基于模糊控制的直流电机PWM调速系统

基于模糊控制的直流电机PWM调速系统

李 勇，罗隆福，许加柱，李 季

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

[摘 要] 本文提出了一种基于模糊控制的直流电机脉宽调制(PWM)调速系统。该系统将转速偏差和转速偏差率模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM中开关管IGBT导通时间的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机。仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象，提高系统的响应速度和稳态性能。 [关键词] 模糊控制；直流电机；PWM；调速

[中图分类号] TM301.2 [文献标识码] B [文章编号] 1000-3983(2006)01-0066-03

PWM Speed Regulating System of DC Motor Based on Fuzzy Control

LI Yong, LUO Long-fu, XU Jia-zhu, LI Ji

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China) Abstract: This paper proposes a pulse width modulation (PWM) speed regulating system of DC motor based on fuzzy control. The speed error and its change were used as fuzzy stable variable. According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the IGBT switch. In this way, the PWM technique was used to drive the DC motor. The simulation results showed that the system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance. Key words: fuzzy control; DC motor; PWM; speed regulating

1 引言

直流电机由于具有良好的调速特性，宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合得到了广泛的应用。特别是近年来随着电力电子技术的发展，已普遍采用由晶闸管整流器供电的直流电机调速系统，以取代以前广泛应用的交流电动机—直流发电机组供电系统。但由于相控整流中电网端输入电流的功率因数直接与移相触发角有关，在电机低速运行整流桥输出电压较低时，电网输入电流功率因数低，谐波分量比较大，对电网特别是公共直流电网有不利的影响。而采用PWM调速时，电源侧一般不采用二极管不控整流，这对改善电网功率因数和减少谐波对电网的污染都是有利的。并且，直流电机调速系统是一个复杂的多变量、非线性控制系统，控制参数多，各个参数之间相互影响，抗干扰能力较弱，不适合需要高控制性能的场合。 因此，为了增强直流电机调速系统的抗干扰能力和鲁棒性，提高调速系统的响应速度和稳态精度，本文提出了基于模糊控制的直流电机PWM调速系统。该系统在线检测电机转速的实时变化，通过模糊控制选择合适的控制语言，对PWM开关器件的导通时间加

以控制，从而驱动直流电机达到调速的目的。

2 系统构成与原理综述

基于模糊控制的直流电机脉宽调制调速系统的框图见图1。主要由模糊控制器、PWM驱动电路和直流电机组成。其中，wr(k)表示给定转速，wa(k)表示实际转速，e表示转速偏差，ce 表示转速偏差率，cα表示模糊控制量，k1、k2、k3表示增益量，其值由所设计的模糊控制器的论域决定。

k1wr(k)+−1/Z+−模糊 控制器 k2ceek3 ca1/s PWM驱动电路 wa(k) 直流电机图1 系统框图

该系统的调速过程如下：将反馈的直流电机的实际转速与给定转速进行比较，得到转速偏差和偏差率，并使之模糊化，由模糊控制器经推理运算得到合适的控制语言，经过一定的处理，来控制驱动电路的脉宽调制系统，从而实现对直流电机的转速调节。

2006№1 大 电 机 技 术 67

2.1 直流电机数学模型

他励直流电动机的电压方程：

uf=(Rf+Lfp)if (1)

ua=(Ra+Lap)ia+GafifΩ (2)

模糊控制系统 模糊算子 模糊规则 输入值模糊化推理运算 反模糊化输出值式中：p是微分算子；u、i、R和L分别表示电压、电流、电阻和电感；下标f表示励磁绕组；下标a表示电枢绕组；Ω表示转速；Gaf表示运动电动势系数；

J表示转动惯量。

图2 模糊控制系统

表1 模糊控制规则表

e NLNMNSPSPMPL

ce

NLPLPLPLZ Z Z

NMPLPLPMPMZ Z Z

NS Z PS PM PLPL PL PS PS NM NS NM

PL PM PS Z NS NM

NM PS PS

Z Z Z

Z Z Z NLNLNL

电磁转矩：

Te=Gafifia (3) 转矩方程：

Te=(Jp+RΩ)Ω+TL (4)

式中：RΩ表示旋转阻力系数，TL表示负载。 2.2 模糊控制器设计

作为一种人工智能手段，模糊控制将输入量按一定的模糊控制规则自动进行推理运算，模仿专家经验，从而获取问题的求解，在处理不确定性和不精确性问题时具有良好的鲁棒性。模糊控制的流程见图2。

