基于模糊控制的直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)*

摘要：本文介紹了一種基于參數(shù)自調(diào)整的模糊控制單片機直流無刷電動機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高性能的八位嵌入式單片微處理器PIC16C63，使硬件結(jié)構(gòu)簡潔、可靠；采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，使系統(tǒng)具有較高的控制精度和良好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：參數(shù)自調(diào)整模糊控制 嵌入式單片微處理器 直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)引言

傳統(tǒng)PID控制的電機調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，較穩(wěn)定可靠，應(yīng)用較為廣泛，但也存在一些缺點，例如無法有效地克服傳動對象和負載參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素對系統(tǒng)造成的影響，因而不能滿足高性能和高精度的要求。隨著模糊控制技術(shù)的成熟，應(yīng)用越來越廣泛，人們也開始將它應(yīng)用于電機調(diào)速中。使用模糊控制技術(shù)后，能充分利用其非線性結(jié)構(gòu)自尋優(yōu)等各種功能，從而顯著提高系統(tǒng)的魯棒性（robustness）。此外，由于不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，系統(tǒng)的設(shè)計也變得較為簡便。本文研究的這種新型電機調(diào)速系統(tǒng)，用模糊控制器替代傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，能明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，有較好的控制效果[1]。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片微機PIC16C63、顯示器、整流電路、直流變換、斬波電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、直流無刷電動機（額定電壓48V，額定轉(zhuǎn)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(nèi)有三個多功能輸入輸出I/O口RA、RB和RC，其中RB、RC口為8位，RA口為5位，可直接驅(qū)動LED；3個帶8位可編程預(yù)分頻器的8位定時/計數(shù)器；2個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(jié)通用RAM，4096×14位EPROM；數(shù)字式的看門狗電路DWD；10個內(nèi)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(shè)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(diào)制波形。當每次將CCPR1L中的數(shù)據(jù)再載入CCPR1H時，RC2/CCP1輸出高電平；當定時/計數(shù)器TMR2的計數(shù)值等于CCPR1H的值時，RC2/CCP1輸出低電平，產(chǎn)生脈寬。TMR2繼續(xù)遞增，直至計數(shù)值等于周期寄存器PR2的值，此時RC2/CCP1輸出高電平，產(chǎn)生PWM周期，同時使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(yù)分頻值）

PWM脈寬=（DC1）*4TOSC*（TMR2預(yù)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(tǒng)的基本工作原理為：轉(zhuǎn)速由霍爾位置傳感器檢測，測得的實際轉(zhuǎn)速與給定速度進行比較，將輸入變量模糊化（fuzzification）后進行模糊推理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號從RC2/CCP1引腳輸出。圖1中，當RC2/CCP1輸出低電平時，六只MOSFET仍受RA口控制進行電動機的正常換相；當RC2/CCP1輸出高電平時，下半部的三只MOSFET被封死。因此，只需對RC2/CCP1的輸出進行PWM控制，就可以控制直流無刷電動機的轉(zhuǎn)速。整流電路的輸出除提供給直流電動機電源外，還通過DC-DC變換器獲得5V電源提供給單片機。系統(tǒng)設(shè)置一個2位的DIP開關(guān)，用于選擇給定轉(zhuǎn)速，有四個不同的給定轉(zhuǎn)速供選擇，以滿足不同運行狀態(tài)和不同額定轉(zhuǎn)速的電動機；按鍵K1用于顯示給定轉(zhuǎn)速，按下則顯示給定轉(zhuǎn)速，否則顯示實時轉(zhuǎn)速。4個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(jié)構(gòu)如圖2所示，是一個參數(shù)自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)，其輸入變量是轉(zhuǎn)速偏差e和轉(zhuǎn)速偏差變化率Δe，輸出變量是PWM脈寬調(diào)制信號占空比δ的增量Δδ。在進行輸入變量模糊化時，轉(zhuǎn)速偏差e在其論域（full set）上定義3個模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(N)、零(Z)和正(P)，其隸屬度函數(shù)分布如圖3(a)所示。轉(zhuǎn)速偏差變化率Δe在其論域上定義6個模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負大（NB）、負?。∟S）、負零（NZ）、正零（PZ）、正?。≒S）和正大（PB），其隸屬度函數(shù)分布如圖3(b)所示。轉(zhuǎn)速偏差e的模糊集只簡單的劃分為3個，而轉(zhuǎn)速偏差變化率的模糊集卻劃分為6個，一方面是考慮模糊控制器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題[3]，優(yōu)化后的模糊控制系統(tǒng)只有18條模糊規(guī)則；另一方面是滿足控制精度的要求，根據(jù)直流電動機的運行特點，在控制時為了達到控制精度的要求，有時更注重轉(zhuǎn)速偏差變化率。采用這樣的結(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速偏差變化率比較小時獲得精細調(diào)節(jié)。輸出量PWM占空比增量Δδ的模糊化，要充分考慮到電動機轉(zhuǎn)速響應(yīng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標的協(xié)調(diào)。為了使轉(zhuǎn)速偏差較大時電機能快速響應(yīng)，而在轉(zhuǎn)速偏差較小時又不至于產(chǎn)生較大的超調(diào)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個模糊集，相應(yīng)語言變量為負大(NB)、負小（NS）、零(Z)、正小(PS)和正大（PB），其隸屬度函數(shù)分布如圖4(a)所示；另一種方案的隸屬度函數(shù)采用單線形。兩種方案由模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差量的大小進行自動切換。解模糊化（defuzzification）采用加權(quán)平均的重心法。

