1、基于 DSP 的无刷直流电机伺服系统自适应模糊控制策略的研究摘要：为提高无刷直流电机的控制效果，通过运用 TMS320C240芯片建立了无刷直流电机全数字三闭环控制系统，提出基于 DSP控制的无刷自流电机伺服系统的模糊 PID控制器设计方法。仿真结果表明：该系统具有很好的动态特性和静态特性。 关键词：伺服电机；自适应模糊控制； DSP 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号： Abstract：In order to improve BLDCM control result, the control system of BLDCM digital three closed loop
2、is founded on using TMS320C240. it is proposed the design method of adaptive fuzzy-PID controller based DSP for brushless DC servo system. The simulation results show the dynamics and static characteristic of adaptive fuzzy-PID controller. Keywords：servo systems; adaptive fuzzy-PID; DSP 1 引言 无刷直流电机在
3、克服了有刷直流电机机械换相缺点的同时，又具有结构简单、运行可靠以及调速性能好等优点，在很多领域中得到了广泛的应用 1。由于 DSP芯片的快速运算能力，可以实现更复杂、更智能的算法2-5。模糊控制易于理解、操作简单和易实现，及不需过多考虑被控对象复杂的数学模型的特点，为伺服系统提供了有效的控制方法。但基本模糊控制的弱点就是稳态精度差，要提高其跟踪性能就必须增加语言的取值，分挡越细，性能越好，但同时带来的缺点是规则数和系统计算量大大增加，以致调试困难，甚至不能满足实时控制的要求。文献6提出在误差比较小时，切换到分档更细的精控查询控制表，相当于增加了语言变量的取值，能提高模糊控制的控制精度，但由量化
4、引起的稳态误差仍然存在。文献7将模糊控制与传统 PI或 PID控制组成的复合控制器，在大偏差范围时采用模糊控制以获得良好的瞬态响应，在小偏差范围时切换到 PI或 PID控制可以获得良好的稳态性能，但复合控制在小偏差范围内的 PI或 PID控制的参数设置仍依赖对象数学模型；文献8以三维的模糊调节器为基础，同时引入了反馈模糊调节器作为并联校正，变量多，推理复杂，规则表庞大，很难实现。 如何而对工业过程的要求，设计出一种简单、实用且能提高控制精度的模糊控制器是设计者们急需解决的问题。本文提出自适应模糊 PID控制策略，并将其用于 DSP数字信号处理器（digital signal process）控
5、制的无刷直流伺服系统中。 2DSP 无刷直流位置伺服系统结构 本系统结构图如图 1所示，电机选用无刷直流电动机(方波驱动)，功率开关元件使用智能功率模块(IPM)，系统用两只电流检测模块做电流反馈，位置、速度检测采用光电编码器，处理器选用 DSP数字信号处理器 TMS320C240，DSP 高速运算能力和对电机的高效控制能力基于一体，实现伺服系统的全数字化控制。 图 1DSP直流无刷伺服系统结构图 电机在启动阶段要求能维持较大的允许启动力矩，可充分利用电机的过载能力，可使其获得最快启动。同时，电机在稳定运行的状态下能够实现转速无静差的效果，此外，保证电机能够实现准确的位置跟踪。为实现电机在运行
6、中的精确可控性，在本文中，控制系统采用三闭环控制结构，分别是位置、转速及电流环控制，三者之间实行串级连接，如图 2所示。 图 2无刷伺服电机控制框图 伺服控制系统要求系统具有较快的响应速度，同时其静态性能要好。因此位置检测与反馈装置是构成无刷直流电机伺服系统的重要组成部分。加入位置环可以提高控制系统的动态、静态性能，作为三环控制中的最外环，可满足伺服系统的控制要求，同时也是控制器设计中的最关键部分。 3 模糊 PID控制器的设计 3.1 模糊 PID控制算法 电流环是控制系统中的最内环，要求系统的电流具有快速跟随性，即当给定电流发生变化时，控制系统必须迅速坐出反映，使输出电流能快速跟踪给定电流
