直流无刷电机的模糊PI速度控制
基于模糊优化的PID直流无刷电机控制
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]。
基于无刷直流电动机调速系统的混合模糊PID控制
基于无刷直流电动机调速系统的混合模糊PID控制0 引言无刷直流电动机(BLDCM)结构简单、运行可靠、没有火花、电磁噪声低，广泛应用于航空航天、机器人、交通、煤矿自动化和工业自动化等领域。
传统的调速系统为PID模拟控制系统，结构简单，但是其控制要想达到很好的控制效果必须调整好P、I、D三者之间的关系，但是这种关系又不是简单的线性关系，而模糊控制具有很强的非线性映射功能，可是简单实用的模糊控制器又难以达到较高的控制精度。
若要综合两种优势，则需要将模糊控制与PID控制结合在一起，本文在模糊控制与PID控制相结合的智能控制方法基础上，增加一个模糊变积分环节，控制器的输出为两分量之和，这样既能保留经典控制器的特性，又能增加模糊控制器快速响应的特点，完善了传统的PID控制。
仿真实验表明，这种方法具有比单纯的模糊PID方法更好的动、静态性能，并提高了系统的鲁棒性，系统取得了较好的控制效果。
1 无刷直流电动机的数学模型定子绕组产生的电磁转矩为由式(2)可以看出，BLDCM电磁转矩公式与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制电磁转矩。
为产生恒定电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，两者应严格同步。
运动方程为式中：Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B阻尼系数;ω为电机机械转速：J电机的转动惯量。
2 控制方法设计2.1 模糊PI智能控制方案传统BLDCM调速系统应用的是单纯的PID控制器，其动态抗扰性能较差，故文献进一步改进了PID控制器，在速度环中将模糊控制器和PID控制器复合控制，成为二维模糊控制，构成新型调速控制系统，这种控制器的优点是综合了PID和模糊控制的优点，并且控制智能化，但是这种结构的缺点就是存在着切换“毛刺”。
1983年W.L.Bialkowski提出了混合型模糊PID控制器：在二维模糊控制器的基础上叠加常规积分控制器，将模糊控制器的输出与积分控制器的输出相叠加作为混合型控制器的总输出，此种控制器的优点是可以消除极限环振荡，也可消除误差，但是不足是积分控制器的参数相对固定，不能满足自适应调节，为了取得更好的控制效果，可将控制器改进，结构如图1。
无刷直流电机变论域模糊PI控制系统研究
第37卷第12期计算机仿真2020年12月文章编号：1006 -9348(2020)12 -0214 -05无刷直流电机变论域模糊P I控制系统研究司陆军，黄巧亮(江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)摘要:针对采用传统P I控制算法的无刷直流电机调速系统存在超调量大、响应时间长、抗干扰性能差等问题，在模糊P I控 制算法的基础上，引入变论域的思想，改进了传统模糊P I控制算法，给出一种变论域模糊P1控制算法，通过一种模糊推理 型伸缩因子实现论域可变性，使得初始设置的模糊规则可以根据系统误差的变化实时做出调整，并将其应用到无刷直流电 机矢量控制系统的速度环中。
实验结果证明，基于变论域模糊P I控制的无刷直流电机矢量控制系统响应速度快、转矩脉动 小、抗干扰能力强且具有较强的鲁棒性。
关键词：无刷直流电机;矢量控制;变论域;伸缩因子中图分类号:TP273 + .4 文献标识码：BBrushless Direct Current Motor of VariableUniverse Fuzzy PI controlSI Lun -jun,H U AN G Qiqo -liang(School of Electronic Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu212003, China)A B S T R A C T：Aiming at the shortcomings of speed regulation system of brushless DC motor using traditional PI control algorithm,such as large overshoot,long response time and poor anti- interference performance,this paper introduced the idea of variable universe based on fuzzy PI control algorithm,improved the traditional fuzzy PI control algo-rithm,presented a variable universe fuzzy PI control algorithm,realized the universe variability by scaling factor,and built up the