基于模糊控制的直流电机PWM调速系统

1、基于模糊控制的直流电机 PWM 调速系统 2006.1 66基于模糊控制的直流电机 PWM 调速系统李 勇,罗隆福,许加柱,李 季(湖南大学电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082摘 要本文提出了一种基于模糊控制的直流电机脉宽调制 (PWM调速系统。 该系统将转速偏差和转速偏差率模糊化为模糊控制器的输入语言变量, 根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制 PWM 中开关管 IGBT导通时间的输出语言变量, 并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机。 仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象,提高系统的响应速度和稳态性能。关键词模糊控制;直流电机; PWM ;调速中图分类号 TM301.2 文献

2、标识码 B 文章编号 1000-3983(200601-0066-03PWM Speed Regulating System of DC Motor Based on Fuzzy ControlLI Yong, LUO Long-fu, XU Jia-zhu, LI Ji(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, ChinaAbstract: This paper proposes a pulse width modulation (PWM speed regula

3、ting system of DCmotor based on fuzzy control. The speed error and its change were used as fuzzy stable variable.According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the IGBT switch. Inthis way, the PWM technique was used to drive the DC motor. The simulation results showed

4、 thatthe system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance.Key words: fuzzy control; DC motor; PWM; speed regulating1 引言直流电机由于具有良好的调速特性, 宽广的调速范 围,长期以来在要求调速的地方,特别是对调速性能 指标要求较高的场合得到了广泛的应用。特别是近年 来随着电力电子技术的发展,已普遍采用由晶闸管整 流器供电的直流电机调速系统,以取代以前广泛应用 的交流电动机直流发电机组供电系统。但由于相

5、控 整流中电网端输入电流的功率因数直接与移相触发角 有关,在电机低速运行整流桥输出电压较低时,电网 输入电流功率因数低,谐波分量比较大,对电网特别 是公共直流电网有不利的影响。 而采用 PWM 调速时, 电源侧一般不采用二极管不控整流,这对改善电网功 率因数和减少谐波对电网的污染都是有利的。并且, 直流电机调速系统是一个复杂的多变量、非线性控制 系统,控制参数多,各个参数之间相互影响,抗干扰 能力较弱,不适合需要高控制性能的场合。因此, 为了增强直流电机调速系统的抗干扰能力和 鲁棒性,提高调速系统的响应速度和稳态精度,本文 提出了基于模糊控制的直流电机 PWM 调速系统。该 系统在线检测电机转

6、速的实时变化,通过模糊控制选 择合适的控制语言,对 PWM 开关器件的导通时间加 以控制,从而驱动直流电机达到调速的目的。2 系统构成与原理综述基于模糊控制的直流电机脉宽调制调速系统的框 图见图 1。 主要由模糊控制器、 PWM 驱动电路和直流 电机组成。其中, (kwr 表示给定转速, (kwa 表示实 际转速, e 表示转速偏差, ce 表示转速偏差率, c 表示模糊控制量, 1k 、 2k 、 3k 表示增益量,其值由 所设计的模糊控制器的论域决定。图 1 系统框图该系统的调速过程如下:将反馈的直流电机的实 际转速与给定转速进行比较, 得到转速偏差和偏差率, 并使之模糊化,由模糊控制器经

7、推理运算得到合适的 控制语言,经过一定的处理,来控制驱动电路的脉宽 调制系统,从而实现对直流电机的转速调节。 2006 1 大 电 机 技 术 67 (ae 的隶属度函数图 3 模糊变量的隶属度函数2.1 直流电机数学模型他励直流电动机的电压方程:f f f f i p L R u (+= (1+=f af a a a a i G i p L R u ( (2式中:p 是微分算子; u 、 i 、 R 和 L 分别表示电压、 电流、电阻和电感;下标 f 表示励磁绕组;下标 a 表 示电枢绕组; 表示转速; af G 表示运动电动势系数;J 表示转动惯量。电磁转矩:a f af e i i G

8、T = (3 转矩方程:L e T R Jp T += ( (4式中:R 表示旋转阻力系数, L T 表示负载。 2.2 模糊控制器设计作为一种人工智能手段, 模糊控制将输入量按一定 的模糊控制规则自动进行推理运算,模仿专家经验, 从而获取问题的求解,在处理不确定性和不精确性问 题时具有良好的鲁棒性。模糊控制的流程见图 2。对于本文所构建的模糊控制器,其输入量为转速 偏差 e 和偏差率 ce ,输出为控制量 c 。每一条控制 语言都采用 e 、 ce 和 c 来描述。模糊控制规则的建 立依赖的是使用直流电机调速系统的经验 4, 3。对于 本文而言,由于模糊控制的主要目的是控制电机的转 速,因而

