摘要：為提高無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性，利用擾動觀測器對外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動進(jìn)行估計并加以補償，利用模糊自適應(yīng)控制器實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，以適應(yīng)因系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化引起的擾動。仿真和實驗表明，所設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)對系統(tǒng)負(fù)載擾動和參數(shù)變化的魯棒性較好，并具有較高的速度跟蹤精度。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；魯棒性；擾動觀測器；模糊自適應(yīng)控制；仿真；實驗引言由于轉(zhuǎn)動慣量和相電阻的變化、電樞反應(yīng)等因素，無刷直流電機是一種多變量強耦合的非線性系統(tǒng)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)。傳統(tǒng)的控制過于依賴被控對象的模型參數(shù)，無法滿足高精度場合的控制要求。因此，現(xiàn)代控制理論，如模糊控制、模型參考自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等被用于無刷直流電機的控制【3-5]。
模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗?zāi)Ｐ突�，不需要控制系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型；對系統(tǒng)的內(nèi)外干擾和參數(shù)攝動魯棒性非常強，且結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速，因此很適合無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的要求。本文將模糊自適應(yīng)控制策略引入無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，通過合理設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器，以期提高調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性和速度跟蹤精度。
數(shù)學(xué)模型以三相星型連接無刷直流電機為例，電機的狀態(tài)方程為：
根據(jù)式(1)建立基于導(dǎo)通兩相的電機線電壓平衡方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
素。把輸入和輸出量都量化到[一3，一2，一l，0．，2，3]這樣一個區(qū)間，對應(yīng)的模糊子集為NB、、Ns、zO、Ps、PM、PB。模糊化過程中，e、和Kp、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)均服從三角函數(shù)分布。
模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計的核心是模糊推理規(guī)則。該規(guī)則是將專家的經(jīng)驗和操作者的技能加以總結(jié)而得出的模糊條件語句的集合。本文中采用類型的模糊邏輯推理，包含具有式形式的模糊蘊涵關(guān)系。模糊自適應(yīng)控制器采用離線進(jìn)行模糊推理產(chǎn)生模糊規(guī)則表，然后把模糊規(guī)則表存儲在計算機中進(jìn)行在線查表控制。
，通過模糊推理得到的輸出是一個模糊集合，在實際使用中要用確定的值才能去控制執(zhí)行機構(gòu)，這就需要反模糊化。本文采用最常用的加權(quán)平均法進(jìn)行反模糊化，得到Kp、Ki、Kd的值。
總之，模糊自適應(yīng)控制是建立在傳統(tǒng)PID算法基礎(chǔ)上的，只是Kp、Ki、Kd不再是固定的常數(shù)，而是隨e、ec的變化而在線調(diào)整，以實現(xiàn)在不同工況和各種擾動情況下對系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
仿真分析和實驗結(jié)果基于以上分析，所設(shè)計的無刷直流電機魯棒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示�？梢园l(fā)現(xiàn)，對于外部的負(fù)載擾動，在圖3中被一個由擾動觀測器構(gòu)成的內(nèi)環(huán)所包圍，經(jīng)擾動觀測器估計并進(jìn)行了補償，提高了控制系統(tǒng)對外部擾動的魯棒性。因電機參數(shù)變化引起的系統(tǒng)內(nèi)部擾動也被模糊自適應(yīng)控制器通過PID參數(shù)的在線自整定得到了抑制，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的魯棒性。
�。�1仿真研究與分析將本文提出的魯棒性沒計方法應(yīng)用于一臺無刷
響應(yīng)曲線和速度波形的仿真結(jié)果。從圖4(a)可以看出，突加負(fù)載后，該觀測器能在較短的時間內(nèi)準(zhǔn)確觀測到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。圖4(b)說明，該控制系統(tǒng)因負(fù)載擾動引起的速度波動小且能在較短時間內(nèi)回復(fù)到平衡狀態(tài)，這是由于擾動觀測器快速跟蹤了負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動，在其明顯影響轉(zhuǎn)速輸出之前，通過轉(zhuǎn)矩前饋環(huán)節(jié)預(yù)先加以補償，故具有較好的魯棒性。
仿真用以模擬電機實際運行中，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小、分布擾動等引起的轉(zhuǎn)動慣量變化對系統(tǒng)造成的影響。
由圖可知，由于轉(zhuǎn)動慣量的減小，速度曲線出現(xiàn)了超調(diào)，但由于模糊自適應(yīng)控制器對PID參數(shù)的自動調(diào)整能力，速度響應(yīng)曲線迅速回復(fù)至平衡狀態(tài)，調(diào)整過程持續(xù)時間很短。圖5表明了該控制系統(tǒng)對電機參數(shù)變化造成的擾動不敏感，魯棒性強。
4．2實驗結(jié)果實驗采用TMS320F2812為控制芯片的實驗平臺，由DSP、IPM、電流檢測、轉(zhuǎn)子位置檢測電路等構(gòu)成。為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的速度跟蹤效果，以正弦曲線作為速度給定信號，其速度跟蹤曲線如圖6所示。由圖可知，本文設(shè)計系統(tǒng)的速度跟蹤響應(yīng)快速且平穩(wěn)，無明顯超調(diào)，跟蹤效果較好。
5.結(jié)語
無刷直流電機控制系統(tǒng)利用基于擾動觀測器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋補償技術(shù)提高了系統(tǒng)對外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動的魯棒性；對因電機本體參數(shù)變化等因素造成的內(nèi)部擾動，設(shè)計了模糊自適應(yīng)魯棒控制器進(jìn)行有效抑制，使系統(tǒng)的魯棒性得以進(jìn)一步提高。仿真和實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)外干擾均有較好的魯棒性，且具有調(diào)節(jié)時間快速，速度跟蹤精度高的控制效果。
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