自适应模糊PID控制的无刷直流电机及仿真分析
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自适应模糊PID控制的无刷直流电机及仿真分析
文章通过对于自适应模糊PID控制的无刷直流电机和仿真技术进行了全面的分析，并且根据相关的理论基础建设了永磁无刷直流电机的相关数学模型，并且通过这个数学模型来转换成为电流双闭环调速控制系统。通过对于PWM进行的调节来达到转矩脉动减少的条件，从而保证模糊控制器与PID控制器能够各自适应相互之间的因子结合方式，并且通过自调节控制参数来不断完善PID控制器的相关理论功能。进一步提高PID的操控精度，而且还能够将MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIM ULINK以及Power SystemBlockset进行有机会结合，从而适应模糊PID控制的自适应，进一步提高了控制系统的准确度。通过PID与控制器之间的计算仿真，能够进一步使该方法得到比较有效的精度控制。
标签：模糊控制；自适应 PID控制器；无刷直流电机；调速系统
永磁无刷直流电动机通常简称为BLDCM，主要的工作原理就是通过电子变换器或者逆变器来使得直流电动机替代机械换向器，从而进一步完成直流转换成为逆流的逆变过程。通过将位置传感器的控制绕组电流进行不断地切换与控制，进一步使无刷直流电动机能够保证良好的电机控制与动静相关调速的功能，而且还会避免有刷结构存在的固有缺陷。无刷直流电动机因为具有体积小、效率高、控制力强、操作简单、使用便捷的特点，能够在伺服系统中得到比较广泛的应用，并且永磁无刷直流电动机的工作系统主要是1台自控制永磁同步电动机的调频系统。这样就能够保证与普通的变频交流控制器有所区别。而且永磁无刷直流电动机主要是一个多变量、强耦合、非线性、多变化的复杂结构。这样就使得无刷直流电动机要远比普通直流无刷电动机复杂。目前在国外对于永磁无刷直流电动机进行了很多方面的专业研究，并且提出了很多的观点。文章通过对于无刷直流电动机的自模糊PID控制来与其他方面的模糊控制进行了模糊推理与信息处理工作，并且进一步增添了人工智能在線学习的功能，从而保证了能够有效的控制系统的非线性或者不确定的因素。从这些方面来看，永磁无刷电动机自适应模糊PID控制能够有效地结合模糊信息处理的相关优点，并且针对各自的有利条件来构造新型的PID控制系统，这样就能够保证电机端的PWM进行有效地调节并且控制。
永磁无刷直流电动机的主电路一共包括三个部分，即电机本体、控制系统、转子位置传感器。可以说，电机三相绕组具有星形连接、无重点引出的特点，而且由于两项到点的工作方式使得双极具有斩波的效果。由于永磁无刷直流电机能够具有梯形反电形式，所以定子与转子之间的功能是相互非正弦感应的，这样就是去了电机方程由D转换到P轴系方程的意义。如果主要采用状态变量的工作方式，能够非常有效地建立起自适应模糊控制PID的控制模型。
通过根据一般电机的工作原理，我们能够将三项电流转换为状态电流，这样就能够进一步得到三相绕组电压的方程式：其中ua， ub，uc表示的是定子相绕组的电压，单位是V；Ra，Rb，Rc表示的是定子相绕组电阻，单位是Ω；ia，ib，ic表示的是定子相绕组电流，单位是A；La，Lb，Lc表示的是每相绕组的自感，
单位是H；Mab，Mac，Mba，Mbc，Mca，Mcb表示的是三相绕组间的互感，单位是H；ea，eb，ec表示的是每相绕组的反电势，单位是V；P所代表的是微分算子，其计算公式是P=d/dt。
1 模糊PID控制器的设计
