分析模糊控制在抑制直流无刷电机转矩脉动中的应用

李森

摘 要：根据直流无刷电机出现转矩脉动的最根本原因，采用模糊控制算法，设计一种电流控制器，使其采用模糊算法控制非换相电流，实现降低换相引起的转矩脉动。并通过仿真实验验证了该系统具有强鲁棒性，改善了系统的动静态特性，有效抑制转矩脉动的产生。

关键词：直流无刷电机；转矩脉动；模糊控制

1、引言

直流无刷电机（BLDCM）优点众多，如具有优良的调速性能、不具有励磁损耗、性能好、转动惯量小等，所以在工业中应用广泛[1]。对于伺服控制系统而言，转矩控制尤为关键，但是转矩脉动的产生严重阻碍电机速度控制特性，所以消除转矩脉动是增强伺服控制系统各项指标的核心[2]。使BLDCM出现转矩脉动的因素有许多，如谐波、齿槽效应、磁通畸变等等，但使其产生最根本的原因是相电流的换相[3]。本文设计一种基于模糊控制的电流控制器，用以控制非换相相电流，让其在不同速度段仍为连续平滑，从而让换相引起的转矩脉动变小。

2、模糊控制器的设计

2.1模糊化设计

若系统给定突然变化，出现状态或结构干扰使系统参数发生变化，由该时刻的电流偏差和电流偏差变化趋势，根据专家经验，通过调节PWM调制波的幅值大小来控制系统的稳定过程。

此控制器为双输入单输出，输入变量均与电流有关，分别为e及ec，输出变量为u，e和ec表达式如下：

Iref（n）-电流的反馈值；T-采样周期

e是电流的偏差、ec是电流偏差变化率、 u是PWM調制信号，它们三个都是交叠对称分布的隶属度函数，并且三个变量论域都是

X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}

将X的论域分为五个语言变量，分别为 [NB]（负大）、[NS]（负小）、[ZE]（零）、[PS]（正小）、[PB]（正大）[4]，各语言变量值如图2-1所示。

2.2模糊控制规则设计

要想使控制系统输出响应的动静态特性达到最佳控制效果，就要减小换相时的转矩脉动，使换相相输出电流波形保持平滑[6]。根据专家经验数据及现场工人实践工作归纳，可以得到模糊条件控制状态表，如下表1。

根据表1、可制定出模糊控制规则表，如表2所示。

2.3 模糊控制方法的实现

模糊控制器结构如图2-2所示：

当e和ec很大时，g1和g2应选比较小的数值，g3选比较大的数值，这样可以保持系统稳定性并降低系统的上升时间；当e和ec很小时，g1和g2应选比较大的数值，g3选比较小的数值，这样可减小甚至消除超调，使系统保持在稳态精度中。

3、系统仿真

通过仿真实验验证系统的控制效果，输入量为e和ec，得到单位阶跃响应，从仿真图2-3像能够得到，模糊控制缩短了该系统的调节时间，使超调量变小，使稳定性增强，使其动静态特性都得到明显改善。

4.结论

本文采用模糊控制，设计了电流模糊控制器用以控制直流无刷电机非换相电流，从而降低由于换相引起的转矩脉动。通过仿真结果可以看到，BLDCM控制系统动静态特性有所增强，减短了调节时间，超调量降低，取得比较理想的控制效果。（作者单位：吉林省电子信息技师学院）

参考文献：

[1] 张建勇. 无刷直流电动机驱动控制器设计.家电科技.2011（7）

[2] 齐蓉、林辉.无刷直流电机换向转矩脉动分析与抑制.电机与控制科学.2006（3）

[3] 谭建成. 无刷直流电动机的换向转矩波动分析. 微电机.2011（6）

[4] 刘庆雪、郭涛.变速恒频风力发电机组的模糊控制研究.电气传动自动化.2011（5）