无刷直流电机的负载特性研究及模糊PID控制器的应用

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报4（2017）310基于模糊PID控制器的无刷直流电机变负载Akash Varshney，Deeksha Gupta，BhartiDwivedi工程技术学院电气工程系，印度勒克瑙226021接收日期：2016年5月18日;接收日期：2016年10月20日;接受日期：2016年12月19日2017年1月25日在线发布摘要随着无刷直流电动机在专用场合的应用越来越趋向于精确控制、高转矩、高效率和低噪声，无刷直流电动机引起了研究人员的关注无刷直流电机可以作为传统电机（如感应电机、开关磁阻电机等）的可接受替代品本文提出了一种详细的研究无刷直流电机的性能提供不同类型的负载，并在同一时间，部署不同的控制技术。将一种改进的模糊PID控制器与常用的PID控制器进行了比较所考虑的荷载变化是最常见的类型，通常在实践中遇到。本文通过观察电动机在应用时以及在去除负载时的动态速度响应进行了比较。BLDC电机的主要缺点是在负载移除时具有急动行为。研究表明，无论使用的控制器的类型，逐渐的负载变化产生更好的效果，对突然的负载变化。进一步观察到，除了其他动态特性外，模糊PID控制器在负载去除时产生的冲击也得到了很大程度的改善，速度转矩特性揭示了模糊PID控制器在逐渐去除负载时冲击最小的事实尝试用“扰动窗口”来定义这些急动© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无刷直流电机;比例积分微分（PID）控制器;模糊（FL）控制器; MATLAB/SIMULINK1. 介绍无刷直流（BLDC）电机是一种永磁同步电机。无刷直流电机在更高的效率、低速范围下更高的扭矩、更高的功率密度、更低的维护和更小的噪音方面比其他电机表现出更好的性能。 根据它们的感应电动势的形状，它们被进一步分为两种类型;正弦型和梯形型（Pillay和Krishnan，1989）。 在无刷*通讯作者。电子邮件地址：bharti. ietlucknow.ac.in（B. Dwivedi）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.0142314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310311SDFig. 1. BLDC电机驱动器框图。在电动机中，转子包含磁体，而定子包含绕组。 顾名思义，没有刷子（Baldursson，2005;Pillay和Krishnan，1989）。因此，强制换向是用电力电子放大器电子地实现的，该电力电子放大器使用半导体开关来改变位于转子上的绕组中的电流。在这种布置中，磁体连续旋转，而导体保持静止。因此，BLDC电机通常包含内部或外部位置传感器来感测实际转子位置。BLDC电机中的磁体转子位置传感器用于启动和做出适当的换向/开关序列，以导通逆变器桥电路中的半导体器件（每60Ω顺序换向） 转子位置由安装在定子上的霍尔传感器测量（Pillay和Krishnan，1989; Pillay和Krishnan，1987）。 这些开关信号在任何时刻的状态由转子位置、速度误差和绕组电流确定。控制器根据转子位置对绕组电流进行即使在负载变化期间，它也能保持电机速度参考值供应波动。 图 1显示了永磁无刷直流电机的总体框图。之前已经研究了BLDC电机的性能及其在空载和阶跃负载条件下的稳定性（Qian，2012;Arulmozhiyal和Kandiban，2012;SheebaJoice和Nivedhitha，2014）。有必要分析BLDC电机在两种不同类型的负载变化下的行为，这两种负载变化通常在家用和工业领域都需要本文给出了自由运行时、加荷瞬间和卸荷瞬间的速度响应。还努力调查在负载移除时经历与BLDC电机相关的急动的主要缺点该研究在MATLAB 2013-a/2015-b环境中进行，该环境是电机和系统建模和仿真的强大工具（Gupta，2016; Varshney，2016）。分别采用经典PID控制器和模糊PID控制器进行了研究，并对结果进行了比较。