2[]。

　　圖2和圖3圖形化地顯示了旋轉誤差[Error)和旋轉誤差差值(Cerror)模糊化值。

　　無(wú)刷直流電機控制模型的發(fā)展

　　在模糊邏輯(FL)發(fā)動(dòng)機構建之前，我們必須首先建立一個(gè)模型作為設計的基礎。模糊邏輯控制器使用啟發(fā)式知識，并使用一個(gè)語(yǔ)言描述模型來(lái)表達它的設計。我們將以PID控制器模型為出發(fā)點(diǎn)，而不是從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)一個(gè)模型。一旦完成開(kāi)發(fā)和實(shí)現，模糊邏輯控制器將通過(guò)調整其參數來(lái)提高性能。

　　一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)模糊邏輯無(wú)刷直流控制器有三個(gè)設計步驟：

　　1.定義輸入、輸出控制器的操作范圍。

　　2.定義模糊成員集的功能和規則。

　　3.調整引擎。

　　第一步是定義模式相關(guān)的輸入和輸出。輸入是誤差(E)，它是設置的速度(SS)和當前的速度(CS)之間的當前誤差;另外的輸入是誤差的變化(CE)，它是當前誤差和以前計算誤差(PE)之間的差值。輸出是電樞電壓(CV)的改變值，它是現有的電樞電壓(CAV)和以前的電樞電壓(PAV)保存值的差額。由此產(chǎn)生的模型方程式如下：

　　E=SS-CS

　　CE=E-PE

　　CV=CAV-PAV

　　發(fā)動(dòng)機旋轉速單位為轉每分鐘(RPM)，E決定了接近目標速度的程度。因此，當E>0，發(fā)動(dòng)機的旋轉速度低于設定的速度;當E0，電機旋轉速度超過(guò)設定的速度。CE決定控制器的調整方向。當且僅當(iff)目前的旋轉速度比設定的速度要低時(shí)CE為正，;當且僅當目前的旋轉速度大于設定的速度時(shí)，CE 為負。當接近設定速度時(shí)，CE就會(huì )在正的和負的值之間來(lái)回調整。CV是電樞的供電電壓。這個(gè)電壓表示為脈沖的寬度調制(PWM)占空比。

　　下一步是定義模糊集的成員函數、變量和規則。為了保證能工作，非模糊(清晰)輸入和輸出必須轉化成模糊的。轉換由使用語(yǔ)言變量來(lái)表示輸入和輸出范圍。這些也被稱(chēng)為模糊變量。模糊變量用于為成員函數劃分隸屬值的區域。例如，5個(gè)變量用來(lái)映射輸入和輸出，它們是中等負值(NM)、小負值(NS)、零(z)、小正值(PS)、中等正值(PM)。

　　它不是數學(xué)公式，模糊控制器使用模糊規則來(lái)作出決定，并產(chǎn)生一個(gè)輸出。模糊規則是通過(guò)IF-THEN語(yǔ)句的形式來(lái)描述的。模糊規則決定系統的行為，而不是復雜的數學(xué)方程。例如，如果錯誤(E)是等于中等負值(NM)，而錯誤的變化(CE)等于小正值 (PS)，那么在電樞電壓(CV)的改變就等于小負值(NS)。所用的一些規則是根據設計者的經(jīng)驗和系統的知識來(lái)設定的。因此，我們的系統所使用的規則的數量是25個(gè)。

　　為了激活電樞，CV模糊輸出必須被轉換回清晰輸出。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為去模糊化。一種流行的去模糊方法稱(chēng)為重心法。

　　設計的最后一步是調整成員函數和規則。這個(gè)階段也稱(chēng)為優(yōu)化調整階段。優(yōu)化調整用于提高模糊控制器的性能。一旦設計完成，控制器就將準備付諸實(shí)現。

　　模糊推理規則

　　模糊推理規則通過(guò)操作模糊化數據來(lái)確定系統的行為。具體來(lái)說(shuō)，模糊化數據對照規則表進(jìn)行應用。在語(yǔ)言方面，這就是輸入數據Error、Cerror與規則表進(jìn)行比較。規則表中包含了成員集NM、NS、ZE、PS、和PM，并根據控制面來(lái)操作。輸出是通過(guò)有效“推斷”或“既定”的規則。推理過(guò)程的描述見(jiàn)如下偽代碼清單：

　　去模糊化

　　去模糊化是將模糊數據轉換成明晰數據的過(guò)程。為了這個(gè)應用目的，去模糊化后的值確定用于驅動(dòng)電機的PWM信號的占空比。占空比取決于使用修改后的質(zhì)心計算功能。在這里采用的去模糊方法是用質(zhì)心計算函數乘以一個(gè)系數。修改后的計算也稱(chēng)為質(zhì)心點(diǎn)計算函數。質(zhì)心點(diǎn)的計算公式為：