initial set of model.Fuzzy rules can be adjusted in real time according to the variation of system error, and applied to the speed loop of vector control system of brushless DC motor.The experimental results show that the vector control system of BLDCM based on variable universe fuzzy PI control has fast response speed,small torque ripple,strong anti- interference ability and robustness.K E Y W O R D S：Brushless DC motor；Vector control；Variable universe；Contraction expansion factor1引言无刷直流电机（Brushless DC Motor,BLDCM)具有结构 简单、运行可靠、调速性能好、效率高等优点，被广泛应用于 轨道交通、航空航天、家用电器及工业控制等诸多领域[1]。
模糊自适应PI控制在直流无刷电动机调速系统的应用
模糊自适应PI控制在直流无刷电动机调速系统的应用胡发焕;唐军;邱小童【摘要】在分析直流无刷电动机的工作原理和数学模型的基础上,提出基于速度环和电流环的双环控制模式,在速度环中采用模糊自适应PI控制方式,在电流环中采用传统的PID控制方式.实验表明,与传统PID控制方式相比,采用模糊自适应PI控制,在负载或参数发生变化时,具有转速波动更小、鲁棒性更强的特点,是一种更优越的控制方法.%Based on analyzing the principle and mathematical model of the brushless DC motor, the paper proposes a control model on the basis of speed loop and current loop, self-adaption fuzzy PI control model is a-dopted in the speed loop, and traditional PID control model is used in the current loop. It is showed that when the load or parameters vary, comparing to traditional PID control model, the self-adaption fuzzy PI control model gets less fluctuation and better robustness.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】4页(P188-191)【关键词】模糊自适应控制;直流无刷电动机;PI控制器;智能控制【作者】胡发焕;唐军;邱小童【作者单位】江西理工大学机电工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学机电工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学应用科学学院,江西赣州 341000【正文语种】中文【中图分类】TM33目前直流无刷电动机（BLDCM）广泛应用于航空航天、军事、工业、医疗机械等诸多领域。
直流无刷电机的模糊PI速度控制
for tun ing the KIS param eter
ec ( t) e ( t)
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第 2期 张会林 ,胡爱军 ,李 静 ,等 :直流无刷电机的模糊 P I速度控制
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靠 、稳定 ,但它难以克服负载 、模型参数等发生大范围变化时以及非线性因素的影响. 因而无法满足高性 能 、高精度场合的要求.
基于模糊自适应PI控制的无刷直流电机无级调速系统
基于模糊自适应PI控制的无刷直流电机无级调速系统李聪;尹文庆;冯学斌;张祎【摘要】针对传统PID控制策略对电机转速控制响应速度慢、控制精度低,以及电机调速系统负载或参数变化时很难达到预期效果等问题,提出了新型模糊自适应PI 控制策略,并对该策略在无刷直流电机调速系统中的应用进行了仿真研究；以TI公司的TMS320F2812为主控芯片,IR2136为驱动芯片搭建了无刷直流电机无级调速系统的硬件平台.试验分析结果表明,模糊自适应PI控制策略能加快电机调速系统的响应速度,具有稳定性好、精度高、鲁棒性强等优点,并得到了良好的控制效果,具有较高的应用价值.