淺談基于模糊控制的電機調速

葉正茂

（武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

1 前言

直流電機因其良好的調速特性，比較寬廣的調速范圍，在調速性能要求較高的場合得到了廣泛應用。

直流電機調速主要有兩種方法：勵磁控制法和電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中PWM（脈寬調制）便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。

2 直流電機調速原理

PWM調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比（占空比）來改變直流電機電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調速系統。啟停時對直流系統無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩定的特點。

PWM調速控制的電路原理圖如圖1所示。

該電路用到的電力電子器件為具有自關斷能力的電壓控制型器件N溝道IGBT以及續流二極管VD。直流電機勵磁方式為他勵式。

圖1 電路原理圖

若電機始終接通電源時，電機轉速為最大，設為Vmax，并且設占空比為D，并且有：D=t/T。其中T為周期，t為一個周期中電機接通電源的時間。那么可以得出電機平均轉速為：

由公式可知，當改變占空比D時，就可以得到不同的電機平均轉速V，從而達到調速的目的。嚴格的講，電機平均轉速V與占空比D并不是嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，可以當成線性關系來處理。

在直流電機驅動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路后，驅動H橋下臂MOSFET的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現直流電機PWM調速。

3 基于模糊控制技術的直流電機調速

模糊控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立對象的精確數學模型，只要求把現場操作人員的經驗和數據總結成比較完善的語言控制規則，因此它能繞過對象的不確定性、不精確性、噪聲以及非線性、時變性、時滯等影響。模糊控制系統的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統的控制。

模糊控制器是模糊控制系統的核心。它是基于模糊條件語句描述的語言控制規則，所以又稱為模糊語言控制器。模糊控制系統的基本結構圖如圖2所示。

圖2 模糊控制系統

3.1 模糊控制器的輸入、輸出變量

在人工控制中，一般根據被控制量的誤差E、誤差變化EC和誤差變化的速率ER進行決策。模糊控制器的輸入變量通常取E或E和EC或E、EC和ER，分別構成所謂的一維、二維、三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態性能不佳，通常用于一階被控對象，二維模糊控制器的控制性能和控制復雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。一般選擇控制量的增量作為模糊控制器的輸出變量。

3.2 描述輸入輸出變量的詞集

在模糊控制中，輸入輸出變量的大小是以語言形式描述的，因此要選擇藐視這些變量的詞匯。一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入輸出變量的狀態，再加上正負兩個方向和零狀態，總共有七個詞匯，即：

｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝

一般用英文表示為

一般情況下，選擇上述七個詞匯比較合適，也可以多選或者少選。選擇較多的詞匯可以精確描述變量，提高控制精度，但使控制規則變得復雜；選擇過少的詞匯使變量表述太粗糙，導致控制器性能變壞。為了提高系統穩態精度，通常在誤差接近于零時增加分辨率，將“零”又分為“正零”和“負零”，詞集表示為

3.3 模糊控制規則

對于本文所提及的模糊控制器主要是面向直流電機的調速，因此設其輸入量為轉速偏差E和轉速偏差率EC，輸出為控制量U，每一條控制語言都采用以上三個變量來描述。模糊控制規則的建立依賴的是使用電機調速系統的經驗。在本文中，其控制規則依賴的是實際轉速與給定基準轉速的比較，所建立的控制規則表見表1。

表1 模糊規則控制表

例如表中第一條規則如下：

即電機實際轉速與給定基準轉速偏差正大、偏差變化率正大，此時電機實際轉速比基準轉速小而且有轉速繼續下降的趨勢，那么就要用控制量負大來抑制這種趨勢。具體來說，假設直流電機的實際轉速與基準轉速偏差E的論域為[a，b]（指偏差E的變化區間，一般為關于零的對稱區間），偏差的變化率EC的論域為[c，d]，于是可以把這兩個區間分別均分成七個子區間，且這些子區間分別對應于模糊規則控制表中的模糊變量詞匯。這樣，對于各自論域中的任何E或者EC，都可以映射到表1所示的模糊規則控制表中，然后對應得出輸出模糊變量U，然后根據一定的“清晰化”規則得出U的具體值。

[1]林敏，丁金華，田濤.計算機控制技術及工程應用[M].北京：國防工業出版社，2005，（8）.

[2]諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2001.