基于模糊控制的直流無(wú)刷電機(jī)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(jī)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)引言

傳統(tǒng)PID控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較穩(wěn)定可靠，應(yīng)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(duì)象和負(fù)載參數(shù)的大范圍變化以及非線(xiàn)性因素對(duì)系統(tǒng)造成的影響，因而不能滿(mǎn)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(lái)越廣泛，人們也開(kāi)始將它應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速中。使用模糊控制技術(shù)后，能充分利用其非線(xiàn)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(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也變得較為簡(jiǎn)便。本文研究的這種新型電機(jī)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(dòng)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(jī)PIC16C63、顯示器、整流電路、直流變換、斬波電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（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(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(qū)動(dòng)LED；3個(gè)帶8位可編程預(yù)分頻器的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；2個(gè)CCP（捕獲/比較/PWM）模塊，可輸出PWM信號(hào)（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(mén)狗電路DWD；10個(gè)內(nèi)部和外部中斷源；程序代碼加密保護(hù)；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(dá)10位的脈寬調(diào)制波形。當(dāng)每次將CCPR1L中的數(shù)據(jù)再載入CCPR1H時(shí)，RC2/CCP1輸出高電平；當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器TMR2的計(jì)數(shù)值等于CCPR1H的值時(shí)，RC2/CCP1輸出低電平，產(chǎn)生脈寬。TMR2繼續(xù)遞增，直至計(jì)數(shù)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(hào)。PWM輸出周期和脈寬的計(jì)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(hào)，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(cè)，測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)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(yīng)的PWM信號(hào)從RC2/CCP1引腳輸出。圖1中，當(dāng)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(jī)的正常換相；當(dāng)RC2/CCP1輸出高電平時(shí)，下半部的三只MOSFET被封死。因此，只需對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速。整流電路的輸出除提供給直流電動(dòng)機(jī)電源外，還通過(guò)DC-DC變換器獲得5V電源提供給單片機(jī)。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)2位的DIP開(kāi)關(guān)，用于選擇給定轉(zhuǎn)速，有四個(gè)不同的給定轉(zhuǎn)速供選擇，以滿(mǎn)足不同運(yùn)行狀態(tài)和不同額定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)；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(shí)時(shí)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示，是一個(gè)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(hào)占空比δ的增量Δδ。在進(jìn)行輸入變量模糊化時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差e在其論域（full set）上定義3個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語(yǔ)言變量為負(fù)(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(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語(yǔ)言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、負(fù)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(jiǎn)單的劃分為3個(gè)，而轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)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(mǎn)足控制精度的要求，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，在控制時(shí)為了達(dá)到控制精度的要求，有時(shí)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(shí)獲得精細(xì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的協(xié)調(diào)。為了使轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí)電機(jī)能快速響應(yīng)，而在轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)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(gè)模糊集，相應(yīng)語(yǔ)言變量為負(fù)大(NB)、負(fù)?。∟S）、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(xiàn)形。兩種方案由模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差量的大小進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku對(duì)模糊系統(tǒng)的穩(wěn)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(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(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，動(dòng)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(dāng)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(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性；當(dāng)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(diào)，并使系統(tǒng)盡快進(jìn)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(shí)際上是取出以表格形式存放在程序存儲(chǔ)器的模糊控制規(guī)則，以初始的比例因子進(jìn)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(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(tǒng)的快速要求。若運(yùn)行中比例因子自調(diào)整，只需要做簡(jiǎn)單的計(jì)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(tǒng)應(yīng)用于不同參數(shù)的直流電動(dòng)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)

取直流電動(dòng)機(jī)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(jī)電時(shí)間常數(shù)，Tu為小時(shí)間常數(shù)之和。

采用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，具體仿真方法見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。仿真時(shí)所有的變量進(jìn)行了歸一化，仿真結(jié)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(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T(mén)m=0.5和Tu=0.02時(shí)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、超調(diào)小、控制精度較高的特點(diǎn)；同時(shí)，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性變化不大，說(shuō)明具有良好的魯棒性。

實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行也表明該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

結(jié)語(yǔ)

將高性能、高集成度并提供PWM信號(hào)的單片微處理器PIC16C63應(yīng)用于中小功率的直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)態(tài)特性和魯棒性，使設(shè)計(jì)也變得較為簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)直接使用220V市電，其調(diào)速方案稍加改進(jìn)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(jī)換成交流驅(qū)動(dòng)的通用電機(jī)，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]。