2. PID控制器PID控制器是一种标准的控制回路反馈机制，用于校正测量的过程变量与期望值之间的误差。最好的控制系统要求小的上升时间、小的稳定时间、小的峰值时间、小的最大超调百分比和微小的稳态误差（Dorf等人，2001年）。为了获得时域规格的重要值，PID控制器利用比例控制器、积分控制器和/或微分控制器的概念。PID控制器的输出可以表示如下：H（S）=P+I+D=KKi++K s控制器的术语定义如下。Kp =比例系数Ki=积分系数p312A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310}{表1模糊变量的隶属函数。图二.自整定模糊PID控制器。NB负大NM负中NS负小ZO零PS正小下午正的中PB正大Kd =导数系数3. 模糊PID控制器一个模糊控制器执行系统的控制与人类的专家知识，通过经验，感知或实验获得的应用程序的援助需要必要的干扰和系统行为的这种专家知识环境因素、环境中发生的事件、人类的观察和对事物的判断等都对语言变量的精确度产生负面影响对于令人满意的在模糊PID控制器中，采用模糊整定器对PID控制器的参数（Kp，Ki和Kd 由模糊推理系统产生一个从误差和误差导数到PID参数（由FIS整定）的非线性映射。 图 2介绍了自整定模糊PID控制器的结构，包括以下两部分。1. 可调参数PID控制系统，2. 模糊控制系统自调整模糊PID控制器的输入是误差通过模糊控制器得到PID控制器参数与e、ec之间的模糊关系模糊控制原理通过改变三个参数Kp、Ki和Kd来满足控制参数的要求。通过调整规则和隶属度函数来改进控制器在模糊隶属度函数中，有两个输入控制器和一个输出控制器。它们的值分为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB七个级别（Farouk和Bingqi，2012年）（表1）。 子集中的元素象征着负大，负中，负小，零，正小，正中和正大（Farouk和Bingqi，2012）。 函数“trimf”类型通过输入为“e”、“ec”且输出为“u”的隶属函数来选择。在隶属函数编辑器的模糊工具箱中，如图所示。3.第三章。A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310313图三. (a)“e”和“ec”的隶属函数表2[7× 7]模糊规则库。欧洲/欧洲委员会NBNMNSZOPS下午PBNBPBPB下午下午PSZOZONMPBPB下午PSPSZONSNS下午下午下午PSZONSNSZO下午下午PSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNM下午PSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB在此基础上，利用控制系统设计领域中已有的知识，可以求出模糊控制器的输入输出关系这些规则是使用语言变量定义的这49条规则用于模糊PID控制器，由2个输入、误差“e”和误差变化率“ec”形成（Yongjuan和Yutitan，2010年; Yin等人， 2008年）。表2（Yongjuan和Yutitan，2010）中给出的模糊输出变量“u”的控制规则依赖于上述PID控制器参数的调节原理。4. 建模为研究采用PID控制器和采用模糊PID控制器时电机在负载突然/逐渐变化时的性能而开发的模型如图所示。分别为4和5。通过反馈路径发送的电机速度在比较器的帮助下与3000 rpm的参考速度进行比较，该比较器被馈送到PID/FPID控制器。这些控制器改善了电机的瞬态性能。控制器的输出被馈送到受控电压源。逆变器电路由该电压源馈电MOSFET/二极管逆变器电路的触发（门脉冲）逆变电路的输出被馈送到永磁同步电动机（PMSM）。PMSM的输出以反电动势表示314A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310见图4。带PID控制器的BLDC仿真模型。图五. BLDC SIMULINK模型与模糊PID控制器。取出转子速度和电磁转矩用于测量。PMSM的一组输出被馈送到解码器/门模块，以便它决定逆变器电路的门模式。