7、的变化9。因此，采用 PI调节器，通过电流反馈控制可以使电枢电流线性受控，从而输出力矩实现线性控制。电流环可使系统动态范围响应快，提高系统的安全性。在实际系统应用中，系统反映速度的加快可使 DSP的负担减小。 在无刷直流电机伺服控制系统中负载转矩发生变化时，为了使电机的转速不变，需要加入带速度反馈的中环控制。加入速度反馈控制可改善被控对象的线性度，提高动态性能和系统的抗干扰能力，稳态时无静差，使控制系统的性能得到改善，因此，采用 PI调节器。 电流环、速度环调节器采用 PI调节器按典型 II型系统设计完成后，主要任务就是位置调节器的设计了。 位置调节环将角位移检测装置反馈的实际位置信息增量与系
8、统发车的位置指令做偏差运算，通过位置环调节器中进行调节，完成转速环输入量的计算。这里的角位移检测装置采用光电编码器，检测到的是脉冲信号，若是电压信号需经 DSP中的 AlD转换单元转换成脉冲信号，在送入到 PID调节单元之前要将差值脉冲转换为电压信号。为了实现参数的在线整定，本文中位置调节器采用模糊 PID调节，可以保证在负载变化或外界环境变化下使统具有更好的自调节能力。同时相对于 PID调节来说，模糊 PID调节器具有更好的响应速度和消除静态误差。本文选择将模糊控制与经典 PID控制结合起来运用到控制系统中，可以不依赖被控对象特性根据经验设计好控制规则，在线调整 PID参数，可提高系统的鲁棒
9、性。如图 3所示为模糊 PID控制系统框图。 图 3模糊 PID自适应控制系统 3.2 输入量偏差 e、偏差变化 ec的模糊化 自适应模糊控制器以偏差误差和偏差变化作为模糊控制器的输入（为给定转角，为实际转角） ，利用模糊控器制规则在线对 PID参数进行修正，并以 PID参数的修正量（， ， ）为输出，以满足不同时刻系统偏差和偏差变化对 PID参数整定的要求。 模糊控制器的输入、输出变量都是精确量，模糊推理是针对模糊量进行的，因此，控制器首先要对输入量进行模糊化处理。在本文所设计的控制器中，输入、输出变量的语言值均分为七个语言值：NB、NM、NS、O、PS、PM、PB ，隶属度函数采用灵敏性强
10、的三角函数。为增强系统的鲁棒性，提高隶属度函数的分辨率，在 0值附近的函数形状取的更陡，形式如图 4所示。 图 4变量、和的隶属函数曲线 2.3 参数整定规则的确定及模糊推理 参数的整定规则是控制器的核心，它是操作人员和专家的经验知识的总结，列出表格如下。 根据各模糊子集的隶属度赋值表、隶属函数曲线和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理可以设计出 PID 参数的模糊矩阵表，然后查出修正参数代入下式： （3） 其中， 、 、为自适应模糊 PID 控制器的三个参数初始值；、 、为调整后的 PID 参数。 4 仿真 系统中无刷直流电动机各参数为：额定转速= 3000r/ min，电机内阻= 3.30
11、8，绕组电感 L=0. 051H，飞轮力知=4.5N，电动势常数=0. 011V/rpm。利用 Matlab/ Simulink建立仿真模型进行仿真，图 5所示为给定转角了=100时，系统分别采用 PID（曲线 1）和模糊 PID控制（曲线 2）的响应曲线。模糊 PID控制比常规控制具有更好的动态和稳态性能。图 5 模糊控制 PID和常规 PID输出转角应仿真曲线 5 结束语 本文采用 DSP为处理器。对直流无刷电机的控制算法进行了研究，并基于位置、速度、电流三闭环结构对电机实现位置控制，同时，对位置环采用模糊 PID自整定控制策略，计算量小、易于实现，便于工程引用。仿真结果表明，与传统 PI
12、D控制方式相比，系统的响应能力、控制精度、稳态性等方面均得到明显改善。 参考文献 1 苏奎峰，吕强，常天庆等TMS320x281xDSP 原理及及 C语言开发M北京：北京航空航天大学出版社，2008 2 孟凡菲，土文君，俞竹青基于 DSP2812无刷直流伺服电机控制系统的开发常州大学学报(自然科学版，2010（2）：42-44 3 洪嫣，林华，雷国伟基于 DSP的直流伺服电机调速国外电子测量技术，2009，20（5）：75-77 4 朝志永，穆学祯，孙艳华基于 DSP的无刷直流电机控制系统J测控技术，2008, 27( 4)：44- 46 5 王澎，林辉基于 T M 5320F2812的无刷直流电机伺服系统设计J微电机，2008, 41( 6)：44- 47 6 梁莉基于模糊控制的直流无刷伺服控制系统J控制理论与应用, 2009, 29（4）：747-750 7 章卫国模糊控制理论于应用M西安：西北工业大学出版社，2005 8 孙成功一类非线性系统的自适应模糊控制器设计及稳定性分析J 天津科技大学学报，2011, 20（6） ，35-37 9 赵影，李唐娟.无刷直流电机的控制策略与仿真研究fJl.自动化与传动:2010（3）：23-25.
