基于模糊优化的PID直流无刷电机控制
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基于模糊优化的PID直流无刷电机控制
摘要：PID直流无刷电机与其他电机不同，具备小体积、高效率、性能佳、结构简易等特性，在汽车、航天、机械等领域较为常规件，为发挥其作用价值，应以模糊优化为基础对其进行控制。本文在综述无刷直流电机和模糊优化的基础上，继而直接提出基于模糊优化，PID直流无刷电机的仿真设计，最后指明几点控制策略，以供参考。
关键词：模糊优化；PID直流无刷电机；控制要点
引言：随着电子电气技术的不断发展和稀土等永磁材料的广泛应用，无刷直流电机控制已成为近年来的研究热点之一。无刷直流电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统。传统PID控制策略的参数不能根据不同的电机环境而改变，这使得PID控制器不能提供良好的控制性能。PID控制器的性能完全取决于对其增益参数的调节，随时代发展，人们提出运用人工智能控制PID控制器。模糊PID控制是模糊控制和PID控制的有效结合。PID控制参数可在线设置，提高控制精度，达到更好的控制效果。
一、直流无刷电机与模糊优化的概述
(1)无刷直流电机具有体积小、转矩大、效率高、节能环保、使用寿命长等优点，广泛应用于工业设备、医疗设备和新型工业设备。无刷直流电机的速度控制系统通常采用传统的PID控制，传统的PID控制器对参数非常敏感。只有当控制器参数适合受控系统时，才能实现最佳性能。无刷直流电机是一个多变量非线性系统。如果系统状态发生变化，传统PID调速系统中的PID设置也会发生变化。因此，传统PID控制器动态性能差，可能导致电机速度响应慢，控制精度低，难以保证良好的调速效果。(2)模糊控制的概念最早由L.A提出，国际合作良好。该算法是一种基于模糊集理论、模糊语言变量理论和模糊逻辑思想的智能控制算法。模糊控制不需要精确的数学模型，可以方便有效地解决系统的非线性问题，从而提高控制系统的稳定性和灵活性，具有良好的控制效果。基于无刷直流电机控制系统，提出一种在MATLAB-Simulink环境下的模糊PID控制方案，以替代传统的PID控制器[1]。
二、仿真设计
1.数字模型建立
无刷直流电机主要由电机外壳、位置检测器、驱动器和控制器组成。大多数电机定子绕组采用三相对称星形接法，详情如下图所示：
图1：电机电路原理图
如上图所示，其中L、R、EA、EB、EC代表的是三相等效电机，A、B、C代表的是电路，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为六个电源电路。三个霍尔传感器间隔120度对称放置在定子上：霍尔A、霍尔B、霍尔C。发动机转子每旋转一周，三个霍尔传感器产生一个120度的方波位置信号。控制器处理霍尔信号，计算电机转速，产生三相开关逻辑信号，使能MOSFET功率晶体管电导。动力源是逆变器，可以让发动机输出连续的扭矩和功率。在不考虑涡流和磁滞损耗的情况下，建立了无刷直流电机的数学模型，包括电压差方程、电磁转矩方程和电机运动方程。忽略齿轮槽和开关过程中的涡流、磁滞损耗和电磁干扰，如果电机的三个绕组完全对称，则可以得到无刷直流电机定子三相绕组的电压方程[2]。
2.直流无刷电机模糊PID控制器设计
根据输入偏差E和EC偏差变化率的差异，输出PID校正参数，通过论证完成PID控制器的三个参数：比率、积分、微分ΔKP、ΔCI、Δ在线自整定KD、PID控制器生成验证信号和控制信号通过电机驱动工作。发动机转速信号通过霍尔传感器返回控制器，完成闭环速度控制。无刷直流电机控制系统采用PWM来控制无刷直流电机的转速。传统的发动机控制器，如PI和PID控制器，由于其结构简单、可靠性高、工程实现简单等优点，至今仍被广泛使用。输入变量E和EC以及输出变量KP和KI的范围是预先定义的实际发动机控制过程，本文采用对称分布三角插补函数。
3.仿真实验