在不同的运行条件下进行仿真，如启动;和负载的应用和删除负载。4.1. 负载变化：负载在时间t = 0 s至0.1 s的时间间隔内，电机保持在自由运行状态。在载荷突然变化的情况下，在时间t = 0.1s时施加3 Nm的阶跃载荷，并在时间t = 0.4 s时突然移除然而，在载荷逐渐变化时，载荷在三个分段中变化。从时间t = 0.1 s到t = 0.2 s，载荷从0 Nm线性增加到3 Nm。然后，从时间t = 0.2 s到t = 0.3 s，负载保持恒定在3 Nm。此外，从时间t = 0.3s到t = 0.4s，负载从3Nm线性地减小回到0Nm。A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310315−−见图6。(a)速度响应曲线（b）电流响应曲线（c）PID控制器在突然加载和卸载时的转矩响应曲线。4.2. PID控制器比例增益Kp = 0.013，积分增益Ki= 30，微分增益Kd = 0.0001。5. 仿真5.1. 与PID控制器在下文中讨论了针对不同操作条件进行的模拟结果。5.1.1. 起动特性带有PID控制器的BLDC驱动器对负载突变和渐变的响应曲线如图所示。 图6和7分别。转子转速在起动过程中达到参考值。扭矩上升了一段时间，最终达到零Nm的参考值。在起动时，电机空载时，百分比超调为8.428%，峰值时间为0.0204 s，上升时间为0.0131 s，稳定时间为0.0946 s。起动期间（从t = 0 s到t = 0.1s）的仿真结果在两种类型的负载变化中相同5.1.2. 突然/逐渐施加和移除载荷结果表明，在突然施加负载时，建立时间为0.085 s，超调量为4.54%而在负载去除时，过冲为4.54%，建立时间为0.082 s。当施加线性增加的负载（时间t = 0.1 s至t = 0.2 s）时，建立时间为0.065 s，过冲为0.57%。从时间t = 0.2 s到t = 0.3 s，当负载达到其恒定值3 Nm时，其稳定时间为0.054 s，超调量为0.14%。从时间t = 0.3 s到t = 0.4 s，当负载开始线性下降时，其稳定时间为0.07 s，稳态误差为14 rpm当负载在时间t= 0.4 s移除时，速度达到其期望值，设定时间为0.051 s。5.2. 采用模糊PID控制器负载以与PID控制器相同的方式变化。针对这些不同的操作条件进行的模拟结果将在下文中讨论。316A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310−−−−图7.第一次会议。（a）速度响应曲线（b）电流响应曲线（c）在逐渐施加和去除负载的情况下，采用PID控制器的转矩响应曲线5.2.1. 起动特性具有PID控制器的BLDC驱动器对于负载的突然变化和逐渐变化的响应曲线分别如图8和图9在起动时，电动机空载时，百分比过冲为2.82%，峰值时间为0.039秒，上升时间为0.0218秒，稳定时间为0.096秒。在起动过程中使用模糊PID控制器的模拟结果与负载在空载条件下逐渐变化（时间t = 0 s至t = 0.1 s）与负载在空载条件下突然变化所获得的结果相似5.2.2. 突然/逐渐加载和卸载结果表明，在突然施加负载时，建立时间为0.066 s，具有5.35%的超调量。而在负载去除时，超调量为5.37%，建立时间为0.096 s。当施加线性增加的负载（时间t = 0.1秒至t = 0.2秒）时，稳定时间为0.058秒，25 rpm稳态误差为0.987%超调。从时间t = 0.2 s到t = 0.3 s，当负载达到其恒定值3 Nm时，其建立时间为0.025 s，超调量为0%。从0.3到0.4 s，当负载开始线性下降时，它立即稳定下来，超调量为0.976%，误差为25 rpm，稳定时间为0.056 s。当在时间t = 0.4 s时移除负载时，凝固时间为0.052 s。6. 仿真结果表3和表4中分别总结了通过运行在负载逐渐变化的情况下使用PID控制器和模糊PID控制器为BLDC电机开发的模型的仿真所获得的响应的比较。在突加负载的情况下，超调量为4.54%，建立时间为0.085 s。