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[摘 要]本文通过对无刷直流电机的工作原理进行分析，将自适应模糊整定PID方法与其相结合，建立了计算机仿真数学模型，研究其稳定性、控制精度以及动态响应速度。
[关键词]无刷直流电机 自适应 模糊 PID控制
中图分类号： TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0053-01
无刷直流电机所用的是电子式换向器，其不仅具有直流电机的调整性能，而且还解决了有刷直流电机换向的各种问题，具有高精度、无磨损、体积小、空载电流低等高性能优点。因此，无刷直流电机逐步在多个领域得到了应用，如医疗器械、家电、化工等。不过无刷直流电机的精度与稳定性的调控还需要进一步的提高。
PID控制技术的发展较早，其结构相比简单，具有高稳定性、可靠性的特点，在工业控制中得到广泛的采用。对PID控制的控制需要建立在严格的调制控制器的参数基础上，确保参数发生变化后，PID控制器参数不会因被控对象而发生变化。无刷直流电机的调速模型具有复杂的特性，通过其来确定PID的控制参数非常困难。模糊控制具有良好的强壮性和优质的控制性能，其对非线性复杂对象的控制相对更高，不过因为其不存在积分环节，所以控制系统有一定的控制盲区，导致稳定性和精密度相对较差。模糊控制PID控制以其较强的强壮性脱颖而出。
一. 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机是机电一体化产品，主要是由电机、换相电路和传感器构成。本文基于全桥逆变器，在工作方式上选取上桥臂PWM控制、下桥臂恒通。建立无刷直流电机的动态方程如下：
（a）
（b）
（c）
在动态方程式中，L、R、Ia、U、E、Te、K1、J、T1分别代表的是绕线电感、绕线电阻、定子相电流、设定参考电压、额定励磁下电机反电动势、转矩力、转矩系数、电机转动惯量、负载转矩。根据以上三个方程，得到的无刷直流电机传递函数是： （d）
二. 无刷直流电机自适应PID控制系统仿真模型
（一）控制策略。
根据以上的动态方程b可以得知，无刷直流电机的转矩力与相电流成正比。在整个控制系统中，安置两个调节器来控制转速与电流，以便可以使转速和电流的负反馈达到最佳状态。无刷直流电机控制系统所采用的是电流内环、转速外环的双闭环控制，如下图1。
在无刷直流电机调整系统中，转速环能够有效的降低负载变化对整个系统性能的负作用，约束转速变化。PID控制器不能按照被控对象的参数变化而进行自动的适当的调节，强壮性能较差，模糊控制器可以随被控制对象的自应调节十分突出，强壮性能优越，不过稳定性和精密度不高。因此，本次在无刷直流电机控制系统中选择自适应PID控制器作为转速调节器。结构如下图2。
在控制结构图中，e是速度误差信息，ec是误差变化信息；Δk（p、i、d）分别是PID参数模糊护理形成的模糊集论域幅值；k（e、ec、1、2、3）为比值。
（二）模糊PID控制器的构建
确定模糊控制规则一定要建立在系统的系统的最佳状态基础上。其参数整定原则如下。
①如果出现偏差略大的时候，无论Xec怎样，都取略大的kp和ki，达到以最短时间内降低偏差。如果XeXce大于0，就选择略小的kd，或者是kd等于0；如果XeXce小于0时，就选择略大的kd，达到避免偏差进一步加深的。
②如果偏差较为适中，就需要注意避免系统超调量过大，应该选择略小的kp和相对适当的ki。如果XeXce小于0，应该选择略大的kd；如果XeXce大于0，就应该选择中等程度值，用来避免偏差增大。
③如果偏差略小，或者为0时，可以尽量减少系统的调节时间，选择相对适中的kp以及略小的ki。如果XeXce小于0，就选择略小的kd；如果XeXce大于0，那么kd应该适中，尽量不能过大，以便降低系统对振荡的敏感性，缩短调节时间。
要达到模糊控制器精度与稳定提高的目的，必须要对语言变量取更多的语言值。如果分档较细的话，规则数和计算量也会随之增大，实际调试的困难度也随之增加，最终致使较大程度的降低控制器的实时性。对所胡变量模糊子集进行设定，得出各模糊子集的隶属度函数曲线。通过“重心法”对模糊护理所得的模糊集合去模糊化。系统在实时检测Xe、Xec的基础上将对其进行量化，使之达到相应论域，最终完成实时整定。
三.仿真结果
在MATLAB/Simulink图形化建模环境下，构建无刷直流电机双闭环系统中速度调节器仿真模型。选取PID控制、自适应模糊PID控制，无刷直流电机调整系统可得出仿真曲线，如下图3a、b。
四.结论
无刷直流电机调整系统属于非线性变系数系统。本文将模糊控制与PID控制进行有效结合，利用实时整定PID控制参数，能够很好的处理系统非线性与参数不确定的难点，使系统的稳定性与动态性得到了有效的提高。
参考文献
[1] 史浩.基于DSP的无刷直流电机的模糊控制[D].浙江大学，2006.
[2] 史浩，潘再平. 无刷直流电机模糊控制系统及仿真分析[J]. 微电机（伺服技术），2005，05：42-44.
