摘要：為提高無刷直流電機調速系統的魯棒性，利用擾動觀測器對外部負載轉矩擾動進行估計并加以補償，利用模糊自適應控制器實現PID參數的在線自整定，以適應因系統內部參數變化引起的擾動。仿真和實驗表明，所設計的調速系統對系統負載擾動和參數變化的魯棒性較好，并具有較高的速度跟蹤精度。
關鍵詞：無刷直流電機；魯棒性；擾動觀測器；模糊自適應控制；仿真；實驗引言由于轉動慣量和相電阻的變化、電樞反應等因素，無刷直流電機是一種多變量強耦合的非線性系統，難以用精確的數學模型表達。傳統的控制過于依賴被控對象的模型參數，無法滿足高精度場合的控制要求。因此，現代控制理論，如模糊控制、模型參考自適應、神經網絡和遺傳算法等被用于無刷直流電機的控制【3-5]。
模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經驗模型化，不需要控制系統精確的數學模型；對系統的內外干擾和參數攝動魯棒性非常強，且結構簡單、響應快速，因此很適合無刷直流電機調速系統的要求。本文將模糊自適應控制策略引入無刷直流電機調速系統中，通過合理設計模糊自適應控制器，以期提高調速系統的魯棒性和速度跟蹤精度。
數學模型以三相星型連接無刷直流電機為例，電機的狀態方程為：
根據式(1)建立基于導通兩相的電機線電壓平衡方程和電磁轉矩方程為：
素。把輸入和輸出量都量化到[一3，一2，一l，0．，2，3]這樣一個區間，對應的模糊子集為NB、、Ns、zO、Ps、PM、PB。模糊化過程中，e、和Kp、Ki、Kd的隸屬度函數均服從三角函數分布。
模糊自適應控制器設計的核心是模糊推理規則。該規則是將專家的經驗和操作者的技能加以總結而得出的模糊條件語句的集合。本文中采用類型的模糊邏輯推理，包含具有式形式的模糊蘊涵關系。模糊自適應控制器采用離線進行模糊推理產生模糊規則表，然后把模糊規則表存儲在計算機中進行在線查表控制。
，通過模糊推理得到的輸出是一個模糊集合，在實際使用中要用確定的值才能去控制執行機構，這就需要反模糊化。本文采用最常用的加權平均法進行反模糊化，得到Kp、Ki、Kd的值。
總之，模糊自適應控制是建立在傳統PID算法基礎上的，只是Kp、Ki、Kd不再是固定的常數，而是隨e、ec的變化而在線調整，以實現在不同工況和各種擾動情況下對系統的優化控制。
仿真分析和實驗結果基于以上分析，所設計的無刷直流電機魯棒控制系統結構如圖3所示。可以發現，對于外部的負載擾動，在圖3中被一個由擾動觀測器構成的內環所包圍，經擾動觀測器估計并進行了補償，提高了控制系統對外部擾動的魯棒性。因電機參數變化引起的系統內部擾動也被模糊自適應控制器通過PID參數的在線自整定得到了抑制，進一步改善了系統的魯棒性。
．1仿真研究與分析將本文提出的魯棒性沒計方法應用于一臺無刷
響應曲線和速度波形的仿真結果。從圖4(a)可以看出，突加負載后，該觀測器能在較短的時間內準確觀測到負載轉矩的變化。圖4(b)說明，該控制系統因負載擾動引起的速度波動小且能在較短時間內回復到平衡狀態，這是由于擾動觀測器快速跟蹤了負載轉矩的擾動，在其明顯影響轉速輸出之前，通過轉矩前饋環節預先加以補償，故具有較好的魯棒性。
仿真用以模擬電機實際運行中，因負載轉矩大小、分布擾動等引起的轉動慣量變化對系統造成的影響。
由圖可知，由于轉動慣量的減小，速度曲線出現了超調，但由于模糊自適應控制器對PID參數的自動調整能力，速度響應曲線迅速回復至平衡狀態，調整過程持續時間很短。圖5表明了該控制系統對電機參數變化造成的擾動不敏感，魯棒性強。
4．2實驗結果實驗采用TMS320F2812為控制芯片的實驗平臺，由DSP、IPM、電流檢測、轉子位置檢測電路等構成。為驗證所設計系統的速度跟蹤效果，以正弦曲線作為速度給定信號，其速度跟蹤曲線如圖6所示。由圖可知，本文設計系統的速度跟蹤響應快速且平穩，無明顯超調，跟蹤效果較好。
5.結語
無刷直流電機控制系統利用基于擾動觀測器的負載轉矩前饋補償技術提高了系統對外部負載轉矩擾動的魯棒性；對因電機本體參數變化等因素造成的內部擾動，設計了模糊自適應魯棒控制器進行有效抑制，使系統的魯棒性得以進一步提高。仿真和實驗結果表明，所設計的控制系統對系統內外干擾均有較好的魯棒性，且具有調節時間快速，速度跟蹤精度高的控制效果。
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