一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无刷直流电机的控制方法，尤其是涉及一种无刷直流电机直接转 矩自适应模糊控制方法。
【背景技术】
[0002] 与传统直流电机相比，无刷直流电机采用电子换向器取代了机械换向器，是一种 有着美好发展前途和广泛应用前景的新型电机。无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、运 行效率高和调速性能好等优良特性，目前在各种伺服系统、机械制造、机器人、电动汽车、航 空航天等众多领域得到了广泛应用。但在实际应用中，存在着电机的转矩脉动问题，限制了 其在高精度、高性能场合的应用。
[0003] 直接转矩控制技术最初是作为异步电动机的一种变频调速方案，它是在矢量控制 的基础上舍弃了解耦控制的思想，直接在定子坐标系下分析和计算电机的数学模型，并通 过选择不同的逆变器开关状态来直接控制电机的转矩。直接转矩控制技术采用电机的转矩 和磁链的双闭环结构，可获得快速的转矩响应，并获得良好的调速性能。直接转矩控制技术 在异步电动机和永磁同步电机都取得了较好的效果，近年来直接转矩控制技术开始广泛和 成功地应用于无刷直流电机，并且开始进入实用阶段。
[0004] 模糊控制技术和方法不需要建立控制对象的精确数学模型，在实际中获得了大量 成功的应用。但是由于模糊控制器中的模糊规则主要是基于该领域专家的经验知识进行 提取，存在较大的主观性；二是在确定模糊规则的条件下，模糊变量的隶属度函数决定了控 制系统的性能，而隶属度函数包含众多因素，这是包含多参数的寻优问题，很难获得全局最 优。
[0005] 发明人在实现本发明时发现已有的控制技术存在一些不足之处：对于无刷直流电 机的模糊控制技术，在确定模糊控制器的结构及其参数时较为困难，多数是依靠经验或者 反复试凑，获得的性能也不理想；另外在利用现有的优化方法优化控制器的参数时，单目标 优化方法涉及到复杂的评价函数构造问题，其中的参数较难确定。另一方面，现有的电机转 子位置传感器增大了电机的体积和成本，也容易受到外部电磁信号的干扰，因而降低了运 行的可靠性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为解决模糊控制器的结构及其参数时难以确定的问题，提供一种 无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是： 一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法，包括以下步骤： 步骤1、基于多目标优化算法确定无刷直流电机模糊控制器采用自适应模糊PID控制 器，通过多目标优化算法确定对应的自适应模糊PID控制器的最优参数； 步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测并计算无刷直流 电机的三相相电流和三相端电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相相电压值转 换为相电压和相电流在两相静止α β坐标系上的分量，建立对应的α β坐标系； 步骤3、通过磁链计算单元利用步骤2中确立的α β坐标系相电压和相电流对应的分 量分别计算出无刷直流电机的定子磁链以及转子的实际位置； 步骤4、通过转速传感器(采用增量式光电编码器）得出无刷直流电机的实际转速； 步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算的定子磁链和实际转速计算无 刷直流电机的实际转矩； 步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采 样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用步骤1中确定自适应PID模 糊控制器中的各个参数，计算得出无刷直流电机的给定转矩； 步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的 差值计算出转矩偏差，并将转矩偏差输入转矩滞环调节单元中，输出得到转矩滞环输出信 号； 步骤8、通过步骤3中计算出无刷直流电机的定子磁链和无刷直流电机给定磁链的幅 值可以计算出对应的磁链偏差，并将磁链偏差输入磁链滞环调节单元中，输出得到磁链滞 环的输出信号； 步骤9、通过步骤3中所确定的电机当前转子位置、步骤7中得到的转矩滞环输出信号 和步骤8中得到的磁链滞环输出信号，确定无刷直流电机对应逆变器的六个开关管的对应 状态； 步骤10、通过步骤9中确定的逆变器六个开关管的对应状态作为逆变器控制单元的输 入，进而可驱动所述无刷直流电机运行。
[0008] 所述的步骤2中的坐标转换模块被称为Clarke变换模块。
[0009] 本发明的有益效果是：基于本发明设计方法所优化得到的模糊控制器能够不同 的运行状况自适应确定电机转矩的给定值，动态自适应地调整电机的转矩大小，相当于基 于工程师的实际经验提前判断电机的运转状况，可改善无刷直流电机系统的动态和稳态性 能，同时能够在一定程度上抑制无刷直流电机的转矩脉动现象。另一方面本发明没有安装 位置传感器（Hall传感器），因而简化了系统结构，减少了系统的成本，也提高了电机运行 的可靠性。
【附图说明】
[0010] 图1、本发明实施例的一种基于多目标优化的模糊控制器设计方法流程图。
[0011] 图2、本发明实施例的无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法的流程图。
[0012] 图3、本发明实施例的一种基于多目标优化算法的无刷直流电机的自适应模糊控 制装置的结构框图。
[0013] 图4、本发明实施例的一种基于多目标优化的无刷直流电机的自适应模糊控制装 置的结构示意图。
[0014] 图5、本发明实施例的无刷直流电机自适应模糊控制装置的控制结构图。
[0015] 图6、本发明实施例的中断控制子程序流程图。
[0016] 图7、无刷直流电机的电压矢量和扇区分布示意图。
[0017] 图8、磁链滞环调节信号图。
[0018] 图9、转矩滞环调节信号图。
【具体实施方式】
[0019] 图中所示，【具体实施方式】如下： 一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法，包括以下步骤： 步骤1、基于多目标优化算法确定无刷直流电机模糊控制器采用自适应模糊PID控制 器，通过多目标优化算法确定对应的自适应模糊PID控制器的最优参数； 步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测并计算无刷直流 电机的三相相电流和三相相电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相相电压值转 换为相电压和相电流在两相静止α β坐标系上的分量，建立对应的α β坐标系； 步骤3、利用步骤2中确立的α β坐标系相电压和相电流对应的分量，通过磁链计算单 元计算出无刷直流电机的定子磁链，并通过反电动势法确定转子实际位置(所在扇区）； 步骤4、通过转速传感器(采用增量式光电编码器）得出无刷直流电机的实际转速； 步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算的定子磁链和实际转速计算无 刷直流电机的实际转矩； 步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采 样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用步骤1中确定自适应PID模 糊控制器中的各个参数，计算得出无刷直流电机的给定转矩； 步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的 差值计算出转矩偏差，并将转矩偏差输入转矩滞环调节单元中，输出得到转矩滞环输出信 号； 步骤8、通过步骤3中计算出无刷直流电机的定子磁链和无刷直流电机给定磁链的幅 值可以计算出对应的磁链偏差，并将磁链偏差输入磁链滞环调节单元中，输出得到磁链滞 环输出信号； 步骤9、通过步骤3中确定的电机当前转子位置（即为所在扇区信号)、步骤7中得到的 转矩滞环输出信号和步骤8中得到的磁链滞环输出信号，确定无刷直流电机对应逆变器的 六个开关管的对应状态； 步骤10、通过步骤9中确定的逆变器六个开关管的对应状态作为逆变器控制单元的输 入，进而可驱动所述无刷直流电机运行。
[0020] 所述的步骤2中的坐标转换模块为Clarke变换模块。
[0021] 本发明中步骤1中自适应模糊PID控制器的最优参数的步骤如下： 1)根据无刷直流电机控制系统的类型和特点，确定模糊控制器的输入变量和输出变 量的数目。这里将系统转速偏差和转速偏差的变