參數(shù)自調(diào)整原則

圖2所示的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器可以提高模糊控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku對模糊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性均有較大的影響。一般來說，Ke和Kec越大，系統(tǒng)的控制精度越高，但大偏差范圍分辯率相應(yīng)提高，可能導致系統(tǒng)超調(diào)，調(diào)節(jié)時間增加，動態(tài)特性變差。增大Ku可以提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，減少Ku能減少超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。因此，參數(shù)自調(diào)整的一般原則為：當偏差或偏差變化率較大時，Ke和Kec取較小值，Ku取較大值，這樣可以保證系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性；當偏差或偏差變化率較小時，Ke和Kec取較大值，Ku減小，這樣可以避免產(chǎn)生超調(diào)，并使系統(tǒng)盡快進入穩(wěn)態(tài)精度范圍。

控制軟件

控制系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖5所示 。模糊控制器的初始化實際上是取出以表格形式存放在程序存儲器的模糊控制規(guī)則，以初始的比例因子進行模糊判決后，將得出的控制數(shù)值以表格形式存放在RAM中，使用時可通過一個查表子程序直接提取，以滿足實時控制系統(tǒng)的快速要求。若運行中比例因子自調(diào)整，只需要做簡單的計算可獲得新值；同時，還可以在不改變程序的情況下，將控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同參數(shù)的直流電動機。

實驗

取直流電動機系統(tǒng)的模型為：

G(s)=K/s(Tm+1)(Tμ+1)

式中，K為放大系數(shù)，Tm為機電時間常數(shù)，Tu為小時間常數(shù)之和。

采用MATLAB進行仿真實驗，具體仿真方法見文獻[4]。仿真時所有的變量進行了歸一化，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）和圖5（b）為Tm=0.4和Tu=0.02時模糊參數(shù)自調(diào)整和參數(shù)固定的兩種仿真結(jié)果，圖5（c）為系統(tǒng)參數(shù)變化為Tm=0.5和Tu=0.02時模糊參數(shù)自調(diào)整的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，該模糊參數(shù)自調(diào)整直流電動機控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、動態(tài)性能好、超調(diào)小、控制精度較高的特點；同時，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大變化時系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)特性變化不大，說明具有良好的魯棒性。

實驗室試運行也表明該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

結(jié)語

將高性能、高集成度并提供PWM信號的單片微處理器PIC16C63應(yīng)用于中小功率的直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和高可靠性等優(yōu)點，在結(jié)合采用參數(shù)自調(diào)整的模糊控制技術(shù)，使系統(tǒng)具有較高控制精度、良好的動態(tài)特性和魯棒性，使設(shè)計也變得較為簡單。該系統(tǒng)直接使用220V市電，其調(diào)速方案稍加改進和工藝化，便可以在許多現(xiàn)代化家用電器中廣泛應(yīng)用；如果將電機換成交流驅(qū)動的通用電機，并配以雙向可控硅控制電路，則該方案的應(yīng)用前景將更為廣闊[5]。