关于模糊PID的控制器的设计首先要明确PID控制算法。因为PID控制算法与传统的控制算法相比较而言具有实用性强、实时性好、便于操作等优点，进一步被广泛的应用于控制中。如果我们采用模糊PID控制器之后，就一定要准确地找到控制器设置的正确参数Kp、TD和TI，PID控制器就能够根据这些设定好的参数来进行工作。
但是在传统的设计过程中由于动态响应和超调量技术指标之间不能够相互兼容，所以这样的缺点就导致电机存在着非线性、时变性的不稳定条件，导致PID控制效果与预期的效果不相符。如果模糊PID控制器无法确定参数对象模型，那么它就不会随着数值变量的改变而改变，进一步使用语言变量来进行系统的描述。如果按照动态系统信息以及模糊控制规则来进行推理，进一步获得相同的控制变量，这样就能够保证模糊PID控制器具有比较强的鲁棒性的特点，但是很多情况下都不能够进行稳定的精度控制，对于相关的研究结果显示，Fuzzy-PI控制比PID控制更加具有优势，比如更快的动态响应、更小的超调。这样一来就更加突出Fuzzy-PI控制的精度更加准确。通过这样的研究表明，Fuzzy-PI控制更加具有优良性以及高精度的模糊控制效果，如果Fuzzy-PI控制能够得到充分的自适应，那么模糊逻辑在线的系统控制参数就能够不断的完善PID控制器的性能，导致控制系统呈现出不佳的效果。
2 无刷直流电机控制仿真系统
无刷直流电机控制仿真系统的控制方式以及机理包括很多，首先是关于速度的调节，能够进一步增强PID控制分离进行调节，尤其是在控制系统稳定运行的过程中，能够根据转速来改变电压的变化，从而实现转速的无时差的特点，对于负载变化的抗扰功能起到一定的效果。因为PID调节器能够进行调节，进一步保证了PID调节器对于电流能够进行非线性的控制，从而保证电流实现恒流调节。
电流调节内环的功能也可以使用PID控制器进行调节，这样能够保证响应速度更快，对于电压的波动调节也能够起到抗干扰的作用。在系统启动的过程中，由于其输出的阀值能够决定最大电流的电压，所以在保证最大电流下启动能够确保运行的响应速度，这样就能够保证在转速调节的过程中是电流能够根据电压的变化而变化。通过PMW控制调节的方式，能够保证控制器内部的开关元件T1-T6都能够得到脉宽调制，也就是所谓的全桥调制。
在复合控制器的调节下，直流无刷永磁电动机的转速波形呈现出典型的PID控制器的特点，这种控制器具有进度高、震荡小的特点，但是对于超调的效果并不是非常出色，而且对于自适应模糊控制器的调节能够造成电机旋转速度响应
慢、精度调节质量低的情况，超调量也会不断的下降，但是却具有很多的振荡功能。如果是自适应的Fuzzy-PI复合型控制器，那么控制的直流无刷永磁电动机的转速域波形就会呈现出平滑的特点。可以说，Fuzzy-PI即具有PID控制器的无振荡、高精度的特点，而且还具备PID控制器所不具有的响应快、超调小的特点。
3 结束语
永磁无刷直流电动机通常简称为BLDCM，主要的工作原理就是通过电子变换器或者逆变器来使得直流电动机替代机械换向器，从而进一步完成直流转换成为逆流的逆变过程。文章通过对于自适应模糊PID控制器的无刷直流电机以及仿真性模拟进行了全面系统的介绍，包括了无刷直流电机数学模型的构建、模糊PID控制器的设计以及无刷直流电机控制仿真系统以及结果的相关研究，能够进一步促进我国关于永磁无刷直流电机的系统不断发展。
参考文献
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[2]黄裴梨.电动汽车永磁无刷电机驱动系统的仿真[J].清华大学学报，1995.
[3]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.
姜晓爱，女，高级工程师，北京航空航天大学航空科学与工程学院，研究方向：无人机航电系统设计、无人机航电系统测试、飞行器数据采集与处理。
