CN105186940A - 基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器 - Google Patents

基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器 Download PDF

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宋宗玺
杜永超
骆鹏飞
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Abstract

本发明公开了一种基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器，该控制器由模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器组成，三个位置传感器互差120°机械角度安装于电机内部，模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器依电回路方式连接整体构成基于模糊控制的无刷直流电机控制器。本发明电路简单，成本低廉，抗干扰，动静态伺服特性好，通过在DSP内部实现模糊控制算法，有效的解决了传统控制算法的跟踪精度不高的问题。

Description

基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器
技术领域
本发明涉及电子设备，尤其是一种基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器。
背景技术
直流无刷电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，故其应用范围极其广泛，遍及国防、航空航天、医疗器械、家用电器、机器人等各个领域。
发明内容
本发明的目的是：提出一种基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器，该控制器对无刷直流电机进行位置跟踪控制，通过在DSP内部实现模糊控制算法，有效的解决传统控制算法的跟踪精度不高的问题，
抗干扰，控制方法简单。
本发明的技术解决方案是：该基于模糊控制的无刷直流电机控制器由模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器组成，三个位置传感器互差120°机械角度安装于电机内部，模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器依电回路方式连接，整体构成基于模糊控制的无刷直流电机控制器；所述控制器的硬件电路由驱动电路、光耦隔离电路、电流传感器、位置传感器、显示及控制电路、通用I/O、DSP及其***电路依电路方式连接组成；驱动电路负责把产生的PWM信号进行功率放大，用以产生无刷直流的驱动信号，选用的场效用管为2N7224；光耦隔离电路用于将DSP输出的数字信号与驱动电机的功率信号相隔离，选用的隔离电路型号为ACPL061L；电流传感器用以检测三相电流，检测电路所用的运算型号为AD844，检测的电流信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；位置传感器，用以获得驱动信号的相位，该信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；DSP及其***电路根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制；其具体电路连接如下：DSPTMS320C2801的引脚47、44、45、48、51、53分别经过光耦隔离器ACPL061L隔离后，连接驱动电路的T1、T4、T2、T5、T3、T6进行驱动放大，放大后的A，B，C三相信号直接驱动直流无刷电机；电流传感器信号获得信号，通过DSP上的23、22、21引脚进行ADC转换，获得电流传感器的数字信号；位置传感器通过DSP的20、19、18引脚进行ADC转换，获得位置传感器的数字信号；DSP的引脚43、79、83、91、92、95、99、100、1、8、9分别连接显示器HJ1602A的5、6、7、8、9、10、11、12、13、14引脚，DSP的引脚63、64、67、70、71、72作为通用I/O控制输出，为***以后扩展使用；DSP根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制。
其模糊控制的工作过程是：通过给定位置信号Ua与回馈位置信号Ub产生的偏差信号，经过模糊位置调节器得到速度的参考值Ug，根据位置传感器的微分得到当前转速Us，通过速度调节器计算得到速度给定的参考值，通过增益调节器转换得到调节器的输出去调节PWM波占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，实现对无刷直流电机的位置跟踪控制。
本发明的有益效果是：
1、充分利用模糊控制（FuzzyControl）对***参数变化及外界扰动影响不敏感，不需要十分精确的数学模型，以及在实现过程中具有降阶解耦、算法简单的特点，实现模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器；
2、对比传统无刷电机控制器相比，该模糊控制器：超调小，优于0.15％；调节时间短，优于0.05秒；跟踪精度高，最大误差优于0.05％；
3、采用模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器成本低廉，电路简单，动静态伺服特性好；
4、采用复合型模糊控制器，选取位移误差、误差变化量作为***输入，PWM控制信号作为***输出，模糊控制器根据位移误差和误差变化量对性能影响的不同，采用模糊规则进行参数调整，在偏差较大时以提高***的响应速度，加快响应过程，而在偏差较小时采用PID控制技术，消除静态误差，提高控制精度。
附图说明
图1是本发明的基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器框架结构图。
图2是图1的硬件电路框图。
图3是图2的驱动电路的电路图。
图4是图2的电流检测电路的电路图。
图5是图1的位置传感器的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术解决方案作进一步说明。
如图1-5所示，该基于模糊控制的无刷直流电机控制器由模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器组成，三个位置传感器互差120°机械角度安装于电机内部，模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器依电回路方式连接，整体构成基于模糊控制的无刷直流电机控制器；所述控制器的硬件电路由驱动电路、光耦隔离电路、电流传感器、位置传感器、显示及控制电路、通用I/O、DSP及其***电路依电路方式连接组成；驱动电路负责把产生的PWM信号进行功率放大，用以产生无刷直流的驱动信号，选用的场效用管为2N7224；光耦隔离电路用于将DSP输出的数字信号与驱动电机的功率信号相隔离，选用的隔离电路型号为ACPL061L；电流传感器用以检测三相电流，检测电路所用的运算型号为AD844，检测的电流信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；位置传感器，用以获得驱动信号的相位，该信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；DSP及其***电路根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制；其具体电路连接如下：DSPTMS320C2801的引脚47、44、45、48、51、53分别经过光耦隔离器ACPL061L隔离后，连接驱动电路的T1、T4、T2、T5、T3、T6进行驱动放大，放大后的A，B，C三相信号直接驱动直流无刷电机；电流传感器信号获得信号，通过DSP上的23、22、21引脚进行ADC转换，获得电流传感器的数字信号；位置传感器通过DSP的20、19、18引脚进行ADC转换，获得位置传感器的数字信号；DSP的引脚43、79、83、91、92、95、99、100、1、8、9分别连接显示器HJ1602A的5、6、7、8、9、10、11、12、13、14引脚，DSP的引脚63、64、67、70、71、72作为通用I/O控制输出，为***以后扩展使用；DSP根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制。
其模糊控制的工作过程是：通过给定位置信号Ua与回馈位置信号Ub产生的偏差信号，经过模糊位置调节器得到速度的参考值Ug，根据位置传感器的微分得到当前转速Us，通过速度调节器计算得到速度给定的参考值，通过增益调节器转换得到调节器的输出去调节PWM波占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，实现对无刷直流电机的位置跟踪控制。
上述模糊控制器按规则进行工作，模糊逻辑推理方法采用Mamdani极大极小推理法，将误差E和误差变化量EC的模糊规则值量化为查找表，模糊规则表如下：
根据模糊规则表，推理合成规则计算Ug=(E╳EC)K得出速度的参考值（K为权重系数）；速度的测量值Us根据位置传感器获得两个时刻的位置信息Si+1，Si的差获得，Us=Si+1-Si，对于速度的测量值Us采用3点平滑法，以提高速度的稳定性；速度调节器，根据速度的误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制(即PID控制)；增益调节器，将调整后的参数转换为PWM控制信息，并产生控制直流电机的驱动信号，其驱动电路的示意图如图3所示，T1、T2、T3、T4、T5、T6为PWM控制信号，A、B、C为产生的无刷电器驱动信号；位置传感器，采用霍尔型磁敏式位置传感器，位置传感器安装于电机内部，三个传感器各代表三相位置信号，互差120°机械角度安装。