%In order to solve the problems of slow response, low control precision of the motor speed control, and traditional PID control strategy is difficult to achieve the expected effect when load or parameters of the motor speed system change, a new fuzzy adaptive PI control strategy was investigated, also, the simulation was studied to this strategy in the applications of brushless DC motor speed control system. The TI company s TMS320F2812 was considered as the main control chip, and the IR2136 was taken as the drive chip to design the hardware platform on stepless speed regulation system of brushless DC motor. The experimental results show that the fuzzy adaptive PI control strategy can speed up the response speed of motor speed control system, and it has good stability , high precision, and strong robustness, so it gets a good control effect, has a high application value.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)001【总页数】5页(P49-52,73)【关键词】无刷直流电机;模糊自适应PI控制;数字信号处理器;无级调速系统【作者】李聪;尹文庆;冯学斌;张祎【作者单位】南京农业大学工学院,江苏南京210031;南京农业大学工学院,江苏南京210031;南京农业大学工学院,江苏南京210031;南京农业大学工学院,江苏南京210031【正文语种】中文【中图分类】TH39;TH33;TP272无刷直流电机是随着电机技术的迅速发展而发展起来的新型直流电机，已经在机器人、电动车辆、医疗设备等很多领域取得了广泛的应用［1］。
模糊自适应PI控制在直流无刷电动机调速系统的应用
转 磁 场 的相对 位置 ， 驱 动 电路 提供 参 照信 号 。无 刷 为
电动 机为 了实 现无 刷 换 相 ， 直 流 电动 机 的 电枢 绕 组 把
能控制中最常用 的方法之一 ， 它不依赖于控制系统的 精确 数 学模 型 ， 对 系统参 数 的变化 不 敏感 ， 有快 速 且 具
０ ２ 相 电阻 ２ ４ 机 械时 间常数 ７ ４ ｓ转 子 ． ６ｍＨ， ． ７ｎ， ． ４ｍ ， 惯 量 １ ９ｇ・ ｍ 。本 文设 计 的模 糊控 制器 输 入 、 出 １ ｃ 输
图 １ 直 流无刷 电动机模 糊Ｐ 控制 系统框 图 Ｉ
豢 等 ｕ幂朋 Ｉ口 ‘ 平
ａ ｃ ｎｒ ｌｍ ｏ ｌｏ ｈ ａ ｉ ｆｓ ｅ ｏ ｐ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｔｌ ｏ ｏ ｔｏ ｄｅ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓｓ ｏ ｐｅ ｄ ｌｏ ｎ ｕ ｒ ｎ ｏ ｐ， ｓ ｌ－ａ ａ ｔｏ ｕｚｙ ＰＩｃ ｎ ｒ ｌｍ ｏ ｌｉ — ｅｆ ｄ ｐ ｉｎ ｆ ｚ ｏ ｔｏ ｄｅ ｓ ａ
关键 词 ： 模糊 自适应 控 制 直流 无刷 电动 机 中图分 类号 ： Ｍ３ Ｔ ３ 文献 标识 码 ： Ａ Ｐ 控 制器 Ｉ 智能控 制
Ａｐ ｌ ａ ｉｎ ｏ ｕ ｚ ｅｆ ａ ａ ｔ ｎ ＰＩ ｏ ｔｏ ｎ ｂ ｕ ｈｅ ｓ ＤＣ ｐｉ ｔ ｆ ｚ ｙ ｓ ｌ ｄ ｐ ｉ ｎ ｒ ｌ ｒ ｓ ｌｓ ｃ ｏ ｆ － ｏ ｃ ｏ ｍｏ ｏ ｐ ｅ ｅ ｕａ ｉｇ ｓ ｓ ｅ ｔ ｒｓ ｅ ｄ ｒ ｇ ｌｔ ｙ ｔ ｍ ｎ Ｈ ａｕ ｎ Ｔ Ｎ ｕ ， Ｉ ｉ ｔ ｇ Ｕ Ｆ ｈ ａ ， Ａ Ｇ Ｊ ｎ Ｑ Ｕ Ｘ ａ ｏ ② ｏｎ （ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈｎｃｌ Ｅ ｅｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊ ｎ ｘ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ① ｃ ｏｌ ｆＭ ｃ ａｉａ ＆ ｌ ｒ ａ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ｇｉ ｎｖ ｓｙｏ ｃｉ ｎ ａ ｅ ｔ
基于改进型模糊自整定PI控制的无刷直流电机PLC调速系统
