基于模糊控制的直流無(wú)刷電機調速系統*
摘要:本文介紹了一種基于參數自調整的模糊控制單片機直流無(wú)刷電動(dòng)機調速系統。系統采用高性能的八位嵌入式單片微處理器PIC16C63,使硬件結構簡(jiǎn)潔、可靠;采用參數自調整模糊控制器,使系統具有較高的控制精度和良好的魯棒性。
關(guān)鍵詞:參數自調整模糊控制 嵌入式單片微處理器 直流無(wú)刷電機調速系統引言
傳統PID控制的電機調速系統技術(shù)成熟,結構簡(jiǎn)單,較穩定可靠,應用較為廣泛,但也存在一些缺點(diǎn),例如無(wú)法有效地克服傳動(dòng)對象和負載參數的大范圍變化以及非線(xiàn)性因素對系統造成的影響,因而不能滿(mǎn)足高性能和高精度的要求。隨著(zhù)模糊控制技術(shù)的成熟,應用越來(lái)越廣泛,人們也開(kāi)始將它應用于電機調速中。使用模糊控制技術(shù)后,能充分利用其非線(xiàn)性結構自尋優(yōu)等各種功能,從而顯著(zhù)提高系統的魯棒性(robustness)。此外,由于不需要建立被控對象的精確數學(xué)模型,系統的設計也變得較為簡(jiǎn)便。本文研究的這種新型電機調速系統,用模糊控制器替代傳統的PID調節器,能明顯改善系統的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)性能,有較好的控制效果[1]。
系統硬件結構
系統硬件結構如圖1所示。系統主要由單片微機PIC16C63、顯示器、整流電路、直流變換、斬波電路、轉速檢測電路、直流無(wú)刷電動(dòng)機(額定電壓48V,額定轉速2000r/min)等組成。
PIC16C63是MICROCHIP公司的8位CMOS單片微處理器;只有35條基本指令;片內有三個(gè)多功能輸入輸出I/O口RA、RB和RC,其中RB、RC口為8位,RA口為5位,可直接驅動(dòng)LED;3個(gè)帶8位可編程預分頻器的8位定時(shí)/計數器;2個(gè)CCP(捕獲/比較/PWM)模塊,可輸出PWM信號(從RC2/CCP1和RC1/CCP2引腳輸出);192字節通用RAM,4096×14位EPROM;數字式的看門(mén)狗電路DWD;10個(gè)內部和外部中斷源;程序代碼加密保護;使用最高晶振20MHz;電源范圍2.5~6.25V[2]。
設置CCP1模塊工作于PWM方式。把脈寬值置入CCPR1L寄存器和CCP1CON5:4>,RC2/CCP1引腳可輸出高達10位的脈寬調制波形。當每次將CCPR1L中的數據再載入CCPR1H時(shí),RC2/CCP1輸出高電平;當定時(shí)/計數器TMR2的計數值等于CCPR1H的值時(shí),RC2/CCP1輸出低電平,產(chǎn)生脈寬。TMR2繼續遞增,直至計數值等于周期寄存器PR2的值,此時(shí)RC2/CCP1輸出高電平,產(chǎn)生PWM周期,同時(shí)使CCPR1L再載入CCPR1H,如此周期循環(huán),產(chǎn)生PWM信號。PWM輸出周期和脈寬的計算公式如下:
PWM周期=[(PR2)+1]*4TOSC*(TMR2預分頻值)
PWM脈寬=(DC1)*4TOSC*(TMR2預分頻值)
式中的DC1的值由8位的CCPR1L和CCP1CON5:4>2位組成。由此若PWM周期確定后,要獲得不同占空比的PWM信號,只要改變DC1的值即可。
系統的基本工作原理為:轉速由霍爾位置傳感器檢測,測得的實(shí)際轉速與給定速度進(jìn)行比較,將輸入變量模糊化(fuzzification)后進(jìn)行模糊推理,產(chǎn)生相應的PWM信號從RC2/CCP1引腳輸出。圖1中,當RC2/CCP1輸出低電平時(shí),六只MOSFET仍受RA口控制進(jìn)行電動(dòng)機的正常換相;當RC2/CCP1輸出高電平時(shí),下半部的三只MOSFET被封死。因此,只需對RC2/CCP1的輸出進(jìn)行PWM控制,就可以控制直流無(wú)刷電動(dòng)機的轉速。整流電路的輸出除提供給直流電動(dòng)機電源外,還通過(guò)DC-DC變換器獲得5V電源提供給單片機。系統設置一個(gè)2位的DIP開(kāi)關(guān),用于選擇給定轉速,有四個(gè)不同的給定轉速供選擇,以滿(mǎn)足不同運行狀態(tài)和不同額定轉速的電動(dòng)機;按鍵K1用于顯示給定轉速,按下則顯示給定轉速,否則顯示實(shí)時(shí)轉速。4個(gè)LED顯示器組成了顯示電路。
模糊控制器
模糊控制方法