Claims (2)

1.基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器，其特征是：该控制器由模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器组成，三个位置传感器互差120°机械角度安装于电机内部，模糊位置调节器、速度调节器、增益调节器、直流无刷电机和位置传感器依电回路方式连接；所述控制器的硬件电路由驱动电路、光耦隔离电路、电流传感器、位置传感器、显示及控制电路、通用I/O、DSP及其***电路依电路方式连接组成；驱动电路负责把产生的PWM信号进行功率放大，用以产生无刷直流的驱动信号，选用的场效用管为2N7224；光耦隔离电路用于将DSP输出的数字信号与驱动电机的功率信号相隔离，选用的隔离电路型号为ACPL061L；电流传感器用以检测三相电流，检测电路所用的运算型号为AD844，检测的电流信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；位置传感器，用以获得驱动信号的相位，该信号经过DSP上的ADC转换为数字信号；DSP及其***电路根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制；其具体电路连接如下：DSPTMS320C2801的引脚47、44、45、48、51、53分别经过光耦隔离器ACPL061L隔离后，连接驱动电路的T1、T4、T2、T5、T3、T6进行驱动放大，放大后的A，B，C三相信号直接驱动直流无刷电机；电流传感器信号获得信号，通过DSP上的23、22、21引脚进行ADC转换，获得电流传感器的数字信号；位置传感器通过DSP的20、19、18引脚进行ADC转换，获得位置传感器的数字信号；DSP的引脚43、79、83、91、92、95、99、100、1、8、9分别连接显示器HJ1602A的5、6、7、8、9、10、11、12、13、14引脚，DSP的引脚63、64、67、70、71、72作为通用I/O控制输出，为***以后扩展使用；DSP根据电流传感器和位置传感器的数字信号，结合模糊控制算法，实现PWM控制信号的产生，进而实现对无刷直流电机的控制。
2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无刷直流电机位置跟踪控制器，其特征是其模糊控制的工作过程是：通过给定位置信号Ua与回馈位置信号Ub产生的偏差信号，经过模糊位置调节器得到速度的参考值Ug，根据位置传感器的微分得到当前转速Us，通过速度调节器计算得到速度给定的参考值，通过增益调节器转换得到调节器的输出去调节PWM波占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，实现对无刷直流电机的位置跟踪控制。
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