基于改进型模糊自整定PI控制的无刷直流电机PLC调速系统刘向辰1,张海燕2,陈磊$,柴乾隆1(1.中国航空工业兰州万里航空机电有限公司航空机电研究院，甘肃兰州730070；2.甘肃建筑职业技术学院环境与市政工程系，甘肃兰州730050；3.国家电网甘肃省电力公司武威市供电公司，甘肃武威733000)摘要：针对无刷直流电机(BLDCM)在中低速运行过程中，电机转速存在波动且动态调速特性较差的问题，提岀了一种将改进型模糊自整定PI控制与PLC相结合的BLDCM调速方案。
改进型模糊自整定PI控制在传统PI控制的基础上引入积分重置环节，既能够对参数进行实时调节，了控制过程中积分饱和的问题。
用Visual C++编写控制程序对PLC进行模程。
通过,了改进型方法在电机中低速运行过程中，具有响应速度快、稳定性好、无超调。
关键词：无刷直流电机；模糊自整定PI控制；PLC；Visual C++中图分类号：TM341文献标志码：A文章编号：1673-6540(2020)06-0012-05doi：10.12177/emca.2020.023PLC Speed Control System Based on Advanced FuzzySelf-Tuning PI Control for BrusUless DC MotorLIU Xiangchen1，ZHANG Haiyan2，CHEN Lei3，CHAI Qianlong1(1.Research Institute of Aviation Mechanical and Electrical Engineering，A V IC Lanzhou Wanls AviationElectromechanical Co.，Ltd.，Lanzhou730070，China；2.Departmeni of Environmental and Municipal Engineering，Gansu ConstructionVocational Technical College,Lanzhou730050，China；3.Stati Grid Gansu Wuwei Powec Supply Company，Wuwei733000，China)Abstract:In order to solvv the problem of speed fluctuation and poor dynamia speed cgulation characteristia of brushless DC motor(BLDCM)in the low or medium speed status，a control siategy combining advvnced fuzzy selltuning PI control and PLC is proposed for BLDCM speed reeulation.On the basis of traditional PI controller，the advvnced fuzzy PI controe strateey inteerates the intearal reset link with PI controllec，which can not on]y adjust the parametero in oc I lime，but also avoid the problem of intearal saturation in the controe process.The PLC is proorammed by Visual C++ .Experiment resultr prow that，the proposed€0x001strateey has the advvntages of fast responss，good stability and non-overshoot when the motoc is running in the low oc medium speed range.Key worUs:brusUles s DC motor；fuzzy self-tening PI control；PLC；Visual C++0引言无刷直流电机(BLDCM)依靠电子换向代替了传统的机向，流电机和有刷直流电机在性性方有了大幅度的提，电机的方向之一⑴2*。
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微型调速气泵的模糊PI速度控制
摘要：本文探究配置直流无刷电机的可调速微型气泵的一种控制模式，在分析微型气泵电机数学模型的基础上，将模糊控制与传统的PID控制相结合，设计了模糊PI微型气泵无刷电机的速度控制器，并应用于调速伺服系统。
通过对应用最广的“气海”品牌微型调速气泵VLK5005等多种型号的仿真实验表明，用模糊PI控制器代替普通的PI控制器，可以使调速气泵BLDC的整体性能得到显著改善，是高性能调速气泵BLDC调速系统开发的一个重要方向。
关键词：模糊PI控制，微型调速气泵，直流无刷电机，智能控制
引言
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展，配置无刷直流电机(BLDC)的微型气泵（调速气泵）得以迅速推广，目前国内著名的气海品牌已经占据非常大的市场份额。
