本发明涉及小型船的电机控制领域，尤其涉及一种基于模糊pi的小型船用电力无刷直流推进电机控制系统。
背景技术：
随着现代控制理论、计算机科学、电力电子等技术的高速发展，传统的船舶行业也逐渐向智能化、自动化和集成化方向发展。其中，小型船舶是航运业发展的中坚力量和货物运输的主要载体，因此在国民经济的发展中发挥着至关重要的作用。而电力推进装置是小型船舶的重要组成部分，无刷直流电机又具有结构简单、机械特性好、耐用等优点，从而在小型船舶电力推进装置中有着广泛地应用。近年来，海上环境污染日趋严重，为了打造环保海上丝绸之路，国家提出了节能减排的政策。其中，航运业作为国家重要的经济命脉，各个航运公司和沿海周边渔民都积极响应，通过对小型船舶动力推进部分采用电力推进的方式替代传统的柴油动力系统来减少燃油尾气排放，降低环境污染。而无刷直流电机以其结构简单、功耗低、转速高、换相可靠、机械特性简单以及调速特性好等优点被广泛地作为小型船舶的推进电机。但在实际应用中，小型船用电力无刷直流推进电机控制器多以dsp、fpga等为主控制芯片，本身具有编程开发困难、灵活不高、兼容性差等缺点。而且dsp、fpga价格昂贵，无疑增加了航运企业和渔民的购买成本、降低了其运营收入。而stm32控制芯片具有性能高、成本低、功耗低、编程开用库开发、易于上手等显著优点，因此小型船用电力无刷直流推进电机控制器采用stm32为主控芯片代替昂贵的dsp、fpga控制芯片。而且传统控制器的设计多采用经典的pi控制算法，具有控制方法简单、易于实现等优点，但由于无刷直流电机本身具有分线性、强耦合等特点，因此很难达到预期控制效果。
技术实现要素：
根据现有技术存在的问题，本发明公开了基于模糊pi的小型船用电力无刷直流推进电机控制系统，包括：
与无刷直流推进电机相连接用于检测该电机转子的位置信号的三相霍尔传感器；
接收所述三相霍尔传感器传送的霍尔位置信号的主控模块，所述主控模块将接收到的霍尔位置信号转换成无刷直流推进电机的反馈转速值ω、将给定转速值ω*与反馈转速值ω做差计算出速度误差e(k)，通过模糊pi控制算法对无刷直流推进电机进行调节控制：首先判断速度误差e(k)是否大于设定的阈值，如果大于阈值则推算出误差变化率ec，将速度误差e(k)和误差的变化率ec量化到模糊论域中通过模糊控制器进行模糊推理和解模糊处理，如果小于阈值则对无刷直流推进电机的转速进行控制和调节从而输出电流pi控制器的参考值；
所述主控模块通过人机交互接口与gui上位机监控界面相连接。
所述主控模块包括用于采集滑动变阻器上电压信息的ad采样接口、速度模糊pi控制模块、电流pi控制模块和pwm调制及换相模块；所述ad采样接口将模拟电压信号转换成数字信号作为转速的给定值、将其转速计算模块计算出的反馈速度值做差计算出速度误差e(k)并传送至速度模糊pi控制模块中，所述速度模糊pi控制模块采用模糊处理方式进行数据处理将计算出的电流环的电流参考值i*(k)传送至电流pi控制模块中，所述电流pi控制模块与pwm调制及换相模块相连接。
该系统还包括功率放大模块，所述pwm调制及换相模块将pwm脉冲宽度调制信号传送至功率放大模块进行功率放大；所述功率放大模块的输出端与逆变模块相连接，所述逆变模块的输出端与无刷直流推进电机相连接，所述逆变模块的桥臂底端与电流采集模块相连接，所述电流采集模块的输出端与ad转换模块相连接，所述ad转换模块的输出端与电流pi控制模块的输入端相连接。
所述主控模块还包括转速计算模块，所述转速计算模块接收所述三相霍尔传感器传送的霍尔位置信号将该信号转换成电机的转速信息、将转速信息实时传送至速度模糊pi控制模块的输入端。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于模糊pi的小型船用电力无刷直流推进电机控制系统，本系统结合模糊控制理论提出了模糊自适应pi控制算法，通过模糊逻辑控制对参数进行在线调节，根据电机不同的运行状态采用不同的pi参数，实验结果表明模糊pi控制有着更好的响应性能，在超调、响应速度、稳态精度等方面均优于传统的pi控制，并且本系统增加了以matlab为核心自主设计gui的上位机监控界面，此gui上位机监控界面能够以曲线的形式实时显示小型船用电力无刷直流推进机的转速、电压、电流、温度等信号，更加直观形象。而传统监控界面采用工控机，具有价格昂贵的缺点。因此本系统能够克服小型船舶电力无刷直流推进电机在采用传统pi控制器时所带来的静态性能不佳、鲁棒性不强、调速性能差等缺点，
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统的原理图；
图2为本发明中速度模糊pi控制器模块的原理框图；
图3为本发明中速度模糊pi控制器输入变量的隶属度函数的示意图；
图4为本发明中δkp的模糊规则空间曲面图；
图5为本发明中δki的模糊规则空间曲面图；
图6为本发明中系统主程序控制流程图；
图7为本发明中速度模糊pi控制器流程图；
图8为传统pi控制器下的转速变化流程图；
图9为本发明中模糊pi控制器下的转速变化流程图；
