一種無刷直流電機直接轉矩自適應模糊控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無刷直流電機的控制方法，尤其是涉及一種無刷直流電機直接轉 矩自適應模糊控制方法。
【背景技術】
[0002] 與傳統直流電機相比，無刷直流電機采用電子換向器取代了機械換向器，是一種 有著美好發展前途和廣泛應用前景的新型電機。無刷直流電機具有結構簡單、運行可靠、運 行效率高和調速性能好等優良特性，目前在各種伺服系統、機械制造、機器人、電動汽車、航 空航天等眾多領域得到了廣泛應用。但在實際應用中，存在著電機的轉矩脈動問題，限制了 其在高精度、高性能場合的應用。
[0003] 直接轉矩控制技術最初是作為異步電動機的一種變頻調速方案，它是在矢量控制 的基礎上舍棄了解耦控制的思想，直接在定子坐標系下分析和計算電機的數學模型，并通 過選擇不同的逆變器開關狀態來直接控制電機的轉矩。直接轉矩控制技術采用電機的轉矩 和磁鏈的雙閉環結構，可獲得快速的轉矩響應，并獲得良好的調速性能。直接轉矩控制技術 在異步電動機和永磁同步電機都取得了較好的效果，近年來直接轉矩控制技術開始廣泛和 成功地應用于無刷直流電機，并且開始進入實用階段。
[0004] 模糊控制技術和方法不需要建立控制對象的精確數學模型，在實際中獲得了大量 成功的應用。但是由于模糊控制器中的模糊規則主要是基于該領域專家的經驗知識進行 提取，存在較大的主觀性；二是在確定模糊規則的條件下，模糊變量的隸屬度函數決定了控 制系統的性能，而隸屬度函數包含眾多因素，這是包含多參數的尋優問題，很難獲得全局最 優。
[0005] 發明人在實現本發明時發現已有的控制技術存在一些不足之處：對于無刷直流電 機的模糊控制技術，在確定模糊控制器的結構及其參數時較為困難，多數是依靠經驗或者 反復試湊，獲得的性能也不理想；另外在利用現有的優化方法優化控制器的參數時，單目標 優化方法涉及到復雜的評價函數構造問題，其中的參數較難確定。另一方面，現有的電機轉 子位置傳感器增大了電機的體積和成本，也容易受到外部電磁信號的干擾，因而降低了運 行的可靠性。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為解決模糊控制器的結構及其參數時難以確定的問題，提供一種 無刷直流電機直接轉矩自適應模糊控制方法。
[0007] 本發明為解決上述技術問題的不足，所采用的技術方案是： 一種無刷直流電機直接轉矩自適應模糊控制方法，包括以下步驟： 步驟1、基于多目標優化算法確定無刷直流電機模糊控制器采用自適應模糊PID控制 器，通過多目標優化算法確定對應的自適應模糊PID控制器的最優參數； 步驟2、通過三相相電流檢測單元和三相相電壓檢測電單元分別檢測并計算無刷直流 電機的三相相電流和三相端電壓值，并利用坐標變換模塊將三相相電流和三相相電壓值轉 換為相電壓和相電流在兩相靜止α β坐標系上的分量，建立對應的α β坐標系； 步驟3、通過磁鏈計算單元利用步驟2中確立的α β坐標系相電壓和相電流對應的分 量分別計算出無刷直流電機的定子磁鏈以及轉子的實際位置； 步驟4、通過轉速傳感器(采用增量式光電編碼器）得出無刷直流電機的實際轉速； 步驟5、通過磁矩計算單元利用步驟3和步驟4中的計算的定子磁鏈和實際轉速計算無 刷直流電機的實際轉矩； 步驟6、通過步驟4中得出的實際轉速與無刷直流電機的給定轉速的差值以及單位采 樣周期內差值的變化量計算出轉速偏差和偏差變化率，并利用步驟1中確定自適應PID模 糊控制器中的各個參數，計算得出無刷直流電機的給定轉矩； 步驟7、通過步驟6中的計算得出的給定轉矩與步驟5中計算得出的實際轉矩之間的 差值計算出轉矩偏差，并將轉矩偏差輸入轉矩滯環調節單元中，輸出得到轉矩滯環輸出信 號； 步驟8、通過步驟3中計算出無刷直流電機的定子磁鏈和無刷直流電機給定磁鏈的幅 值可以計算出對應的磁鏈偏差，并將磁鏈偏差輸入磁鏈滯環調節單元中，輸出得到磁鏈滯 環的輸出信號； 步驟9、通過步驟3中所確定的電機當前轉子位置、步驟7中得到的轉矩滯環輸出信號 和步驟8中得到的磁鏈滯環輸出信號，確定無刷直流電機對應逆變器的六個開關管的對應 狀態； 步驟10、通過步驟9中確定的逆變器六個開關管的對應狀態作為逆變器控制單元的輸 入，進而可驅動所述無刷直流電機運行。
