基于模糊控制的直流无刷电机调速系统*

摘要：本文介绍了一种基于参数自调整的模糊控制单片机直流无刷电动机调速系统。系统采用高性能的八位嵌入式单片微处理器PIC16C63，使硬件结构简洁、可靠；采用参数自调整模糊控制器，使系统具有较高的控制精度和良好的鲁棒性。

    关键词：参数自调整模糊控制  嵌入式单片微处理器  直流无刷电机调速系统引言

    传统PID控制的电机调速系统技术成熟，结构简单，较稳定可靠，应用较为广泛，但也存在一些缺点，例如无法有效地克服传动对象和负载参数的大范围变化以及非线性因素对系统造成的影响，因而不能满足高性能和高精度的要求。随着模糊控制技术的成熟，应用越来越广泛，人们也开始将它应用于电机调速中。使用模糊控制技术后，能充分利用其非线性结构自寻优等各种功能，从而显著提高系统的鲁棒性（robustness）。此外，由于不需要建立被控对象的精确数学模型，系统的设计也变得较为简便。本文研究的这种新型电机调速系统，用模糊控制器替代传统的PID调节器，能明显改善系统的稳态和动态性能，有较好的控制效果[1]。

系统硬件结构

    系统硬件结构如图1所示。系统主要由单片微机PIC16C63、显示器、整流电路、直流变换、斩波电路、转速检测电路、直流无刷电动机（额定电压48V，额定转速2000r/min）等组成。

    PIC16C63是MICROCHIP公司的8位CMOS单片微处理器；只有35条基本指令；片内有三个多功能输入输出I/O口RA、RB和RC，其中RB、RC口为8位，RA口为5位，可直接驱动LED；3个带8位可编程预分频器的8位定时/计数器；2个CCP（捕获/比较/PWM）模块，可输出PWM信号（从RC2/CCP1和RC1/CCP2引脚输出）；192字节通用RAM，4096×14位EPROM；数字式的看门狗电路DWD；10个内部和外部中断源；程序代码加密保护；使用最高晶振20MHz；电源范围2.5～6.25V[2]。

    设置CCP1模块工作于PWM方式。把脉宽值置入CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:4>，RC2/CCP1引脚可输出高达10位的脉宽调制波形。当每次将CCPR1L中的数据再载入CCPR1H时，RC2/CCP1输出高电平；当定时/计数器TMR2的计数值等于CCPR1H的值时，RC2/CCP1输出低电平，产生脉宽。TMR2继续递增，直至计数值等于周期寄存器PR2的值，此时RC2/CCP1输出高电平，产生PWM周期，同时使CCPR1L再载入CCPR1H，如此周期循环，产生PWM信号。PWM输出周期和脉宽的计算公式如下：

    PWM周期=[（PR2）+1]*4TOSC*（TMR2预分频值）

    PWM脉宽=（DC1）*4TOSC*（TMR2预分频值）

    式中的DC1的值由8位的CCPR1L和CCP1CON<5:4>2位组成。由此若PWM周期确定后，要获得不同占空比的PWM信号，只要改变DC1的值即可。

    系统的基本工作原理为：转速由霍尔位置传感器检测，测得的实际转速与给定速度进行比较，将输入变量模糊化（fuzzification）后进行模糊推理，产生相应的PWM信号从RC2/CCP1引脚输出。图1中，当RC2/CCP1输出低电平时，六只MOSFET仍受RA口控制进行电动机的正常换相；当RC2/CCP1输出高电平时，下半部的三只MOSFET被封死。因此，只需对RC2/CCP1的输出进行PWM控制，就可以控制直流无刷电动机的转速。整流电路的输出除提供给直流电动机电源外，还通过DC-DC变换器获得5V电源提供给单片机。系统设置一个2位的DIP开关，用于选择给定转速，有四个不同的给定转速供选择，以满足不同运行状态和不同额定转速的电动机；按键K1用于显示给定转速，按下则显示给定转速，否则显示实时转速。4个LED显示器组成了显示电路。

