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2012年国际建模，优化和计算会议
使用自适应模拟PID控制器的无刷直流电机调速系统
无刷直流电机（BLDCM）由于其高效率而广泛用于许多工业应用，高扭矩和低体积。 本文提出了一种改进的自适应模糊PID控制器来控制无刷直流电机的速度。本文概述了常规PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器。通过使用普通的常规PID控制器，很难调整参数并获得满意的控制特性。由于自适应模糊具有满足控制特性的能力，便于计算。实验结果验证了自适应模糊PID控制器比模糊PID控制器和常规PID控制器具有更好的控制性能。BLDC电机的建模，控制和仿真已经使用MATLAB / SIMULINK软件包完成了。
由Elsevier Ltd.出版Noorul Islam高等教育中心负责的选择和/或同行评审根据CC BY-NC-ND许可开放获取。
关键词：无刷直流（BLDC）电机，比例积分微分（PID）控制器，模糊PID控制器，自适应FuzzyPID控制器;
一、简介
主要有两种类型，其中第二种产生的助焊剂是工业中使用的无刷电机。第一种是常规电机通过固定极结构的励磁线圈的电流。 永磁体提供必要气隙磁通的电机而不是线绕场磁极。BLDC电机通常被定义为具有梯形反电动势波形形状的永磁同步电机。顾名思义，BLDG电机不会使用电刷进行换向; 相反，他们是电子换向的。最近，高性能BLDG电机驱动器广泛用于工业应用和电动车辆的变速驱动系统。
在实践中，BLDCM驱动器的设计涉及复杂的过程，如建模，控制方案选择，仿真和参数整定等。近来，各种现代控制解决方案被提出用于BLDC电机的速度控制设计[1-3]。然而，传统的PID控制器算法简单，稳定，调整方便，可靠性高，传统的速度控制系统采用传统的PID控制[4] [5]。但是，事实上，大多数工业过程具有不同程度的非线性，参数变化和系统数学模型的不确定性。 整定PID控制参数非常困难，鲁棒性差; 因此，在实际生产中很难在现场条件下达到最佳状态。
本文将自适应模糊PID控制引入到BLDC电机调速系统中[9]。 在自适应模糊PID控制下可实时调整参数。 为了提高自适应模糊PID控制器系统的性能，需要增加输入和隶属函数的数量，同时为每个Kp，Ki和Kd形成单独的规则集。 通过使用单独的一组规则，控制器可以适应任何参数变化。 但是在模糊PID控制器中只有Kp，Ki和Kd形成了一套共同的规则。
本文的目的是通过设计自适应模糊PID控制器来控制电机速度，以便在负载变化时保持电机速度恒定，从而显示速度的动态响应。 仿真结果表明，自适应模糊PID控制器的性能优于模糊PID控制器和传统PID控制器。
二、无刷直流电机调速系统结构
三相BLDC电机速度控制的完整框图如图1所示。两个控制回路用于控制BLDC电机。 内环使逆变器门信号与电动力同步。 外环通过改变直流母线电压来控制电机的转速。
驱动电路由三相电源转换器组成，利用六个功率晶体管同时激励两个BLDG电机相。 决定MOSFET晶体管开关顺序的转子位置通过安装在定子上的3个霍尔传感器来检测。 通过使用霍尔传感器信息和参考电流符号（由参考电流发生器产生），解码器模块产生反电动势的信号向量。
三、控制器回路
- PID控制器
考虑图2中下图所示的特性参数 - 比例（P），积分（I）和微分（D）控制，
PID控制器是简单的三项控制器。 字母P，I和D代表P-比例，I-积分，D-微分。 最基本形式的PID控制器的传递函数
其中KP =比例增益，KI =积分增益，KD =微分增益。
从控制器到工厂的控制a等于比例增益（KP）乘以误差的量值积分增益（K;）乘以误差的积分加上导数增益（Kd）乘以误差的导数。
PID控制器的KP，KI和Kd值的值如下表I所示，通过使用ZN方法获得。
- 模糊PID控制器
本文采用的模糊PID控制器是基于两个输入和一个输出。使用控制器的整体结构如图3所示。在模糊PID控制器中，只有一个输出连接到Kp，KI和Kd。
通过使用Se，Sde和Su的缩放因子来获得变量的实际区间。 模糊控制规则的形式如下：IF e = Ei和ce = dEj THAN UPD = UPD（i，j）。 这些规则被写入规则库查找表中，如图3所示。规则库结构是Mamdani类型。
FLC有两个输入和一个输出。 这分别是误差（e），误差改变（de）和控制信号。 含有输入和输出的语言变量已被分类为：NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB。 输入和输出全部在[-3,3]区间内归一化，如图4所示。
用于描述模糊集合的语言标签是负大（NB），负中等（NM），负小（NS），“零”（Z），“正小”（PS） 正中等“（PM），”正大“（PB）。 可以如表II所示分配一组决策规则。 模糊规则是从关于过程的基本知识和人类经验中提取的。 这些规则包含定义控制策略的输入/输出关系。 每个控制输入有七个模糊集，所以最多有49个模糊规则。
四、仿真结果及讨论
图7显示了在（a）速度和（b）转矩的空载条件下，参考速度为3000rpm的BLDG电机的自适应模糊PID控制器，模糊PID控制器和常规PID控制器的性能。 结果表明，模糊PID控制器到达建立时间分别为常规PID控制器，模糊PID控制器和0.35秒，分别为0.10和0.10秒。
图8显示了在（a）速度和（b）转矩的负载条件下，在3000rpm的降速下，BLDG电机的自适应模糊PID控制器，模糊PID控制器和常规PID控制器的性能。。 结果表明，常规PID控制器，模糊PID控制器和模糊PID控制器达到稳定时间分别为0.35秒，0.10秒和0.10秒。
图9所示为在（a）速度和（b）转矩的负载冲击条件下，模拟PID控制器和BLDC电机的常规PID控制器在3000rpm速度下的性能。 在BLDG电机运行期间，突然在0.5秒时施加5N.m的载荷，并在0.7秒释放。 结果表明，传统PID控制器达到稳定时间为0.35秒，而模糊PID控制器达到稳定时间为0.15秒。
为了评估系统的性能，一系列的测量已经完成。 三相无刷直流电机的PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器的性能比较如表4所示。 我们考虑以下特征：上升时间（tr），过冲（Mp）和稳定时间（ts）。
从性能比较来看，自适应模糊PID控制器比传统的PID控制器和模糊PID控制器具有更好的控制性能。
五、结论
本文提出了三相无刷直流电机的常规PID控制器，模糊PID控制器和自适应模糊PID控制器的仿真结果。 在传统的PID控制中，当参考速度改变时不需要改变控制参数。 从仿真结果可以看出，对于相同的运行条件，使用自适应模糊PID控制器技术的BLDC速度控制比传统PID控制器和模糊PID控制器具有更好的性能，主要是当电机工作在越来越高的速度时。 另外，当负载变化时，电动机速度是恒定的。
六、致谢
作者感谢来自泰米尔纳德邦Salem-5的Sona技术学院院长和电子电气工程系的支持和鼓励。
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