[0008] 所述的步驟2中的坐標轉換模塊被稱為Clarke變換模塊。
[0009] 本發明的有益效果是：基于本發明設計方法所優化得到的模糊控制器能夠不同 的運行狀況自適應確定電機轉矩的給定值，動態自適應地調整電機的轉矩大小，相當于基 于工程師的實際經驗提前判斷電機的運轉狀況，可改善無刷直流電機系統的動態和穩態性 能，同時能夠在一定程度上抑制無刷直流電機的轉矩脈動現象。另一方面本發明沒有安裝 位置傳感器（Hall傳感器），因而簡化了系統結構，減少了系統的成本，也提高了電機運行 的可靠性。
【附圖說明】
[0010] 圖1、本發明實施例的一種基于多目標優化的模糊控制器設計方法流程圖。
[0011] 圖2、本發明實施例的無刷直流電機直接轉矩自適應模糊控制方法的流程圖。
[0012] 圖3、本發明實施例的一種基于多目標優化算法的無刷直流電機的自適應模糊控 制裝置的結構框圖。
[0013] 圖4、本發明實施例的一種基于多目標優化的無刷直流電機的自適應模糊控制裝 置的結構示意圖。
[0014] 圖5、本發明實施例的無刷直流電機自適應模糊控制裝置的控制結構圖。
[0015] 圖6、本發明實施例的中斷控制子程序流程圖。
[0016] 圖7、無刷直流電機的電壓矢量和扇區分布示意圖。
[0017] 圖8、磁鏈滯環調節信號圖。
[0018] 圖9、轉矩滯環調節信號圖。
【具體實施方式】
[0019] 圖中所示，【具體實施方式】如下： 一種無刷直流電機直接轉矩自適應模糊控制方法，包括以下步驟： 步驟1、基于多目標優化算法確定無刷直流電機模糊控制器采用自適應模糊PID控制 器，通過多目標優化算法確定對應的自適應模糊PID控制器的最優參數； 步驟2、通過三相相電流檢測單元和三相相電壓檢測電單元分別檢測并計算無刷直流 電機的三相相電流和三相相電壓值，并利用坐標變換模塊將三相相電流和三相相電壓值轉 換為相電壓和相電流在兩相靜止α β坐標系上的分量，建立對應的α β坐標系； 步驟3、利用步驟2中確立的α β坐標系相電壓和相電流對應的分量，通過磁鏈計算單 元計算出無刷直流電機的定子磁鏈，并通過反電動勢法確定轉子實際位置(所在扇區）； 步驟4、通過轉速傳感器(采用增量式光電編碼器）得出無刷直流電機的實際轉速； 步驟5、通過磁矩計算單元利用步驟3和步驟4中的計算的定子磁鏈和實際轉速計算無 刷直流電機的實際轉矩； 步驟6、通過步驟4中得出的實際轉速與無刷直流電機的給定轉速的差值以及單位采 樣周期內差值的變化量計算出轉速偏差和偏差變化率，并利用步驟1中確定自適應PID模 糊控制器中的各個參數，計算得出無刷直流電機的給定轉矩； 步驟7、通過步驟6中的計算得出的給定轉矩與步驟5中計算得出的實際轉矩之間的 差值計算出轉矩偏差，并將轉矩偏差輸入轉矩滯環調節單元中，輸出得到轉矩滯環輸出信 號； 步驟8、通過步驟3中計算出無刷直流電機的定子磁鏈和無刷直流電機給定磁鏈的幅 值可以計算出對應的磁鏈偏差，并將磁鏈偏差輸入磁鏈滯環調節單元中，輸出得到磁鏈滯 環輸出信號； 步驟9、通過步驟3中確定的電機當前轉子位置（即為所在扇區信號)、步驟7中得到的 轉矩滯環輸出信號和步驟8中得到的磁鏈滯環輸出信號，確定無刷直流電機對應逆變器的 六個開關管的對應狀態； 步驟10、通過步驟9中確定的逆變器六個開關管的對應狀態作為逆變器控制單元的輸 入，進而可驅動所述無刷直流電機運行。
[0020] 所述的步驟2中的坐標轉換模塊為Clarke變換模塊。
[0021] 本發明中步驟1中自適應模糊PID控制器的最優參數的步驟如下： 1)根據無刷直流電機控制系統的類型和特點，確定模糊控制器的輸入變量和輸出變 量的數目。這里將系統轉速偏差和轉速偏差的變