作者简介：刘云宝，男，1981年11月生，河北唐山乐亭人，唐山首信自动化信息技术有限公司助理工程师，方向：机电工程。
[关键词]无刷直流电机 自适应 模糊 PID控制
中图分类号： TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0053-01
无刷直流电机所用的是电子式换向器，其不仅具有直流电机的调整性能，而且还解决了有刷直流电机换向的各种问题，具有高精度、无磨损、体积小、空载电流低等高性能优点。因此，无刷直流电机逐步在多个领域得到了应用，如医疗器械、家电、化工等。不过无刷直流电机的精度与稳定性的调控还需要进一步的提高。
PID控制技术的发展较早，其结构相比简单，具有高稳定性、可靠性的特点，在工业控制中得到广泛的采用。对PID控制的控制需要建立在严格的调制控制器的参数基础上，确保参数发生变化后，PID控制器参数不会因被控对象而发生变化。无刷直流电机的调速模型具有复杂的特性，通过其来确定PID的控制参数非常困难。模糊控制具有良好的强壮性和优质的控制性能，其对非线性复杂对象的控制相对更高，不过因为其不存在积分环节，所以控制系统有一定的控制盲区，导致稳定性和精密度相对较差。模糊控制PID控制以其较强的强壮性脱颖而出。
一. 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机是机电一体化产品，主要是由电机、换相电路和传感器构成。本文基于全桥逆变器，在工作方式上选取上桥臂PWM控制、下桥臂恒通。建立无刷直流电机的动态方程如下：
（a）
（b）
（c）
在动态方程式中，L、R、Ia、U、E、Te、K1、J、T1分别代表的是绕线电感、绕线电阻、定子相电流、设定参考电压、额定励磁下电机反电动势、转矩力、转矩系数、电机转动惯量、负载转矩。根据以上三个方程，得到的无刷直流电机传递函数是： （d）
二. 无刷直流电机自适应PID控制系统仿真模型
（一）控制策略。
根据以上的动态方程b可以得知，无刷直流电机的转矩力与相电流成正比。在整个控制系统中，安置两个调节器来控制转速与电流，以便可以使转速和电流的负反馈达到最佳状态。无刷直流电机控制系统所采用的是电流内环、转速外环的双闭环控制，如下图1。
在无刷直流电机调整系统中，转速环能够有效的降低负载变化对整个系统性能的负作用，约束转速变化。PID控制器不能按照被控对象的参数变化而进行自动的适当的调节，强壮性能较差，模糊控制器可以随被控制对象的自应调节十分突出，强壮性能优越，不过稳定性和精密度不高。因此，本次在无刷直流电机控制系统中选择自适应PID控制器作为转速调节器。结构如下图2。
在控制结构图中，e是速度误差信息，ec是误差变化信息；Δk（p、i、d）分别是PID参数模糊护理形成的模糊集论域幅值；k（e、ec、1、2、3）为比值。
（二）模糊PID控制器的构建
确定模糊控制规则一定要建立在系统的系统的最佳状态基础上。其参数整定原则如下。
①如果出现偏差略大的时候，无论Xec怎样，都取略大的kp和ki，达到以最短时间内降低偏差。如果XeXce大于0，就选择略小的kd，或者是kd等于0；如果XeXce小于0时，就选择略大的kd，达到避免偏差进一步加深的。
②如果偏差较为适中，就需要注意避免系统超调量过大，应该选择略小的kp和相对适当的ki。如果XeXce小于0，应该选择略大的kd；如果XeXce大于0，就应该选择中等程度值，用来避免偏差增大。
③如果偏差略小，或者为0时，可以尽量减少系统的调节时间，选择相对适中的kp以及略小的ki。如果XeXce小于0，就选择略小的kd；如果XeXce大于0，那么kd应该适中，尽量不能过大，以便降低系统对振荡的敏感性，缩短调节时间。
要达到模糊控制器精度与稳定提高的目的，必须要对语言变量取更多的语言值。如果分档较细的话，规则数和计算量也会随之增大，实际调试的困难度也随之增加，最终致使较大程度的降低控制器的实时性。对所胡变量模糊子集进行设定，得出各模糊子集的隶属度函数曲线。通过“重心法”对模糊护理所得的模糊集合去模糊化。系统在实时检测Xe、Xec的基础上将对其进行量化，使之达到相应论域，最终完成实时整定。
三.仿真结果
在MATLAB/Simulink图形化建模环境下，构建无刷直流电机双闭环系统中速度调节器仿真模型。选取PID控制、自适应模糊PID控制，无刷直流电机调整系统可得出仿真曲线，如下图3a、b。
四.结论
无刷直流电机调整系统属于非线性变系数系统。本文将模糊控制与PID控制进行有效结合，利用实时整定PID控制参数，能够很好的处理系统非线性与参数不确定的难点，使系统的稳定性与动态性得到了有效的提高。
参考文献
[1] 史浩.基于DSP的无刷直流电机的模糊控制[D].浙江大学，2006.
[2] 史浩，潘再平. 无刷直流电机模糊控制系统及仿真分析[J]. 微电机（伺服技术），2005，05：42-44.
作者简介：刘云宝，男，1981年11月生，河北唐山乐亭人，唐山首信自动化信息技术有限公司助理工程师，方向：机电工程。