模糊控制器結構如圖2所示,是一個(gè)參數自調整的模糊控制系統,其輸入變量是轉速偏差e和轉速偏差變化率Δe,輸出變量是PWM脈寬調制信號占空比δ的增量Δδ。在進(jìn)行輸入變量模糊化時(shí),轉速偏差e在其論域(full set)上定義3個(gè)模糊集隸屬度函數,相應的語(yǔ)言變量為負(N)、零(Z)和正(P),其隸屬度函數分布如圖3(a)所示。轉速偏差變化率Δe在其論域上定義6個(gè)模糊集隸屬度函數,相應的語(yǔ)言變量為負大(NB)、負?。∟S)、負零(NZ)、正零(PZ)、正?。≒S)和正大(PB),其隸屬度函數分布如圖3(b)所示。轉速偏差e的模糊集只簡(jiǎn)單的劃分為3個(gè),而轉速偏差變化率的模糊集卻劃分為6個(gè),一方面是考慮模糊控制器的結構優(yōu)化問(wèn)題[3],優(yōu)化后的模糊控制系統只有18條模糊規則;另一方面是滿(mǎn)足控制精度的要求,根據直流電動(dòng)機的運行特點(diǎn),在控制時(shí)為了達到控制精度的要求,有時(shí)更注重轉速偏差變化率。采用這樣的結構可使系統在轉速偏差變化率比較小時(shí)獲得精細調節。輸出量PWM占空比增量Δδ的模糊化,要充分考慮到電動(dòng)機轉速響應的暫態(tài)和穩態(tài)指標的協(xié)調。為了使轉速偏差較大時(shí)電機能快速響應,而在轉速偏差較小時(shí)又不至于產(chǎn)生較大的超調量,輸出變量Δδ的模糊化采取兩種方案,一種方案的模糊化定義5個(gè)模糊集,相應語(yǔ)言變量為負大(NB)、負?。∟S)、零(Z)、正小(PS)和正大(PB),其隸屬度函數分布如圖4(a)所示;另一種方案的隸屬度函數采用單線(xiàn)形。兩種方案由模糊控制器根據轉速偏差量的大小進(jìn)行自動(dòng)切換。解模糊化(defuzzification)采用加權平均的重心法。
參數自調整原則
圖2所示的參數自調整模糊控制器可以提高模糊控制系統的動(dòng)、穩態(tài)性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku對模糊系統的穩態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性均有較大的影響。一般來(lái)說(shuō),Ke和Kec越大,系統的控制精度越高,但大偏差范圍分辯率相應提高,可能導致系統超調,調節時(shí)間增加,動(dòng)態(tài)特性變差。增大Ku可以提高系統的控制精度和響應速度,減少Ku能減少超調,提高系統穩定度。因此,參數自調整的一般原則為:當偏差或偏差變化率較大時(shí),Ke和Kec取較小值,Ku取較大值,這樣可以保證系統的快速性和穩定性;當偏差或偏差變化率較小時(shí),Ke和Kec取較大值,Ku減小,這樣可以避免產(chǎn)生超調,并使系統盡快進(jìn)入穩態(tài)精度范圍。
控制軟件
控制系統軟件的主程序流程圖如圖5所示 。模糊控制器的初始化實(shí)際上是取出以表格形式存放在程序存儲器的模糊控制規則,以初始的比例因子進(jìn)行模糊判決后,將得出的控制數值以表格形式存放在RAM中,使用時(shí)可通過(guò)一個(gè)查表子程序直接提取,以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制系統的快速要求。若運行中比例因子自調整,只需要做簡(jiǎn)單的計算可獲得新值;同時(shí),還可以在不改變程序的情況下,將控制系統應用于不同參數的直流電動(dòng)機。
實(shí)驗
取直流電動(dòng)機系統的模型為:
G(s)=K/s(Tm+1)(Tμ+1)
式中,K為放大系數,Tm為機電時(shí)間常數,Tu為小時(shí)間常數之和。
采用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗,具體仿真方法見(jiàn)文獻[4]。仿真時(shí)所有的變量進(jìn)行了歸一化,仿真結果如圖5所示。圖5(a)和圖5(b)為T(mén)m=0.4和Tu=0.02時(shí)模糊參數自調整和參數固定的兩種仿真結果,圖5(c)為系統參數變化為T(mén)m=0.5和Tu=0.02時(shí)模糊參數自調整的仿真結果。由仿真結果可知,該模糊參數自調整直流電動(dòng)機控制系統具有調節速度快、動(dòng)態(tài)性能好、超調小、控制精度較高的特點(diǎn);同時(shí),在系統參數發(fā)生較大變化時(shí)系統的動(dòng)、穩態(tài)特性變化不大,說(shuō)明具有良好的魯棒性。
實(shí)驗室試運行也表明該控制系統具有良好的控制性能。
結語(yǔ)
將高性能、高集成度并提供PWM信號的單片微處理器PIC16C63應用于中小功率的直流無(wú)刷電機調速系統,具有系統結構簡(jiǎn)單、成本低廉和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),在結合采用參數自調整的模糊控制技術(shù),使系統具有較高控制精度、良好的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性,使設計也變得較為簡(jiǎn)單。該系統直接使用220V市電,其調速方案稍加改進(jìn)和工藝化,便可以在許多現代化家用電器中廣泛應用;如果將電機換成交流驅動(dòng)的通用電機,并配以雙向可控硅控制電路,則該方案的應用前景將更為廣闊[5]。
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