基于模糊PID的直線音圈電動機減振系統設計

尹訓鋒，潘松峰，尹峰松，劉 朔

(青島大學，青島 266071)

基于模糊PID的直線音圈電動機減振系統設計

尹訓鋒，潘松峰，尹峰松，劉 朔

(青島大學，青島 266071)

直線音圈電動機(VCM)動子受到沖擊時，會產生振蕩，為了使系統盡快恢復穩定狀態，減小動子沖擊振蕩，分析了直線音圈電動機的動子運行原理，通過數學分析，得到了它的數學模型。采用模糊控制方法，模糊推理過程可以在控制過程進行中改變3個控制參數的大小，然后再反饋校正給輸入，并給出了實驗結果。實驗得出，模糊PID控制方法減小了反饋系統的穩態誤差，提高了反饋精度和系統穩定性，實現了減振目的。

模糊PID控制；直線音圈電動機；減振

0 引 言

在現代工業高效率的要求下，音圈電動機應用場所趨向于頻率越來越高，速度、加速度增大，而且需要精確定位，但是音圈電動機往往會受到各種大小不一的沖擊，在這種狀態下，音圈電動機會產生嚴重的振蕩現象，從而導致定位精度下降，系統不穩定[5-7]。根據音圈電動機的工作原理，研究音圈電動機產生振蕩、導致系統不穩定的原因在于當音圈電動機處于高頻、高速、高加速狀態時，外部沖擊力大小不一定，時間不確定，直線音圈電動機必須以最小的波動，在最短的時間內回復原來位置，以保持系統的穩定[2]。

針對音圈電動機產生振蕩、系統不穩定等問題，本文建立該系統電機數字模型，然后通過模糊控制的模糊推理過程，在控制系統運行過程中改變控制參數，反饋矯正，不斷減小動子的振蕩，提高系統抗振蕩能力。

1 音圈電動機的數學模型

音圈電動機正常運行過程中，處于動態平衡時，會受到電磁力，阻力和彈力作用，他們的關系：

式中:a為音圈電動機內部繞組的加速度;m為繞組質量;F為電磁力;f為繞組所受摩擦力;K為彈性系數;x為繞組直線位移。

根據牛頓運動學定律，式(1) 可以寫作：

式中:c為阻尼系數。式(2)經過拉式變換后，得到：

系統傳遞函數 ：

2 模糊PID控制策略的實現

模糊控制可以使系統更加快速的響應，提高控制系統的動態性能，適用于位置偏差較大的情況；PID控制可以增強控制系統的靜態性能，提升控制系統的精確度，適用于位置偏差較小的情況。因此將二者結合的控制方法比其中任何單獨一個都能更好地提高控制系統的精確性和穩定性。圖1為模糊PID控制器結構框圖。

圖1 模糊PID控制器結構框圖

圖1中，e為位置的偏差，ec為該偏差的微分值，ΔKP，ΔKI，ΔKD分別為PID控制的3個參數的修正值。通過模糊推理，可以得出e和ec與ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊關系，即可得出控制參數修正值的數值，進而得出3個控制參數數值，使音圈電動機保持位置穩定，實現減振目的。

對于ΔKP、ΔKI和ΔKD3個參數的修正值的隸屬函數，為滿足控制系統要求，設定為三角形隸屬函數，ΔKP論域選取{-3，3}，ΔKI論域選取{-0.3，0.3}，ΔKD論域選取{-0.05，0.05}。對于偏差e和偏差微分ec，依據減振控制系統的要求，隸屬度函數和論域分別設定為高斯型，{-3，3}。設定7個變量模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，該系統控制器的邏輯推理采用Mamdani法則，通過該法則，在偏差的量化區間上，得出偏差的隸屬度，依據給出的模糊控制規則表，得到3個參數修正值分別對應的隸屬度，然后進行模糊判決，判決過程采用中心法則，得到ΔKP,ΔKI和ΔKD的值，就得到了控制參數的最新值。表1,表2,表3為ΔKP，ΔKI和ΔKD的模糊規則表。

表1 ΔKP的模糊控制規則表

表2 ΔKI的模糊控制規則表

表3 ΔKD的模糊控制規則

3 減振系統的硬件設計

減振系統的主要功能是在線圈動子受到沖擊時，自動進行反饋矯正，減小振蕩，保持音圈電動機穩定運行。圖2為減振系統的總體結構，它主要是由型號為TMS320F2812型DSP，RS-232接口電路，Elmo驅動器，磁柵尺等組成。

圖2 減振系統結構框圖

通過MATLAB設定好預設位置，RS-232 1號串口將控制信號傳給DSP，產生PWM信號，放大該信號功率后使音圈電動機到達預設位置，磁柵尺位置傳感器會對線圈動子所在位置進行采樣，經過采集卡采集，獲取軸向線圈位置信號并反饋給DSP控制系統，得出位置信號的偏差值，模糊控制算法計算得出占空比，進而改變PWM信號，放大此時信號功率讓音圈電動機自動從實際位置達到預設位置，實現對電機的循環控制。

