CN107612433B - 基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其中无刷电机采用单闭环***控制，包含以下步骤：S1、由单闭环***控制提供给定速度；S2、在无刷电机的旋转过程中，根据与无刷电机端连接安装的霍尔传感器产生电压信号，捕获并分析计算得到反馈速度；S3、比较给定速度和反馈速度，得到速度偏差信号；S4、由改进型速度闭环控制器对速度偏差信号进行改进型速度闭环控制调制；S5、完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号输入至PWM信号发生器，调制产生的PWM信号波控制无刷电机的转速。本发明能平衡***快速机动性与控制精确性间的矛盾，提高速度单环控制的无刷电机的动态响应和稳态控制性能。

Description

基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷电机单闭环控制方法，具体是指一种基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

随着现代控制技术、新型功率开关器件和电力电子应用技术的不断进步以及稀土永磁材料的开发利用，电机及其控制技术得到飞速发展。现有技术中，永磁直流无刷电机作为新型电机的代表，具有体积小、效率高、功率密度大、结构简单可靠、易于控制等优点，并且被越来越多的应用于各种电控场合。在实际应用中，无刷电机常遇到大机动快速响应与高精度稳定控制这两者相互矛盾的需求。

为解决这一矛盾，需要采用一定的控制方法和控制理论对电机控制***进行优化设计。电机调速控制***一般采用闭环控制方式，根据不同的控制需求，又可分为单闭环和多闭环控制。一般来说，合理的增加闭环***的闭环深度，有利于提高电机闭环***的控制性能。

针对无刷直流电机调速***，一般采用的是速度单环控制以及速度电流双环控制等方式。其中，速度电流双环控制的方案可以有效的提高电机控制性能，然而电流环的增加设置，一方面会增加硬件成本，另一方面在一些对结构尺寸要求比较严格的场合需要占用更多的尺寸空间。因此，在一定的应用场景下，速度单环控制的方案会成为更佳的选择。

对于单环***而言，在硬件受限的情况下，对软件算法进行优化设计就显得尤为有价值。对于一般无刷电机的速度单环控制***而言，常采用基于DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)的硬件电路***设计方案，利用数字PID(Proportion-Integral-Derivative，比例-积分-微分)调节器和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式。DSP捕获无刷电机的三相霍尔电压信号，根据捕获信号上升沿跳变时间解算出电机转速，DSP将解算出的电机实时转速信息与电机参考转速相比较，其差值经数字PID调节器调节，产生电压调制信号，经PWM调制输出至功率驱动模块，从而驱动无刷电动舵机运动。

其中，PID调节器又名比例-微分-积分调节器，其输出量是其输入的比例、微分和积分量的和函数，具有算法简单、参数便于调节、控制无静差等特点，广泛应用于工控领域。但是由于无刷电机本身非线性、时变性的特点，采用PID闭环控制的无刷电机控制***存在着动态响应性能与超调量指标无法兼容的难题，控制效果很难达到预期控制目标，需要选择和设计更合适的控制方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，平衡***快速机动性与控制精确性间的矛盾，提高速度单环控制的无刷电机的动态响应和稳态控制性能。

为实现上述目的，本发明提供一种基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其中无刷电机采用单闭环***控制，包含以下步骤：

S1、由单闭环***控制提供给定速度；

S2、在无刷电机的旋转过程中，根据与无刷电机端连接安装的霍尔传感器产生电压信号，捕获并分析计算得到反馈速度；

S3、比较给定速度和反馈速度，得到速度偏差信号；

S4、由改进型速度闭环控制器对速度偏差信号进行改进型速度闭环控制调制；

S5、完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号输入至PWM信号发生器，调制产生的PWM信号波控制无刷电机的转速。

所述的S4中，改进型速度闭环控制器由积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器和选择开关构成，具体包含以下步骤：

