某电机模糊PI调速仿真_开题报告

 研究背景及意义

随着科技的不断发展，人们的生活也变的越来越智能化，这其中电机起到了不可估量的作用。小到家庭生活大到汽车、航空航天、医疗器械等众多领域中，我们总能看到电机的身影。电动机通常可分为直流电动机和交流电动机，交流电机拥有运行稳定、结构简单等优点，但调速特性不好，启动不稳定，使得在很多领域没有得到广泛的使用。直流电机调速性能优越、启动和制动性能都极佳，广泛应用于高精度运动控制系统中，然而常用的传统直流电机采用机械换相，易产生噪声和电火花，易出现故障，大大缩短了电机的使用周期，因此无刷直流电机应运而生[1]。和其他种类的电机相比，无刷直流电机具有效率高、使用周期长，而且在速度较高的状态下也能运行平稳，可靠性强等特点。

传统的电机转速控制常采用PID算法控制。PID控制算法是工业控制领域应用最广泛最早也是最成熟的控制策略之一。它具有控制算法简单，参数调节灵活，不需要被控对象的参数模型，并且计算量小。在实际工业控制中积攒了丰富的参数调节经验。但随着技术发展，对控制系统的要求也更高，而无刷直流电机作为非线性、强賴合、多变量的被控对象，传统的PID控制己经很难满足无刷直流电机控制精度和稳定度的性能要求。�崳�

模糊控制系统能避开对象的数学模型，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。在系统中存在大量非线性时变现象时，很难建立精确的数学模型。模糊控制模拟人类思维，推理和判断的方法，使用人的经验和语言形式表示出来。本文以某电机为研究对象，分别进行PID和模糊PID调速仿真。

国内外研究现状

目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国己经制定GJB1863无刷直流电机通用规范[2]。国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日木具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面比较突出，而美国则在军下方而更加先进。

随着现代电力电子技术、微控制技术的发展，无刷直流电机在很多应用领域已逐渐取代了直流电机，它是一种集电力电子变流技术、微控制技术、电机控制技术与智能控制技术于一体的产品。由于无刷直流电机采用高磁能稀土永磁材料，还具有体积小、质量轻、效率高、损耗小等特点，已广泛应用于航空、航天、机械、汽车等工业领域与家用电器等民用领域。目前针对无刷直流电动机的研究主要有以下几个方面：

（1）电机本体

对电机本体进行改进会让无刷直流电机的整体性能得到很大的改善，所以对无刷直流电机本体的研究一直是热门的研究方向[3-4]。电机本体改进一般可由以下两个因素优化：a.选择优质的永磁材料。优质的永磁材料可以和电磁场相互作用，给予无刷直流电机更好的动力性能。b.优化磁场计算方法和深度。常用的计算无刷直流电机磁场计算方法的是二维磁场计算。

转矩脉动

换相转矩脉动会引起无刷直流电机的振动与噪声，对其控制精度和伺服性能产生影响，极大限制了它在高性能控制领域的应用。如何通过有效的控制算法与合理的硬件电路设计来减小无刷直流电机的换相转矩脉动是提高无刷直流电机在高性能控制领域应用十分重要的一个研究课题。

夏长亮，文德等采用三层前馈式神经网络控制直流母线电压，但此方法需要额外的网络训练，但增加了工作量[5]。张相军，陈伯时等分析了种不同的PWM调制方式对转矩脉动的影响，通过对比试验，证明了采用PWM_ON调制方式是减小转矩脉动最理想的方法[6]。S.S.Bharatkar等提出了一种通过电机参数计算电流换相区间方法，但此方法需要计算电机定子绕组的电感值，但电感值难以准确测量[7]。D-K Kim等提出了滞环电流控制方法，低速时对换相转矩脉动的抑制取得了较好效果，但在高速区没给出转矩脉动抑制的具体解决方法。其次，采用滞环控制法存在滞环大小确定比较难，调节频率较高等问题[8]。

无位置传感器控制

无刷直流电机控制系统在缺少位置传感器的情况下无法获知电机转子位置信息，控制系统也就无法对逆变电路进行正确的换相控制，从而导致系统无法正常启动与运行。无位置传感器技术，解决了在缺少位置传感器的情况下捕获转子位置信息的方法，从而实现对电机换相的正确控制。目前，对无位置传感器无刷直流电机转子位置信息检测技术的研究，主要有反电势法、磁链法电感法、人工智能法等方法。