对于本文所构建的模糊控制器，其输入量为转速偏差e和偏差率ce，输出为控制量cα。每一条控制语言都采用e、ce和cα来描述。模糊控制规则的建立依赖的是使用直流电机调速系统的经验[3,4]。对于本文而言，由于模糊控制的主要目的是控制电机的转速，因而其控制规则依赖的是实际转速与给定基准转速的差异比较。所建立的控制规则表见表1。例如，第一条控制规则如下：

if e is NL and ce is NL then cαis PL 即实际转速与给定基准转速相比偏差负大、偏差变化率负大，此时实际转速比给定基准转速大而且还有上升的趋势，那么控制量cα正大就要用来抑制这种趋势。模糊控制器的推理过程采用Mamdani算法，解模糊化过程采用max-min法。模糊语言变量的论域 均是[-1 1]，各自的隶属度函数见图3，根据表1建立的输入量e、ce与输出量cα之间的对应关系曲线见图4。

2.3 PWM驱动电路设计

本文所设计的驱动电路采用脉宽调制技术，用到的电力电子器件是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。电路原理图见图5，直流电机的励磁方式为他励式。驱动过程中IGBT的栅极电压uGE、电枢电流i0、电枢电压u0的波形见图6。在t=0时驱动IGBT导通，电源电压直接加在直流电机电枢两端，u0=E，电枢电流按指数曲线上升。

Z PLNS NM NS NM NL

NL

NL NL NL NL

10.5

NLNMNS Z PS PM PL

0

-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1

(a)e的隶属度函数

10.5

NL

NMNS Z PS PM

PL

0

-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1

(b) ce的隶属度函数

10.5

图3 模糊变量的隶属度函数

NLNMNS Z PS PM PL

0

-1 0.8 0.4 0 0.4 0.8 1

(c) cα的隶属度函数 图3 模糊变量的隶属度函数

0.5ca 0-0.51

0.5

0

-0.5 e

-1

0 ce

-1

图4 模糊输入e、ce与输出cα的对应关系

68 基于模糊控制的直流电机PWM调速系统 2006.№1

当t=t1时，控制IGBT关断，电枢电流经续流二极管续流，其值近似为0，按指数曲线下降。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电路稳态工作时，电枢电流在一个周期的初值和终值相等，电枢电压的平均值为：

tont

U0=E=onE=αE (5)

ton+toffT

按照对ton与T的调节方式，有三种不同的电压调制方式：脉宽调制、频率调制和混合型。本文是在保

持开关周期T不变的情况下，调节开关导通时间ton，即脉冲宽度调制。根据模糊控制器输出的控制语言的变化实时调节ton，从而满足转速调节的需要。

IGBT IGBTii00+uuff −图5 电路原理图

uGE

w(rad·s-1) Te(Nnm)

degreea(°) EE VD uu0M Miiff技术的引入能有效抑制超调量，提高系统响应速度和

稳态性能，并且模糊控制技术能优化系统结构，使系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力，适应于各种不同的场合。

200

150

100

50

0

-50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t(s)

200

100

0

-100 -200

-300

-400

-500

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t(s)

250

200

e(rad·s-1) 15010050

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t(s) 250200150100500

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t(s)

u0

图6 电流连续时的波形

3 仿真实验

用MATLAB/SIMULINK对上述系统进行仿真实验。他励直流电机的参数：Ra=0.5Ω，La=0.003H，J=0.0167kg⋅m2，G=Gafif=0.8，RΩ=0.0167。系统

参数：wr=200rad/s，k1=1/200，k2=1，k3=200×103，IGBT的开关频率2kHz。0.6s时，对电机突加负载50N⋅m。转速偏差e(t)、PWM驱动电路的输入量α(t)、转速w(t)和转矩Te的仿真结果见图7。

图7 仿真结果

[收稿日期]2005-04-06

[作者简介]

，湖南大学电气与信息工程学李勇（1982-）

院在读硕士研究生，目前主要从事电机控制及其仿真，新型换流变压器及高压直流输电系统的理论研究。

4 结论

本文较具体的介绍了基于模糊控制的直流电机

PWM调速系统，仿真结果表明智能控制技术和PWM