S41、将速度偏差信号分别传输至积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器和选择开关；

S42、积分分离模糊PID控制器根据速度偏差信号，计算得出积分分离模糊PID控制结果，并输出至选择开关；

S43、数字PI控制器根据速度偏差信号，计算得出增量式的数字PI控制结果，并输出至选择开关；

S44、选择开关根据速度偏差信号和选择规则，对积分分离模糊PID控制结果和数字PI控制结果进行选择，并输出至PWM信号发生器。

所述的S42中，积分分离模糊PID控制器由积分分离PID控制器与模糊控制器构成，具体包含以下步骤：

S421、模糊控制器利用模糊控制方法对PID控制参数进行整定，具体为：依据速度偏差信号e及速度偏差变化量ec的模糊子域隶属度函数进行参数模糊化；确定模糊控制规则；进行去模糊化，并选择参数校正因子进行校正；

所述的PID控制参数包含：比例控制参数K_p、积分控制参数K_i和微分控制参数K_d；

S422、积分分离PID控制器根据速度偏差信号选择对应的控制方式进行积分分离PID控制。

所述的S421中，模糊子域隶属度函数按照以下公式建立：

其中，x为模糊输入变量，其值小、中和大分别对应于a、b、c。

所述的S421中，模糊控制规则为：

当e>0且ec<0时，K_p先减少后增大，K_i先增大后保持或减少，K_d先增大后保持或减少；

当e<0且ec<0时，增加K_p，降低K_i，减小K_d；

当e<0且ec>0时，减小K_p，保持K_i，降低K_d；

当e>0且ec>0时，减小K_d，保持K_p和K_i。

所述的S422中，积分分离PID控制器所进行的积分分离PID控制算法为：

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；T为采样周期；K_d为微分控制参数；β为积分开关系数，当|e(k)|≤δ时，β＝1；当|e(k)|>δ时，β＝0；δ为预设的门限值。

所述的S43中，数字PI控制器计算得出的增量式数字PI控制结果为：

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)T；

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；T为采样周期。

所述的S44中，具体包含以下步骤：

S441、无刷电机的单闭环控制启动时，选择开关选择采用积分分离模糊PID控制方法，即选择开关采用积分分离模糊PID控制器输出的控制结果，并输出至PWM信号发生器；

S442、无刷电机的单闭环控制启动后，选择开关实时记录速度偏差信号e和速度偏差变化量ec；

S443、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则从该零点开始采用数字PI控制方式，即选择开关选择采用数字PI控制器输出的控制结果，输出至PWM信号发生器，并继续执行S444；否则继续采用积分分离模糊PID控制方法，并重复执行S443；

S444、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式再次反向过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则选择开关继续采用数字PI控制方式，并重复执行S444；若速度偏差信号e发生突变，且速度偏差变化量ec超出给定速度的5％，则选择开关再次采用积分分离模糊PID控制方法，并返回执行S443。

所述的S5中，PWM信号发生器根据完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号，以及对霍尔传感器的采样输入信号，实现PWM脉冲调制功能、开关导通选择功能和电机双向运行控制功能，并调制产生PWM信号波以控制无刷电机的转速。

综上所述，本发明所提供的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1)该方法弥补了传统PID控制方式无法兼顾快速性和准确性指标的弊端，在保证准确性的同时大大提高了响应速度；

2)该方法使得无刷电机实现了在大速度变化范围内的高精度速度控制；

3)该方法提高了高频响应时的动态性能，改善了同频率条件下无刷电机的幅频特性。

附图说明

图1为本发明中的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法的原理框图；

图2为本发明中的积分分离PID控制器的工作流程图；

图3为本发明中的积分分离模糊PID控制器的原理框图；

图4为本发明中的改进型速度闭环控制器的原理框图；

图5为本发明中的PWM信号发生器的原理框图；

图6为本发明中的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法的详细设计图；

图7为本发明中的ΔK_p的模糊控制规则参数整定表；

图8为本发明中的ΔK_i的模糊控制规则参数整定表；

图9为本发明中的ΔK_d的模糊控制规则参数整定表。

具体实施方式

以下结合图1～图9，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1和图6所示，为本发明所提供的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法的原理框图，其中无刷电机采用单闭环***控制，速度环由给定速度和反馈速度构成，包含以下步骤：

