浅谈基于模糊控制的电机调速

叶正茂

（武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

1 前言

直流电机因其良好的调速特性，比较宽广的调速范围，在调速性能要求较高的场合得到了广泛应用。

直流电机调速主要有两种方法：励磁控制法和电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM（脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

2 直流电机调速原理

PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的“占空比”，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统。启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。

PWM调速控制的电路原理图如图1所示。

该电路用到的电力电子器件为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。直流电机励磁方式为他励式。

图1 电路原理图

若电机始终接通电源时，电机转速为最大，设为Vmax，并且设占空比为D，并且有：D=t/T。其中T为周期，t为一个周期中电机接通电源的时间。那么可以得出电机平均转速为：

由公式可知，当改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均转速V，从而达到调速的目的。严格的讲，电机平均转速V与占空比D并不是严格的线性关系，但是在一般的应用中，可以当成线性关系来处理。

在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。

3 基于模糊控制技术的直流电机调速

模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立对象的精确数学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成比较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪声以及非线性、时变性、时滞等影响。模糊控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。

模糊控制器是模糊控制系统的核心。它是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以又称为模糊语言控制器。模糊控制系统的基本结构图如图2所示。

图2 模糊控制系统

3.1 模糊控制器的输入、输出变量

在人工控制中，一般根据被控制量的误差E、误差变化EC和误差变化的速率ER进行决策。模糊控制器的输入变量通常取E或E和EC或E、EC和ER，分别构成所谓的一维、二维、三维模糊控制器。一维模糊控制器的动态性能不佳，通常用于一阶被控对象，二维模糊控制器的控制性能和控制复杂性都比较好，是目前广泛采用的一种形式。一般选择控制量的增量作为模糊控制器的输出变量。

3.2 描述输入输出变量的词集

在模糊控制中，输入输出变量的大小是以语言形式描述的，因此要选择藐视这些变量的词汇。一般选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入输出变量的状态，再加上正负两个方向和零状态，总共有七个词汇，即：

｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝

一般用英文表示为

一般情况下，选择上述七个词汇比较合适，也可以多选或者少选。选择较多的词汇可以精确描述变量，提高控制精度，但使控制规则变得复杂；选择过少的词汇使变量表述太粗糙，导致控制器性能变坏。为了提高系统稳态精度，通常在误差接近于零时增加分辨率，将“零”又分为“正零”和“负零”，词集表示为

3.3 模糊控制规则

对于本文所提及的模糊控制器主要是面向直流电机的调速，因此设其输入量为转速偏差E和转速偏差率EC，输出为控制量U，每一条控制语言都采用以上三个变量来描述。模糊控制规则的建立依赖的是使用电机调速系统的经验。在本文中，其控制规则依赖的是实际转速与给定基准转速的比较，所建立的控制规则表见表1。

表1 模糊规则控制表

例如表中第一条规则如下：

即电机实际转速与给定基准转速偏差正大、偏差变化率正大，此时电机实际转速比基准转速小而且有转速继续下降的趋势，那么就要用控制量负大来抑制这种趋势。具体来说，假设直流电机的实际转速与基准转速偏差E的论域为[a，b]（指偏差E的变化区间，一般为关于零的对称区间），偏差的变化率EC的论域为[c，d]，于是可以把这两个区间分别均分成七个子区间，且这些子区间分别对应于模糊规则控制表中的模糊变量词汇。这样，对于各自论域中的任何E或者EC，都可以映射到表1所示的模糊规则控制表中，然后对应得出输出模糊变量U，然后根据一定的“清晰化”规则得出U的具体值。

[1]林敏，丁金华，田涛.计算机控制技术及工程应用[M].北京：国防工业出版社，2005，（8）.

[2]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2001.