当微型气泵BLDC调速系统用于要求调速性能、控制精度较高的场合时(如机器人、航天航空、精密电子仪器设备等)，调速气泵BLDC的快速性、稳定性以及鲁棒性是衡量其性能优劣的
重要指标。
而微型调速气泵BLDC是一个多变量、强耦合、非线性、时变的复杂系统，当系统负载或参数发生变化时，传统的PI控制将难以达到设计的预期效果。
因此在这类高度非线性的系统中，采用智能控制方法则是极有前景的，它具有提高系统快速性、稳定性和鲁棒性的潜力。
模糊控制是智能控制中最常用的方法之一，它不依赖于控制系统的数学模型。
对系统参数的变化不敏感。
具有快速性及鲁棒性强的特点，因此很适合微型调速气泵BLDC控制系统的要求。
本文采用基于模糊PI控制器的速度控制方法，对无刷直流微型调速气泵进行速度控制。
它能发挥模糊控制鲁棒性能强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点，又具有PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。
对其进行仿真结果表明，该方法能取得良好的控制效果。
1、模糊控制器在微型调速气泵BLDC调速系统中的应用
常见的微型气泵BLDC控制系统采用双闭环控制，即速度环、电流环控制。
传统上采用PI控制，结构简单、可靠、稳定，但它难以克服负载、模型参数等发生大范围变化时以及非线性因素的影响。
因而无法满足高性能、高精度场合的要求。
而自适应PI控制器则结构复杂、计算量大、实时性差，在快速运动控制中受到一定的限制。
将模糊控制器直接用于微型调速气泵BLDC 速度控制，则可以充分发挥模糊控制器适应于非线性时变系统、滞后系统的优点。
取得好的控制效果和强的鲁棒性，且因不需建
立被控对象的精确数学模型。
设计较方便。
2、调速气泵电机的数学模型
以二相导通星形三相六状态为例，分析调速气泵无刷直流电机的数学模型”及电磁转矩等特性。
为了便于分析反应等的影响；电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。
三相绕组的电压平衡方程可表示为：
式中Ua、Ub、Uc为定子相绕组电压(V)；ia、ib、ic为定子相绕组电流(A)；ea、eb、ec为定子相绕组电动势(V)；L为每相绕组的自感(H)；M为每两相绕组间的互感(H)；P为微分算子P=d/dt。
三相绕组为星形连接，且没有中线，则有
3、微型调速气泵无刷电机的模糊控制器
3.1微型调速气泵电机系统结构图
系统采用双闭环控制系统，即速度环、电流环。
电流环用传统的PI调节器就可达到满意效果。
为了提高系统的快速响应性能，现考虑由基于模糊控制理论设计的控制器来代替传统的PI 调速器。
模糊速度控制器用参数可调的模糊基函数表示，其输人为转速偏差和偏差变化率。
其输出在线实时调整模糊速度控制器模糊基函数的参数。
3.2模糊PI控制器
微型调速气泵速度模糊PI控制器的输入变量有两个，分别为速度偏差e(t)和速度偏差的变化率ec(t)。
模糊控制器的输出为Kps、Kis来调节PI控制器的比例增益Kp(Kp=Kps×Kpp)和积分增益Ki(Ki=Kis×Kip)，其中Kpp、Kip为预先给定的值，通常为1。
其模糊控制规则的制定原则如下：
1)在稳态时。
若微型调速气泵BLDC的转速由于系统参数的变化而发生波动，则同时调节比例增益及积分增益，转速保持恒定：2)当系统响应时间较长时，则同时增加比例增益及积分增益，以减小响应时间。
根据BLDC的转速2000rpm，可确定误差e的实际论域范围为[-2000，2000]，误差变化率de／的实际论域范围为[-2.5×10j，2.5x10j]。
对论域进行模糊化，把输入和输出量都量化到[-5，-4-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5]这样一个区间，对应的模糊子集为NL、
NM、NS、ZO、PS、PM、PL。
根据专家知识，建立合适的模糊规则库，Kps、Kis对应的控制规则表如表1、表2所示。
根据上面的模糊控制规则进行计算，采用面积平分法解模糊，就可以得到Kps、Kis。
参与调整系统PI控制器的比例增益Kp(Kp=Kps×Kpp)和积分增益Ki(Ki=Kis×Kip)
4、结论
根据上面建立的系统模型进行仿真，得到的仿真结果如图2、图3如示。
其中，仿真试验中用的微型调速气泵说明如下：型号VLK5005-12V（进口完整版），气海品牌，电压12V直流，负载电流＜360mA，空载峰值流量5L/min，绝对真空度50KPa。
对比图4、图5可以看出：当调速气泵参考转速为1000rpm 时，普通PI控制响应时间为1200ms，超调为5％；模糊PI控制下系统响应快速平稳，响应时间为880ms，调节时间较普通PI 控制大幅缩短，并且没有超调，这在实际的过程控制中有着重要的意义。
模糊PI控制的微型气泵调速系统具有很快的响应速度，且在给定速度发生变化的情况下具有很强的转速跟踪能力；同时结合了模糊语言特性的自适应控制系统减小了电流的脉动，提高了系统的性能。
后来在对VLC7602、FAY6003微型调速气泵的仿真试验中也了证实上述结论。