S1、由单闭环***控制提供给定速度；

S2、在无刷电机的旋转过程中，根据与无刷电机端连接安装的霍尔传感器产生电压信号，捕获并分析计算得到反馈速度；

S3、比较给定速度和反馈速度，得到速度偏差信号；

S4、由改进型速度闭环控制器对速度偏差信号进行改进型速度闭环控制调制；

S5、完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号输入至PWM信号发生器，调制产生的PWM信号波控制无刷电机的转速。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、在无刷电机的旋转过程中，由霍尔传感器采集得到电压信号；

S22、由转速计算模块将电压信号转换并得到无刷电机的反馈速度。

如图4所示，所述的S4中，改进型速度闭环控制器由积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器、选择开关构成，具体包含以下步骤：

S41、将速度偏差信号分别传输至积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器和选择开关；

S42、积分分离模糊PID控制器根据速度偏差信号，计算得出积分分离模糊PID控制结果，并输出至选择开关；

S43、数字PI控制器根据速度偏差信号，计算得出增量式的数字PI控制结果，并输出至选择开关；

S44、选择开关根据速度偏差信号和选择规则，对积分分离模糊PID控制结果和数字PI控制结果进行选择，并输出至PWM信号发生器。

如图3所示，所述的S42中，积分分离模糊PID控制器由积分分离PID控制器与模糊控制器构成，具体包含以下步骤：

S421、模糊控制器利用模糊控制方法对PID控制参数进行整定；所述的PID控制参数包含：比例控制参数K_p、积分控制参数K_i和微分控制参数K_d；

S422、积分分离PID控制器根据速度偏差信号选择对应的控制方式进行积分分离PID控制。

如图3所示，所述的S421中，包含参数模糊化，设定模糊控制规则，去模糊化的过程；具体为：依据速度偏差信号及速度偏差变化量的模糊子域隶属度函数进行参数模糊化，根据模糊推理规则设计出模糊规则表，最后进行去模糊化，并根据工程经验选择合适的参数校正因子进行参数校正。因此，该步骤其实是将模糊推算计算输出的校正后结果用于积分分离PID控制器的参数整定，从而得到较为优选的PID控制参数。

该模糊控制器具有两个输入量，分别为速度偏差信号e和速度偏差变化量ec；同时具有三个输出量，分别为ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。设K_p0、K_i0、K_d0分别为初值，则三个PID控制参数可表示为：

在进行参数模糊化的过程中，设输入量和输出量的论域分别为：

e和ec的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}；

ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}；

输入输出模糊子集均为{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}，因此模糊子集的隶属度函数可选取三角形函数。

本发明中，所述的模糊子域隶属度函数按照以下公式建立：

其中，x为模糊输入变量，其值“小”(S)、“中”(M)和“大”(B)分别对应于a、b、c。

在设定模糊控制规则的过程中，根据Mamdani模糊推理类型，模糊推理蕴含关系可作如下表达：如果e＝A，并且ec＝B，则ΔK_p＝C，ΔK_i＝D，ΔK_d＝E。

本发明中，所述的模糊控制规则为：

当e>0且ec<0时，K_p先减少后增大，K_i先增大后保持或减少，K_d先增大后保持或减少；

当e<0且ec<0时，增加K_p，降低K_i以减少速度，减小K_d；

当e<0且ec>0时，减小K_p，保持K_i，降低K_d以减少速度；

当e>0且ec>0时，减小K_d，保持K_p和K_i，以PI控制为主。

根据以上模糊控制规则，建立ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的模糊控制规则参数整定表，分别如图7、8、9所示。