反电势法由于其成本低、性能稳定，已成为无位置传感器无刷直流电机转子位置研究最为成熟的一种方法。近年来，国内外专家对反电势法进行了大量、深入的研究，并提出了端电压检测法[9]、反电势谐波法[10]、电势积分法[11]、线反电势法[12]等多种检测方法。

智能控制算法

随着智能控制技术的发展，它在无刷直流电机控制领域也得到了广泛的应用并取得了丰硕的成果。夏长亮等，使用三层前馈式人工神经网络来训练参数，实现无刷直流电机电流、电压的双闭环控制，提高了控制系统的动静态性能、稳态精度[13]。Chul-WooPark等介绍了几种不同滑模控制器结构器在无刷直流电机调速系统的应用，并对分别进行进行了仿真，但缺乏有效的实验数据[14]。Long Bo等采用遗传模糊算法和模糊算法相结合对模糊控制器进行优化，利用遗传算法对模糊控制规则进行优化并生成最优的模糊控制规则，可以改善模糊算法在线调节效果不佳的弱点，大大改善了控制器的性能[15]。王正家，何博等针对采用传统PI控制算法的无刷直流电机（BLDCM）调速系统存在精度低、抗干扰能力弱等问题，提出一种基于初始比例值优化的模糊自适应PI控制算法。建立BLDCM转速、电流双闭环调速系统数学模型，对其转速环进行模糊自适应PI控制，并提出一种初始比例值优化的方法[16]。 张雪侠, 针对传统直PID直流电机调速控制在实际使用过程中因为不同工况的变化需要对参数进行调整，其过程较为复杂，并且无法实现自适应，对于此种问题，就设计了基于ARM 模糊的PID 直流电机控制系统，提高了系统自适应性和调速精准性及快速性[17]。李艳,李可可等，研究了一种基于变论域思想的模糊PID 控制方案．设计了一种二阶模糊控制器，并进行仿真验证，结果表明，变论域自适应模糊PID 控制直流电机时相对于PID 控制和模糊PID控制具有无超调、响应速度快和良好的鲁棒性能的优点[18]．荆建立，王艳春等，等借鉴变论域思想，提出了一种新型的无刷直流电机模糊参数自适应PID 控制构建了基于DSP 的无刷直流电机调速系统，对常规模糊PID 和模糊参数自适应PID 控制无刷直流电机的效果进行了实验，实验结果表明，无刷直流电机模糊参数自适应PID 控制系统动静态性能良好，具有自适应能力强、控制精度高、响应速度快和鲁棒性强的特点[19]。王 赫,刘松斌等, 针对直流电机在负载拖动过程中受到弹性或间隙等非线性因素的影响, 使得传统固定P I D 参数调节器难以达到系统性能指标要求, 设计了以D S P 处理器为核心的智能调速系统, 引入自适应模糊P I D 控制算法实时整定控制参数。分别对系统进行MATLAB 仿真实验以及硬件测试实验, 通过LabVIEW 上位机界面进行数据观察, 结果表明自适应模糊PID 调节器能大大提高系统调速性能, 电机调速精度可达1%[20]。Choi HyeungSik设计了一种新型的滑模变结构转矩状态观测器，可以减小滑模状态观测器观测误差[21]。

范文提纲

1 无刷直流电机数学模型及特性分析

1.1无刷直流电机结构及驱动方式

1.2无刷直流电机数学模型

1.2.1微分方程模型

1.2.2传递函数模型

1.3无刷直流电机特性分析

2 无刷直流电机模糊PID控制系统

2.1 PID调速原理

2.2 PID控制器设计步骤

2.3模糊PID控制

2.3.1无刷直流电机模糊控制类型

2.3.2无刷直流电机模糊控制设计步骤

3传统 PI 控制调速系统仿真设计

3.1 无刷直流电机本体模块

3.3 PI 调节器模块

3.4 PWM 发生模块

3.4 逻辑换相模块

3.4 PI控制仿真结果

4.模糊 PI 控制调速系统仿真设计

4.1设计模糊推理系统

4.2确定隶属度函数

4.3建立模糊规则

4.4速度环模糊 PI 仿真模型

4.5模糊 PI 仿真结果

5结论

参考文献

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