使用模糊邏輯設(shè)計基于 DSP 的電機控制

變速驅(qū)動（VSD）電機為大幅降低能源消耗和對外國燃料的依賴帶來了希望。一種方法是使用數(shù)字信號處理器 (DSP) 為無刷直流 (BLDC) 電機等電機創(chuàng)建新一代基于 VSD 的控制器。

變速驅(qū)動（VSD）電機為大幅降低能源消耗和對外國燃料的依賴帶來了希望。一種方法是使用數(shù)字信號處理器 (DSP) 為無刷直流 (BLDC) 電機等電機創(chuàng)建新一代基于 VSD 的控制器。
然而，這些電機也面臨著挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)的比例、積分和微分 (PID) 控制器時，控制 BLDC 電機的電機速度非常復雜，因為它們依賴于復雜的數(shù)學模型并且計算量大。另一種方法是使用模糊邏輯 (FL) 算法來消除對復雜數(shù)學公式的需求并提供易于理解的解決方案。與 PID 控制器相比，F(xiàn)L 電機控制的開發(fā)周期也更短，因此上市時間也更快。本文討論使用 FL 算法通過 Texas INStruments c28xx 定點 DSP 系列控制 BLDC 電機的過程。
BLDC 控制模型開發(fā)
在構(gòu)造 FL 發(fā)動機之前，我們必須首先開發(fā)一個模型作為設(shè)計的基礎(chǔ)。FL 控制器使用啟發(fā)式知識并使用模型的語言描述來表達設(shè)計。我們不會從頭開始開發(fā)模型，而是使用 PID 控制器模型作為起點。一旦開發(fā)并實現(xiàn)，F(xiàn)L控制器就可以通過調(diào)整其參數(shù)來改進。
一般來說，開發(fā) FL BLDC 控制器有三個設(shè)計步驟：
1. 定義輸入、輸出和控制器的操作范圍。
2. 定義模糊隸屬度集函數(shù)和規(guī)則。
3. 調(diào)整發(fā)動機。

圖 1 顯示了 BLDC 控制器模型的框圖。

步是定義模型的相關(guān)輸入和輸出。輸入為誤差 (E)，即設(shè)定速度 (SS) 和當前速度 (CS) 之間的當前誤差。另一個輸入是誤差變化 (CE)，它是當前誤差與之前計算的誤差 (PE) 之間的差值。輸出是電樞電壓（CV）的變化，即當前電樞電壓（CAV）與先前電樞電壓（PAV）的存儲值之間的差值。得到的模型方程如下：
E = SS – CS
CE = E – PE
CV = CAV – PAV
電機速度單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM)，E 決定我們與目標速度的接近程度。因此，當E > 0 時，電機速度低于設(shè)定速度?；蛘撸珽 < 0 表示電機旋轉(zhuǎn)速度快于設(shè)定速度。CE 確定控制器的調(diào)整方向。當且僅當 (iff) 當前速度小于設(shè)定速度時，CE 為正?；蛘?，當且僅當當前速度大于設(shè)定速度時，CE 為負。當接近設(shè)定速度時，CE 在正值和負值之間交替。CV 是施加到電樞的激勵電壓。該電壓在實現(xiàn)中表示為脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比。
下一步是定義模糊隸屬度集函數(shù)、變量和規(guī)則。為了工作，非模糊（清晰）的輸入和輸出必須轉(zhuǎn)換為模糊的。轉(zhuǎn)換是通過使用語言變量來表示輸入和輸出范圍來執(zhí)行的。這些也稱為模糊變量。模糊變量用于劃分隸屬函數(shù)的值區(qū)域。例如，使用五個變量來映射輸入和輸出。它們是負中（NM）、負?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）和正中（PM）。該模型的輸入和輸出是由五個模糊變量在操作范圍內(nèi)描述的隸屬集函數(shù)。
FL 控制器不使用數(shù)學公式，而是使用模糊規(guī)則來做出決策并生成輸出；多么酷啊？FL 規(guī)則采用 IF-THEN 語句的形式。模糊規(guī)則決定系統(tǒng)行為，而不是復雜的數(shù)學方程。例如，如果誤差 (E) 等于 NM，誤差變化 (CE) 等于 PS，則電樞電壓 (CV) 的變化等于 NS。使用的規(guī)則數(shù)量基于設(shè)計者的經(jīng)驗和系統(tǒng)的知識。因此，對于我們的系統(tǒng)，使用的規(guī)則數(shù)量為 25 個，這是基于使用 PID 控制面的基本 PID 控制器模型。
為了給電樞通電，CV 模糊輸出必須轉(zhuǎn)換回清晰輸出。這個過程稱為去模糊化。 使用一種流行的去模糊方法，稱為重心法；稍后我將更詳細地討論它。
設(shè)計的一步是調(diào)整會員功能和規(guī)則。此階段也稱為調(diào)優(yōu)。調(diào)整用于提高 FL 控制器的性能。一旦設(shè)計完成，控制器就可以實施了。