基于单神经元PID控制的直流无刷电机调速系统的建模与仿真.pdf

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1、[摘[关键词]直流无刷电机；单神经元PID控制；MATLAB／Simulink．，．二i。I!。。。。，、。。。，；，。。。。业。．。。。。。。。f：1：f：0R：]+fLiML!M。01吉Ff芝1+f：1c3，无刷直流电机采用方波励磁方式，与其它类型的电机相lIlcJ【00RJ【00L—MJ一【icJ【e。J比，提高了永磁材料的利用率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点。本文选用的直流无刷电机的PID控制方法是基于单神经元的PID算法Ⅲ，基于该算法的PID控制器是通过对加

2、权系数的调整来实现自适应、自学习功能，权系数的调整是根据有监督的Hebb学习规则实现的。由它构成的控制系统算法简单，易于实现，能够适应环境的变化，可实时控制，有较强的鲁棒性。2．无刷直流电机数学模型及等效电路根据无刷直流电机的结构与特性所建立的数学模型【习主要有微分方程模型、传递函数模型以及状态空间模型，本文所采用的是微分方程模型D】。本模型中的无刷直流电机的定子绕组为Y型连接，三个霍尔元件在空间相隔120。对称放置。电机每相绕组的相电压由绕组电阻压降和绕组感应电势两部分组成，以A相绕组为例，其相

3、电压可表示为：JUA=Ri^+岽}(10A+M舶iB+M^cic汁eA(1)Ul其中i^，iB，ic为每一相的相电流，LA为A相绕组自感，M^B，MAc分别为B、C相绕组对A相绕组的互感，eA为A相反电动势。由于定子三相绕组结构对称，每相绕组的自感和相绕组之间的互感均相等，LA=k=k=L，MAs=MSA=Mac=Ma=M^c=Mc^=M，并且三相电流满足iA+iB+ic=0，因此，式(1)可简化为：J’UA=RiA+(L--M)tl，l。A+cA(2)U1．由于三相对称，对B、C相可以得出类似结

4、果，因此无刷直流电机相电压方程的矩阵形式可表示为：对应方程(1．3)的无刷直流电机等效电路如图l所示。詹L-guaUC图1无刷直流电机等效电路与其它电机类似，无刷直流电机的电磁功率为三相反电动势与相电流乘积之和P。=e^iA+eBiB+ecic(4)由电磁功率可以得到电磁转矩为Te=且且塑婪旦!量且(5)“Q⋯其中，0为电机机械角速度。在此引入电机运动方程：L—TL=J粤}+B，o(6)U‘综合上述的电压方程(3)和转矩方程(5)以及电机运动方程(6)，就构成一个完整的直流无刷电机系统的数学模型。

5、3．无刷直流电机双闭环调速原理及控制器设计如图2所示为无刷直流电机的双闭环调速系统【4】框图，双闭环控制中的外环为速度环，主要起稳定转速和抗负载扰动作用；内环为电流环，主要起稳定电流和抗电网电压波动的作用。作者简介：肖莎．女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向：电动汽车动力模块。电机驱动系统，动力电池管理系统。基金项目：广东省科技计划项目：“纯电动汽车动力平台开发”，项目编号：2007A010300012。一23—图2无刷直流电机的双闭环调速系统框图现有的各种双闭环调速系统的PID控制器有传统的PI

6、D、模糊逻辑PID、神经网络PID、变速积分PID等。本文选用的是基于改进的单神经元算法的PID控制器。如图3所示为单神经元控制器结构图。图3单神经元控制器结构图控制算法及学习算法为Ⅳ；(k)=T鲥址乞1wi(k)li=l其中fwl(k)2w-(I【一1hIz(k)u(k)xl(k)『x·(I【)=x又k)=x』k)=e∞+△“k){w2(k)=州k一1)_～皿(k)u(k)x舡){△e(I【)=e∞一o(1【一1)l似k)=w3(1【一1hg(k)u(k)x3(k)Iz(k)=e(1【)11I，

7、11r，T10，分别为积分、比例、微分学习速率，K为神经元的比例系数。K值的选取很重要，K值越大，则快速性越好，但超调量会过大，甚至可能使系统不稳定；K值选择过小，会使系统的快速性变差。4．无刷直流电机控制系统模型的建立本文用MATLAB／Simulink仿真工具阎来建立电机的系统模型。如图4所示，为无刷直流电机模型控制系统的总体结构。cun■ntPha●e图4无刷直流电机系统模型4．1电机本体模块根据电机的等效电路(图1)及数学模型(式(3))，本文采一24一用Simpowersystem里的电

8、路元件建立电机的等效电路模型，如图5所示。图5电机本体模块4．2换向逻辑根据电角度计算出位置信号，由位置信号来确定换向逻辑，本模型采用Simulink／Logic里的combinatoriallogic模块，结合位置信号，通过查找真值表的方法，来编写换向逻辑，如图6所示。本模型采用两两导通方式，每隔60度依次导通。图6换向逻辑4．3PID速度调节模块根据单神经元算法，利用Simulink模块建立基于单神经元算法的PID模型，如图7所示。本文采用Simulink里的S-functio