在去模糊化的过程中，采用离散化面积重心法进行，计算方法如下：

其中，u₀为输出量，u_i为离散隶属函数横坐标，A(u_i)为u_i坐标点对应的隶属函数的函数值。

经过解模糊化可得到ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的计算值，一般还需要乘上参数校正因子即可得到实际控制用的输出变量值，记为ΔK_p’、ΔK_i’、ΔK_d’，由差值与初始值求和即可得到模糊控制后的K_p、K_i、K_d的实际值：

如图2所示，所述的S422中，具体包含以下步骤：

设置门限值δ，且δ>0；

将速度偏差信号的绝对值|e(k)|与门限值δ进行比较；当|e(k)|≤δ时，引入积分作用，即采用PID控制方式，使得静差较小，以提高控制精度；当|e(k)|>δ时，取消积分作用，即采用PD控制方式，以提高响应速度。

也就是说，积分分离PID控制器所进行的积分分离PID控制算法为：

为方便计算，采用增量式的PID控制方式，其表达式可进一步显示为：

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；T为采样周期；K_d为微分控制参数；β为积分开关系数，当|e(k)|≤δ时，β＝1；当|e(k)|>δ时，β＝0；δ为预设的门限值。

结合上述对PID控制参数的模糊控制，积分分离PID控制器所进行的积分分离PID控制算法可表示为：

所述的S43中，数字PI控制器计算得出的增量式数字PI控制结果为：

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)T；

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；T为采样周期。

所述的S44中，具体包含以下步骤：

S441、无刷电机的单闭环控制启动时，选择开关选择采用积分分离模糊PID控制方法，即选择开关采用积分分离模糊PID控制器输出的控制结果，并输出至PWM信号发生器；

S442、无刷电机的单闭环控制启动后，选择开关实时记录速度偏差信号e和速度偏差变化量ec；

S443、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则从该零点开始采用数字PI控制方式，即选择开关选择采用数字PI控制器输出的控制结果，输出至PWM信号发生器，并继续执行S444；否则继续采用积分分离模糊PID控制方法，并重复执行S443；

S444、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式再次反向过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则选择开关继续采用数字PI控制方式，并重复执行S444；若速度偏差信号e发生突变，且速度偏差变化量ec超出给定速度的5％，则选择开关再次采用积分分离模糊PID控制方法，并返回执行S443。

如图5所示，所述的S5中，PWM信号发生器由三角波生成模块、PWM比较模块、双向运行控制模块、两两导通方式模块以及PWM信号输出模块构成。该PWM信号发生器根据完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号，以及对霍尔传感器的采样输入信号，实现PWM脉冲调制功能、开关导通选择功能和电机双向运行控制功能，并调制产生PWM信号波以控制无刷电机的转速。

基于上述，请参考图6，为本发明所提供的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法的详细设计图；其将图1～图5中所记载的内容有机融合，构成采用改进型速度闭环控制算法的无刷电机闭环控制***。

综上所述，本发明所提供的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，针对传统数字PID闭环方案的缺陷进行改进和优化设计，引入积分分离PID控制方法，并将模糊控制与之相结合，构成积分分离模糊PID控制器。与此同时，根据分段控制的设计思想，将PI控制器与上述积分分离模糊PID控制器复合，通过选择开关选择具体的控制方式，从而构成一种改进型速度闭环控制器。在实际应用中，改进型速度闭环控制器根据选择开关的选择结果执行具体的控制方式，在保证速度闭环***满足快速性指标的同时满足稳定性指标。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，无刷电机采用单闭环***控制，包含以下步骤：

S1、由单闭环***控制提供给定速度；

S2、在无刷电机的旋转过程中，根据与无刷电机端连接安装的霍尔传感器产生电压信号，捕获并分析计算得到反馈速度；

S3、比较给定速度和反馈速度，得到速度偏差信号；

S4、由改进型速度闭环控制器对速度偏差信号进行改进型速度闭环控制调制；

S5、完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号输入至PWM信号发生器，调制产生的PWM信号波控制无刷电机的转速；