9、其控制规则依赖的是实际转速与给定基准转 速的差异比较。所建立的控制规则表见表 1。例如, 第一条控制规则如下:if e is NL and ce is NL then c is PL 即实际转速与给定基准转速相比偏差负大、偏差 变化率负大,此时实际转速比给定基准转速大而且还 有上升的趋势,那么控制量 c 正大就要用来抑制这 种趋势。模糊控制器的推理过程采用 Mamdani 算法, 解模糊化过程采用 max-min 法。模糊语言变量的论域 均是 -1 1,各自的隶属度函数见图 3,根据表 1建立 的输入量 e 、 ce 与输出量 c 之间的对应关系曲线见 图 4。2.3 PWM驱动电路设计本文所

10、设计的驱动电路采用脉宽调制技术,用到 的电力电子器件是具有自关断能力的电压控制型器件 N 沟道 IGBT 以及续流二极管 VD 。 电路原理图见图 5, 直流电机的励磁方式为他励式。驱动过程中 IGBT 的 栅极电压 GE u 、电枢电流 0i 、电枢电压 0u 的波形见图 6。 在 t =0时驱动 IGBT 导通, 电源电压直接加在直流 电机电枢两端, 0u =E ,电枢电流按指数曲线上升。图 2 模糊控制系统表 1 模糊控制规则表cee NL NM NS Z PS PM PL NL PL PL PL PL NM Z Z NM PL PL PL PM PS Z Z NS PL PM PS P

11、S PSZZ Z PLPM PS Z NS NM NL PS Z Z NM NS NS NM NL PM Z Z NS NMNLNLNLPLZZNMNL NL NL NL图 3 模糊变量的隶属度函数图 4 模糊输入 e 、 ce 与输出 c 的对应关系(b ce 的隶属度函数(c c 的隶属度函数 模糊控制系统 NM NS Z PS PM NL PL10.5-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1NLNM NS Z PS PMPL10.5-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1NL NM NS Z PS PM PL10.5-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1c a0.50-0.

12、5e10.5-0.5 -1-10 ce基于模糊控制的直流电机 PWM 调速系统 2006.168 当 t =1t 时,控制 IGBT 关断,电枢电流经续流二极管 续流, 其值近似为 0, 按指数曲线下降。 至一个周期 T 结束,再驱动 IGBT 导通,重复上一周期的过程。当 电路稳态工作时,电枢电流在一个周期的初值和终值 相等,电枢电压的平均值为:E E TtE t t t U on off on on =+=0 (5按照对 on t 与 T 的调节方式, 有三种不同的电压调 制方式:脉宽调制、频率调制和混合型。本文是在保 持开关周期 T 不变的情况下,调节开关导通时间 on t , 即脉冲宽

13、度调制。根据模糊控制器输出的控制语言的 变化实时调节 on t ,从而满足转速调节的需要。图 5 电路原理图图 6 电流连续时的波形3 仿真实验用 MATLAB/SIMULINK对上述系统进行仿真实 验。他励直流电机的参数:a R =0.5, a L =0.003H , J =0.01672m kg , G =f af i G =0.8, R =0.0167。系统参数:wr =200rad/s, 1k =1/200, 2k =1, 3k =310200×, IGBT 的开关频率 2kHz 。 0.6s 时,对电机突加负载 50m N 。 转速偏差 (t e 、 PWM 驱动电路的输入量 (t 、 转速 (t w 和转矩 Te 的仿真结果见图 7。 4 结论本文较具体的介绍了基于模糊控制的直流电机PWM 调速系统, 仿真结果表明智能控制技术和 PWM技术的引入能有效抑制超调量,提高系统响应速度和稳态性能,并且模糊控制技术能优化系统结构,使系 统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,适应于各种不同 的场合。图 7 仿真结果收稿日期 2005-04-06作者简介李勇(1982-,湖南大学电气与信息工程学 院在读硕士研究生,目前主要从事电机控制 及其仿真,新型换流变压器及高压直流输电 系统的理论研究。d e g r e ee (r a d &#