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]。