所述的S4中，改进型速度闭环控制器由积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器和选择开关构成，具体包含以下步骤：

S41、将速度偏差信号分别传输至积分分离模糊PID控制器、数字PI控制器和选择开关；

S42、积分分离模糊PID控制器根据速度偏差信号，计算得出积分分离模糊PID控制结果，并输出至选择开关；

S43、数字PI控制器根据速度偏差信号，计算得出增量式的数字PI控制结果，并输出至选择开关；

S44、选择开关根据速度偏差信号和选择规则，对积分分离模糊PID控制结果和数字PI控制结果进行选择，并输出至PWM信号发生器；

所述的S44中，具体包含以下步骤：

S441、无刷电机的单闭环控制启动时，选择开关选择采用积分分离模糊PID控制方法，即选择开关采用积分分离模糊PID控制器输出的控制结果，并输出至PWM信号发生器；

S442、无刷电机的单闭环控制启动后，选择开关实时记录速度偏差信号e和速度偏差变化量ec；

S443、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则从该零点开始采用数字PI控制方式，即选择开关选择采用数字PI控制器输出的控制结果，输出至PWM信号发生器，并继续执行S444；否则继续采用积分分离模糊PID控制方法，并重复执行S443；

S444、在速度偏差信号e以ec小于0和ec大于0这两种方式再次反向过零点的过程中，选择开关提取速度偏差信号的最大值e_max；

在速度偏差信号e下一次过零点时，选择开关对e_max进行判断；若e_max小于给定速度的3％，则选择开关继续采用数字PI控制方式，并重复执行S444；若速度偏差信号e发生突变，且速度偏差变化量ec超出给定速度的5％，则选择开关再次采用积分分离模糊PID控制方法，并返回执行S443。

2.如权利要求1所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S42中，积分分离模糊PID控制器由积分分离PID控制器与模糊控制器构成，具体包含以下步骤：

S421、模糊控制器利用模糊控制方法对PID控制参数进行整定，具体为：依据速度偏差信号e及速度偏差变化量ec的模糊子域隶属度函数进行参数模糊化；确定模糊控制规则；进行去模糊化，并选择参数校正因子进行校正；

所述的PID控制参数包含：比例控制参数K_p、积分控制参数K_i和微分控制参数K_d；

S422、积分分离PID控制器根据速度偏差信号选择对应的控制方式进行积分分离PID控制。

3.如权利要求2所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S421中，模糊子域隶属度函数按照以下公式建立：

其中，x为模糊输入变量，其值小、中和大分别对应于a、b、c。

4.如权利要求2所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S421中，模糊控制规则为：

当e>0且ec<0时，K_p先减少后增大，K_i先增大后保持或减少，K_d先增大后保持或减少；

当e<0且ec<0时，增加K_p，降低K_i，减小K_d；

当e<0且ec>0时，减小K_p，保持K_i，降低K_d；

当e>0且ec>0时，减小K_d，保持K_p和K_i。

5.如权利要求2所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S422中，积分分离PID控制器所进行的积分分离PID控制算法为：

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；

T为采样周期；K_d为微分控制参数；β为积分开关系数，当|e(k)|≤δ时，β＝1；

当|e(k)|>δ时，β＝0；δ为预设的门限值。

6.如权利要求2所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S43中，数字PI控制器计算得出的增量式数字PI控制结果为：

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)T；

其中，e(k)为速度偏差信号；K_p为比例控制参数；K_i为积分控制参数；T为采样周期。

7.如权利要求1所述的基于改进型速度闭环控制算法的无刷电机单闭环控制方法，其特征在于，所述的S5中，PWM信号发生器根据完成改进型速度闭环控制调制的速度偏差信号，以及对霍尔传感器的采样输入信号，实现PWM脉冲调制功能、开关导通选择功能和电机双向运行控制功能，并调制产生PWM信号波以控制无刷电机的转速。

Images