基于模糊控制的直流无刷电机调速系统

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1、基于模糊控制的直流无刷电机调速系统

2、第1...PIC16C63是MICROCHIP公司的8位CMOS单片微处理器；只有35条基本指令；片内有三个多功能输入输出I/O口RA、RB和RC，其中RB、RC口为8位，RA口为5位，可直接驱动LED；3个带8位可编程预分频器的8位定时/计数器；2个CCP（捕获/比较/P）模块，可输出P信号（从RC2/CCP1和RC1/CCP2引脚输出）；192字节通用RAM，4096×14位EPROM；数字式的看门狗电路DHz；电源范围2.5～6.25V[2]。设置CCP1模块工作于P方式。把脉宽值置入CCPR1L寄

3、存器和CCP1CON<5:4>，RC2/CCP1引脚可输出高达10位的脉宽调制波形。当每次将CCPR1L中的数据再载入CCPR1H时，RC2/CCP1输出高电平；当定时/计数器TMR2的计数值等于CCPR1H的值时，RC2/CCP1输出低电平，产生脉宽。TMR2继续递增，直至计数值等于周期寄存器PR2的值，此时RC2/CCP1输出高电平，产生P周期，同时使CCPR1L再载入CCPR1H，如此周期循环，产生P信号。P输出周期和脉宽的计算公式如下：P周期=[（PR2）+1]*4TOSC*（TMR2预分频值）P脉宽=（DC1）*4TO

4、SC*（TMR2预分频值）式中的DC1的值由8位的CCPR1L和CCP1CON<5:4>2位组成。由此若P周期确定后，要获得不同占空比的P信号，只要改变DC1的值即可。系统的基本工作原理为：转速由霍尔位置传感器检测，测得的实际转速与给定速度进行比较，将输入变量模糊化（fuzzification）后进行模糊推理，产生相应的P信号从RC2/CCP1引脚输出。图1中，当RC2/CCP1输出低电平时，六只MOSFET仍受RA口控制进行电动机的正常换相；当RC2/CCP1输出高电平时，下半部的三只MOSFET被封死。因此，只需对RC2/C

5、CP1的输出进行P控制，就可以控制直流无刷电动机的转速。整流电路的输出除提供给直流电动机电源外，还通过DC-DC变换器获得5V电源提供给单片机。系统设置一个2位的DIP开关，用于选择给定转速，有四个不同的给定转速供选择，以满足不同运行状态和不同额定转速的电动机；按键K1用于显示给定转速，按下则显示给定转速，否则显示实时转速。4个LED显示器组成了显示电路。图1电机调速系统电气原理图模糊控制器模糊控制方法模糊控制器结构如图2所示，是一个参数自调整的模糊控制系统，其输入变量是转速偏差e和转速偏差变化率Δe，输出变量是P脉宽调制信号占空比δ的增量

6、Δδ。在进行输入变量模糊化时，转速偏差e在其论域（fullset）上定义3个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负(N)、零(Z)和正(P)，其隶属度函数分布如图3(a)所示。转速偏差变化率Δe在其论域上定义6个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负大（NB）、负小（NS）、负零（NZ）、正零（PZ）、正小（PS）和正大（PB），其隶属度函数分布如图3(b)所示。转速偏差e的模糊集只简单的划分为3个，而转速偏差变化率的模糊集却划分为6个，一方面是考虑模糊控制器的结构优化问题[3]，优化后的模糊控制系统只有18条模糊规则；另一方面是满足控制精度的

7、要求，根据直流电动机的运行特点，在控制时为了达到控制精度的要求，有时更注重转速偏差变化率。采用这样的结构可使系统在转速偏差变化率比较小时获得精细调节。输出量P占空比增量Δδ的模糊化，要充分考虑到电动机转速响应的暂态和稳态指标的协调。为了使转速偏差较大时电机能快速响应，而在转速偏差较小时又不至于产生较大的超调量，输出变量Δδ的模糊化采取两种方案，一种方案的模糊化定义5个模糊集，相应语言变量为负大(NB)、负小（NS）、零(Z)、正小(PS)和正大（PB），其隶属度函数分布如图4(a)所示；另一种方案的隶属度函数采用单线形。两种方案由模糊控制器

8、根据转速偏差量的大小进行自动切换。解模糊化（defuzzification）采用加权平均的重心法。图2参数自调整模糊控制器（a）转速偏差（b）转速偏差变化率图3转速偏差e与转速偏差变化率Δe的隶属度函数分布(a)(b)图4输出增量Δδ的隶属度函数分布参数自调整原则图2所示的参数自调整模糊控制器可以提高模糊控制系统的动、稳态性能。量化因子Ke和Kec及比例因子Ku对模糊系统的稳态特性和动态特性均有较大的影响。一般来说，Ke和Kec越大，系统的控制精度越高，但大偏差范围分辩率相应提高，可能导致系统超调，调节时间增加，动态特性变差。增大Ku可以提

9、高系统的控制精度和响应速度，减少Ku能减少超调，提高系统稳定度。因此，参数自调整的一般原则为：当偏差或偏差变化率较大时，Ke和Kec取较小值，Ku取较大值，这样可以保证系统的快速