模糊控制器

    模糊控制方法

    模糊控制器结构如图2所示，是一个参数自调整的模糊控制系统，其输入变量是转速偏差e和转速偏差变化率Δe，输出变量是PWM脉宽调制信号占空比δ的增量Δδ。在进行输入变量模糊化时，转速偏差e在其论域（full set）上定义3个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负(N)、零(Z)和正(P)，其隶属度函数分布如图3(a)所示。转速偏差变化率Δe在其论域上定义6个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负大（NB）、负小（NS）、负零（NZ）、正零（PZ）、正小（PS）和正大（PB），其隶属度函数分布如图3(b)所示。转速偏差e的模糊集只简单的划分为3个，而转速偏差变化率的模糊集却划分为6个，一方面是考虑模糊控制器的结构优化问题[3]，优化后的模糊控制系统只有18条模糊规则；另一方面是满足控制精度的要求，根据直流电动机的运行特点，在控制时为了达到控制精度的要求，有时更注重转速偏差变化率。采用这样的结构可使系统在转速偏差变化率比较小时获得精细调节。输出量PWM占空比增量Δδ的模糊化，要充分考虑到电动机转速响应的暂态和稳态指标的协调。为了使转速偏差较大时电机能快速响应，而在转速偏差较小时又不至于产生较大的超调量，输出变量Δδ的模糊化采取两种方案，一种方案的模糊化定义5个模糊集，相应语言变量为负大(NB)、负小（NS）、零(Z)、正小(PS)和正大（PB），其隶属度函数分布如图4(a)所示；另一种方案的隶属度函数采用单线形。两种方案由模糊控制器根据转速偏差量的大小进行自动切换。解模糊化（defuzzification）采用加权平均的重心法。

参数自调整原则

    图2所示的参数自调整模糊控制器可以提高模糊控制系统的动、稳态性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku对模糊系统的稳态特性和动态特性均有较大的影响。一般来说，Ke和Kec越大，系统的控制精度越高，但大偏差范围分辩率相应提高，可能导致系统超调，调节时间增加，动态特性变差。增大Ku可以提高系统的控制精度和响应速度，减少Ku能减少超调，提高系统稳定度。因此，参数自调整的一般原则为：当偏差或偏差变化率较大时，Ke和Kec取较小值，Ku取较大值，这样可以保证系统的快速性和稳定性；当偏差或偏差变化率较小时，Ke和Kec取较大值，Ku减小，这样可以避免产生超调，并使系统尽快进入稳态精度范围。

控制软件

    控制系统软件的主程序流程图如图5所示 。模糊控制器的初始化实际上是取出以表格形式存放在程序存储器的模糊控制规则，以初始的比例因子进行模糊判决后，将得出的控制数值以表格形式存放在RAM中，使用时可通过一个查表子程序直接提取，以满足实时控制系统的快速要求。若运行中比例因子自调整，只需要做简单的计算可获得新值；同时，还可以在不改变程序的情况下，将控制系统应用于不同参数的直流电动机。

实验

    取直流电动机系统的模型为：

    G(s)=K/s(Tm+1)(Tμ+1)

    式中，K为放大系数，Tm为机电时间常数，Tu为小时间常数之和。

    采用MATLAB进行仿真实验，具体仿真方法见文献[4]。仿真时所有的变量进行了归一化，仿真结果如图5所示。图5（a）和图5（b）为Tm=0.4和Tu=0.02时模糊参数自调整和参数固定的两种仿真结果，图5（c）为系统参数变化为Tm=0.5和Tu=0.02时模糊参数自调整的仿真结果。由仿真结果可知，该模糊参数自调整直流电动机控制系统具有调节速度快、动态性能好、超调小、控制精度较高的特点；同时，在系统参数发生较大变化时系统的动、稳态特性变化不大，说明具有良好的鲁棒性。 

    实验室试运行也表明该控制系统具有良好的控制性能。

结语

    将高性能、高集成度并提供PWM信号的单片微处理器PIC16C63应用于中小功率的直流无刷电机调速系统，具有系统结构简单、成本低廉和高可靠性等优点，在结合采用参数自调整的模糊控制技术，使系统具有较高控制精度、良好的动态特性和鲁棒性，使设计也变得较为简单。该系统直接使用220V市电，其调速方案稍加改进和工艺化，便可以在许多现代化家用电器中广泛应用；如果将电机换成交流驱动的通用电机，并配以双向可控硅控制电路，则该方案的应用前景将更为广阔[5]。