4 減振系統的軟件設計

本系統軟件控制分2個模塊，擴展軟件功能方便，操作靈活。一種是系統配置模塊，另外一種是系統實驗模塊。系統配置模塊的功能是從串口采集位移數據。在該模塊上可以初始化數據采集串口和控制量輸出串口。該模塊有兩路輸出：第一路為激勵信號，每隔5 ms給發送一次激勵，這樣實驗模塊就工作一次，也就是說系統的采樣周期和控制周期都為5 ms；第二路輸出為采樣數據輸出，這個輸出是二維的，第一維為時間數據，第二維為質量塊位移數據。實驗模塊可以查看內部的參數設置等。

控制程序流程圖如圖3所示。程序開始首先會對系統各個變量和模塊進初始化，在控制電路中，磁柵尺位置傳感器對線圈動子所在位置進行采樣，經過采集卡采集，獲取軸向線圈位置信號x2(t)并反饋給DSP，DSP將所得位置信號與預設位置x1(t)作比較，得到偏差值e(t)=x2(t)-x1(t)，若偏差小于誤差范圍a，則輸出PWM控制信號，使電機穩定運行；若偏差大于誤差范圍，計算得出位置偏差e(t)，通過模糊控制算法求得占空比，改變PWM信號的脈寬，使音圈電動機自動從實際位置達到預設位置，實現對電機動子振蕩位置的控制和系統的在線循環控制。

圖3 控制程序流程圖

5 實驗及結果分析

圖4 實驗裝置平臺圖

上位機MATLAB是基于MATLAB R2013a的Simulink平臺開發的一個數據采集及控制系統，MATLAB包容性強，簡單易操作，控制器設計可視、方便。對于音圈電動機減振控制系統，可在該平臺上建立數學模型，分析二階系統的動態特性，分析系統的頻率特性，以及針對系統設計控制器。在實驗設計上，首先可以建立數學模型，然后進行系統分析，最后進行控制器設計的整個過程。圖5為系統配置模塊圖，本實驗選擇實驗2，數據串口為2，控制串口為1。

在MATLAB中打開“Mechanical response platform.slx”文件，通過“Set Control”模塊向系統輸出力。如圖 6為試驗系統模塊。

圖5 系統配置模塊圖

圖6 試驗系統模塊

開始運行系統，等質量塊靜止時，將小球抬起40°，然后放下，撞擊質量塊，質量塊受撞擊產生振蕩，等質量塊靜止時，停止系統運行，觀察彈出的響應曲線圖，并將其存儲；然后加入PID控制器，重復試驗；最后，加入模糊PID，重復試驗，觀察實驗仿真，并將其存儲。圖7 為小球撞擊質量塊實驗狀態圖。

圖7 小球撞擊質量塊實驗狀態圖

待質量塊恢復穩定，點擊MATLAB停止按鈕，系統會自動獲取磁柵尺的位置反饋信號，生成仿真圖。圖8為系統受到撞擊后動子自振蕩響應曲線，圖9中的實線和虛線分別表示，在減振系統中分別加入PID和模糊PID動子的位置仿真。

圖8 系統振蕩響應曲線

圖9 PID控制減振系統振蕩響應曲線

從實驗結果明顯看出，在減振系統中，采用模糊PID控制方法控制音圈電動機，動子恢復原來位置所用時間短，速度快，波動幅度小，更加快速精確地達到原設定位置，縮短了從振動產生到穩定階段的時間，大幅度提高了系統的響應速度，減振系統的穩定性顯著增強，優于傳統PID控制方法。

6 結 語

音圈電動機減振系統采用模糊PID，根據動子受撞擊后恢復穩定時的超調以及最后的穩定狀態可以看出，通過模糊PID調節運算，控制PWM脈沖，從而控制動子快速反應，恢復原來位置，達到穩定狀態。從實驗結果可以看出，減振系統使用模糊PID，加快了減振系統的響應速度，提高了系統的精確度，振蕩波動幅度減小，控制系統的穩定性增強。

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[10] 王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2000.

The Design of Shock Mitigation System of Linear Voice Coil Motor Based on Fuzzy PID

YINXun-feng，PANSong-feng，YINFeng-song,LIUShuo

(Qingdao Univeisity,Qingdao 266071,China)

There will be vibrate when the mover of linear voice coil motor (VCM) got shock, in order to increasing the stability of system, and reducing the dynamic shock, the operation principle of the motor of the linear VCM was analyzed, and its mathematical model was obtained by the mathematical analysis. Fuzzy control method, the most important is the fuzzy inference, the process could be controlled in the process of changing the three control parameters, and then feedback to the input, and got the results of the experiment. The experiment results show that the fuzzy PID control method can reduce the steady-state error of the feedback system, increase feedback precision and system stability, and achieve the objective of mitigating shock.

fuzzy PID control; linear voice coil motor; mitigate shock

2016-07-29

TM359.4

A

1004-7018(2017)02-0055-04

尹訓鋒(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為交流傳動語伺服控制。