　　Defuzzified VaLue=∑-Y[i]XmultCoeff[l]/∑Y[i]

　　其中Y[i]的i即為輸出向量元素，是multCoeff[i]的輸出成員集應乘以的系數。其中，i可取1～5。公式計算結果即為去模糊化后的結果。

　　圖4通過(guò)圖形顯示了被該應用使用的輸出成員集與[-0x10，-0x8，0x0，0x8，0x10]系數。

　　假設，y[]=[0x0，0x13F，0x196A，0x0，0x0]，則去模糊輸出值如下：

　　Defuz=0×(-16)+319×(-8)+6506×(0)+0×(8)+0×(16)/0+319+6506+0+0=-2552/6825=“-0.37391

　　圖5顯示為輸出向量y[]質(zhì)心點(diǎn)的計算結果。

　　硬件描述

　　eZDSP2812 板被用在這種電機控制應用中。eZdsp板的核心是TMS320F2812數字信號處理器。該板使用定時(shí)器T1、20kHz的時(shí)鐘，產(chǎn)生PWM1-6的信號，并使用定時(shí)器T2來(lái)執行中斷服務(wù)例程(ISR)。此外，輸入捕捉引腳CAP1-3是用來(lái)收集霍爾效應傳感器高速數據的。

　　發(fā)動(dòng)機是由 DSP產(chǎn)生的PWM信號驅動(dòng)的。這六個(gè)PWM信號被用來(lái)作為三相功率變換器的源。功率變換器將這六個(gè)信號轉換為三相位信號，并直接作為發(fā)動(dòng)機的電源。三相功率變換器的功能由一個(gè)輔助電機控制電路板來(lái)處理。頻譜數字提供了兩個(gè)能夠提供這種功能的電路板：DMC550和DMC1500。其中任何一塊都可直接插入eZdsp28xx板上使用。

　　霍爾效應傳感器用于模糊邏輯控制回路反饋。對三相功率變換器開(kāi)關(guān)的轉換是通過(guò)檢測從霍爾效應傳感器接收到的信號來(lái)決定的。該信號被送入TMS320F2812的采集針內。實(shí)際電機速度的計算是通過(guò)一個(gè)軟件模塊來(lái)計數的。

　　軟件介紹

　　電動(dòng)機控制軟件是由數字微型電路(DMC)庫模塊和FL電動(dòng)機控制程序組成的。數字微型電路(DMC)庫中有七個(gè)模塊被使用在此應用程序中。它們是：

　　·Datalog數據記錄

　　·BLDC3PWM

　　·tall3_Drv

　　·Mod6_Cnt

　　·Rmp2Cntl

　　·Rarnp_Cntl

　　·Speed_PR

　　此外，模糊邏輯發(fā)動(dòng)機控制是由一個(gè)主要FuzzyCtl()例程來(lái)處理的;對于無(wú)刷直流電動(dòng)機就是Fuzzy-BLDC()。

　　該軟件首先是進(jìn)行首次運行配置，然后進(jìn)行應用程序特定的設置。具體來(lái)說(shuō)，GPIO引腳被配置為CAPture和PWM引腳。

　　下一步是進(jìn)行定時(shí)器和模塊參數的初始化，以及ISR的設置。當所有外設設置完成，中斷被激活，進(jìn)入主要操控系統。主要操控系統每隔8.7毫秒調用一次模糊控制器。

　　誤差值被轉換成通過(guò)模糊化的模糊值被存儲在X1[]和X2[]。一旦轉換，模糊值被應用于模糊推理規則。

　　從推理模塊得到的結果存儲在Y[]中。從Y[]得到的輸出在去模糊化模塊中被轉換成明晰值。由此產(chǎn)生的明晰值是一種PWM偏移量，該偏移量被添加到當前的 PWM占空比上。更新后的PWM值被檢查，看看是否新的值是在一定范圍內，如果不是就將采取適當行動(dòng)。最后，模糊控制器返回更新后的PWM占空比給調用例程。

　　圖6顯示了演示應用程序調試環(huán)節。

　　通道1和2(在右上角顯示窗口)分別顯示了PWM計數器和捕獲霍爾效應傳感器。通道3和4(在通道1和2下方)顯示邊沿觸發(fā)PWM的計數器和霍爾效應傳感器的顯示窗口的版本。監視窗口中顯示重要變量，其中，最重要的是SetSpeed(設置速度)和CurrentSpeed(當前速度)。這些值足夠接近，使得模糊邏輯控制器的輸出為零。

　　這次會(huì )話(huà)表明發(fā)動(dòng)機是在無(wú)負載條件下運行的。此行為可能會(huì )和有負荷時(shí)的情形略有不同。此外，如果想要更細的粒度，可能有必要對控制器進(jìn)行調整。