图10为本发明中gui上位机界面监控终端的示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1、图6和图7所示的基于模糊pi的小型船用电力无刷直流推进电机控制系统，包括与滑动变阻器1相连接的主控模块2，其中主控模块的2主控芯片可以采用型号为stm32f103的控制芯片，主控模块2包括转速计算模块2-5、ad采样接口2-1、速度模糊pi控制模块2-2、电流pi控制模块2-4和pwm调制及换相模块2-6。滑动变阻器1与主控模块2中的ad采样接口2-1相连接，通过对滑动电阻器1上的电压值不断进行ad采样从而把模拟电压信号转化为数字信号给主控模块2来作为电机的给定转速值ω*。在无刷直流推进电机8运行的同时，其内部安装的三相霍尔传感器4能够感知到转子位置变化的快慢，从而产生频率发生变化的高低电平信号。由于三相霍尔传感器4检测到的三组连续的高低电平信号既反映了无刷直流推进电机内部转子位置变化情况，也间接反应了电机运行的快慢。但是这些霍尔位置信号需要经过转速计算模块2-5才能计算出电力无刷直流推进电机的转速大小，转速计算模块2-5其内部采用软件编程的方式实现转速计算。
其中，所述ad采样接口2-1将该模拟电压信号转换成数字信号作为转速的给定值，然后将其转速计算模块2-5计算出的反馈速度值做差计算出速度误差e(k)并传送至速度模糊pi控制模块2-2中，速度误差e(k)经过所述速度模糊pi控制模块2-2的模糊处理后在其输出端输出电流环的电流参考值i*(k)，电流采集模块7实为采样电阻，对逆变模块6上的母线电流进行采集，采样电阻上电压的变化情况间接的反映了电流的变化，经ad转换模块5是把对应的模拟电压信号转化成数字电流信号。由于电压＝电阻*电流，把模拟电压信号转换成数字信号就相当于把模拟电流信号转换成了数字的电流信号。经adc接口2-7接入主控模块2中从而作为电流的反馈值i(k)。速度模糊pi控制模块输出的电流参考值i*(k)与电流反馈值i(k)做差，其电流值误差作为电流pi控制模块2-4的输入，所述电流pi控制模块2-4的输出端与pwm调制及换相模块2-6相连接，所述pwm调制及换相模块2-6实时接收所述三相霍尔传感器4传送的霍尔位置信号和电流pi控制模块2-4输出的调节信号，两种信号同时对pwm调制及换相模块2-6产生影响。其中霍尔位置信号决定着无刷直流电机的换相，霍尔位置信号的不同反应了无刷直流电机的转子位置进而决定逆变模块6中igbt的导通顺序，而电流pi控制模块2-4输出的调节信号决定着pwm信号的脉冲宽度。
进一步的，转速计算模块2-5采用t测速法来计算无刷直流推进电机8的转速信息，首先需要配置主控模块2中的stm32f103控制芯片内部的定时器使其具有计数功能。通过来检测q个周期的时间间隔来计算转速，电机转速可以通过下列公式计算得出：
进一步的，该系统还包括功率放大模块10，pwm调制及换相模块2-6将pwm脉冲宽度调制信号传送至功率放大模块10进行功率放大处理后将放大后的pwm信号用于控制逆变模块6中igbt电子开关的导通；所述逆变模块6与电流采集模块7相连接，所述电流采集模块7的输出端与ad转换模块5相连接，ad转换模块5的输出端与主控模块2的输入端相连接。其中，电流采集模块7实为采样电阻，连接在逆变模块6内部的桥臂底端。母线电流会流过采样电阻会产生一定的电压值，主控模块2过读取电压值来间接地反应母线电流值的大小，ad转换模块5把采集到的模拟电压信号转换为数字信号送到主控模块2的主控芯片中的adc接口端，主控模块2把反馈的电流值i(k)与速度模糊pi控制模块输出的电流参考值i*(k)做差进而得出的误差信号作为电流pi控制模块2-4的调节量。由于电流pi控制模块2-4的输出量决定着pwm调制及换相模块2-6中pwm调制的脉冲宽度，霍尔位置信号决定着模块2-6的换相，pwm调制及换相模块2-6输出的pwm信号直接输送到功率放大模块10中。
进一步的，ad转换模块5通过adc接口与电流pi控制模块2-4相连接。
进一步的，功率放大模块6输出功率放大后的pwm信号来控制逆变模块6中的igbt开关。通过换相信号来轮流导通igbt电子开关管进而驱动电机来带动螺旋桨装置9旋转，旋转的螺旋桨会在水中产生推力推动船舶安全可靠的航行。其中，图8和图9是小型船舶在安全航行中分别采用传统pi控制算法和模糊pi控制算法所采集到的电机转速变化曲线，很明显采用新的模糊控制算法能够取得非常好的控制效果。图10是自主设计的监控终端来对小型船用电力无刷直流推进电机的运行状况进行实时监视。
进一步的，该监控终端实为matlab设计的gui上位机监控界面3，该监控终端可以通过人机交互接口2-3与主控模块2相连接，且gui上位机界面3能实时监测小型船用电力无刷直流推进电机的运行状态，主控模块2通过串口通信实时向上位机传送转速、电流、占空比等数据信息。也可以通过gui上位机界面3实时人机交互，通过起停按钮、快升降按钮、慢升降按钮以及控制方式的选择来对电机进行智能控制。
本发明公开的基于模糊pi的小型船用电力无刷直流推进电机控制系统，本系统的主控模块中的主控芯片采用了低廉的stm32代替价格昂贵的fpga或dsp来设计小型船舶电力无刷直流推进电机控制器，采用该方式既降低了企业的制造成本，又降低了航运企业的购买成本，从而增加企业收入实现双赢，因此该系统可以应用到船舶的安全运行工作中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。