无刷直流电机控制系统通常采用双闭环速度-电流控制结构。在本文中，连续时间系统方法用于构建模型。由于采用外圈调速设计，电机的输出速度可以跟踪给定的速度值，实现闭环速度控制。在理想条件下，在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验。电机通过三相IGBT逆变器由40V直流电源供电。为了直接体现改进后的速度控制器的控制效果，驱动系统只包括一个闭环速度环。假设电机转速设置为3000，输出控制电压由调速器产生，控制方波由PWM转换模块产生。根据霍尔变换器的规定，将产生的PWM控制电压接入MOSFET管，进而控制无刷直流电机的转速。实验模拟中还加入外部干扰因素，以观察在外部干扰下调谐速度控制器的效果。通过观察和比较给定时间和给定扰动后的效果来验证控制算法的有效性。三个控制器在初始阶段的反应速度是比较一致的。在波动性方面，传统PI控制器相对于传统PID控制器和给定时间为14ms的模糊PID控制器存在冗余脉冲。30ms的突加负载后，传统PI控制器的速度曲线波动较大。模糊PID控制器的速度设置为13ms，突加负载下速度曲线比较平稳。从以上观察可以得出结论，模糊PID控制器比传统PI控制器和PID控制器具有更好的稳定性。当负载扰动持续30毫秒时，转矩会有小幅波动，但能很快恢复到稳定状态[3]。
三、控制策略
一旦在算法控制过程中出现积分数据偏差，就会导致积分控制逐渐转变为数据精确无效情况，直至数据消失，但会出现滞后现象，从而减缓总体效应。微分控制的特性是反映输入信号的变化模式，改善系统的动态财产。控制取决于偏差的变化率。例如，实际测量值略低于设定值，但快速增加。此时，必须尽快向前推动约束装置，以发送延迟信号。相反，如果实际值超过规定值，则延迟响应，即采用差动控制。方差控制只关注趋势，而不关注具体含义。然而，差分控制的缺点也很明显：过多的差分系数延长了调整时间，对变化太敏感，从而降低了系统的免疫力。
(1)整体饱和度及其抑制。在传统的PID控制算法中，对集成组件进行监控，直到偏差消失。但是，在某些情况下，偏差不会在短时间内消失。该阶段综合控制会长时间运行，导致控制值进入甚至超过饱和区。上限和下限是多余的。可以看出，积分元素不能太大以消除积分饱和。为了克服这种现象，可以使用积分阻尼法和积分分离法：限制积分阻尼的方法是在控制变量进入饱和区时停止积分加法过程。分离积分的基本方法：如果偏差超过某一阈值，则立即去除积分；然而，如果偏差返回到阈值范围，则积分元件被重新激活。（2） 抑制干扰。数字PID控制系统的输入是给定R（t）和实际C（t）输出之间的E（t）偏差。在达到正常控制过程后，由于小E值干扰成为影响控制效果的主要原因。可以使用各种控制算法来减少干扰的影响，例如A/D转换中的随机误差、多次采样和平均滤波。PID控制算法对各种数据误差和干扰特别敏感，因此在计算扰动时会出现不可能取值，四中心微分法可以有效降低系统扰动的影响，因此可以考虑提高传统的PID控制器效率[4]。
结束语：总而言之，本文提出一种基于模糊PID控制器的控制系统建模方法，使用双闭环速度和速度环控制方法测试仿真方法。仿真结果表明，与传统PID控制器控制的无刷直流系统相比，PID控制器模糊控制系统具有更快的响应速度、更高的控制精度和更好的稳定性。此外，基于模糊控制器结构分析的无刷直流电机结构分析揭示模糊控制器与PID控制器之间的关系，并在MATLABSimulink环境中进行仿真，表明模糊PID控制具有响应快、稳定性好、弹性好等特点。
参考文献：
[1]顾文斌，杨生胜，王贤良，苑明海.基于模糊RBF神经网络的无刷直流电机PID控制[J].计算机技术与发展，2022，32(8)：15-19.
[2]贾贇贺，张昕，周媛媛.基于神经网络模糊PID控制的无刷直流电机控制系统研究[J].时代汽车，2021(7)：112-114. [3]宋璐，卫亚博.基于模糊PID的无刷直流电机速度控制系统的设计与仿真[J].大电机技术，2022(5)：40-44.
[4]张兵，杨浩．基于TMS320F28335的直流无刷电机控制技术应用[J]．微计算机信息，2021，000(001)：167-168.