在逐渐增加负载的应用下，过冲为0.57%，稳定时间为0.065 s，而在逐渐减小负载时，过冲为0.57%，速度没有稳定到其稳态值。然而，在时间t = 0.4s之后，凝固时间为0.051s。在负载逐渐变化的情况下，可以观察到，与PID控制器相比，在空载条件下，FPID控制器的%超调量较小，峰值时间较高，但稳态误差较低负载应用A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310317见图8。(a)转速响应曲线（b）电流响应曲线（c）突加和突卸负载下的模糊PID控制器转矩响应曲线。见图9。(a)速度响应曲线（b）电流响应曲线（c）转矩响应曲线，采用模糊PID控制器，逐步加载和卸载。318A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310表3速度响应采用PID控制器。4.540.143表4速度响应采用FUZZY PID控制器。负载变化特性时间间隔（s）过冲%峰值时间（s）Risetime（s）稳定时间（s）稳态误差负荷突变开始载荷施加载荷移除0-0.10.1-0.40.4 s2.82-5.355.370.0390.0090.00960.0218––0.0960.0660.0960rpm的0rpm的负荷渐变开始加载应用程序加载装载物移除0-0.10.1-0.20.2-0.30.3-0.40.4 s2.82-0.98700.976–0.0390.02900.032–0.0218––––0.0960.0580.0250.0560.0520rpm的25 rpm0rpm的25 rpm建立时间和稳态误差较小，而具有FPID的电机在最终去除负载时的性能在所有方面都是优越的。7. Speed–torque本文通过对无刷直流电动机在两种负载变化下的速度-转矩特性进行了有意义的观察。在图1A和图1B中可见。从图10和图11可以看出，当逐渐施加和去除负载而不是突然去除负载时，电机的性能更好。7.1. Speed–torque据观察，有显着的改善时，FPID控制器被用来代替经典的PID控制器，特别是在启动电机的时间，以及当负载被删除。表5详细说明了观察结果。7.1.1. 突然/逐渐加载在PID和FPID控制器中，最大转矩值在两种负载条件下是相同的。PID控制器中的最大扭矩值在1442 rpm时为43.2 Nm，而在FPID的情况下在1148 rpm时为25 Nm。的值FPID控制器的最大转矩比PID控制器降低42.12%。这表明FPID控制器的绝缘问题比以前的控制器少。负载变化特性时间间隔（s）过冲%峰值时间（s）Risetime（s）稳定时间（s）稳态误差负荷突变开始0-0.18.420.02040.0130.09460rpm的加载装载物移除0.1-0.40.4 s−4.540.00730.007––0.0850.0822 rpm0rpm的负荷渐变开始加载应用程序加载0-0.10.1-0.20.2-0.38.42-0.570.02040.01960.0190.013––0.09460.0650.0540rpm的2 rpm0rpm的装载物移除0.3-0.40.570.0196–0.0714转/分A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310319图10个。在（a）突然施加负载（b）采用PID控制器的逐渐负载变化的影响下的速度-转矩特性7.1.2. 突然/逐渐移除负载在FPID控制器的情况下，电机已经快速稳定，并且该控制器中的加加速度也较小PID控制器在突然卸荷时比模糊控制器的加加速度值高50.12%，在逐渐卸荷时比模糊控制器的加加速度值高79.03%。结果发现，在启动过程中的驱动器的性能是更好的FPID控制器，因为它限制了启动转矩和启动电流较小的值。此外，在施加和移除负载时，它提供更小的上升时间、更小的建立时间和更小的稳态误差。转速转矩特性表明，采用PID控制器时，起动转矩比采用FPID控制器时要低得多此外，据观察，速度的最终解决是不太急动与FPID控制器。与控制器无关的急动被观察到对于负载的突然变化比逐渐变化更大7.2. 扰动窗速度和扭矩只有在负载被移除时产生大量的冲击后才能稳定下来假设这些冲击由扰动窗口“A”定义，扰动窗口“A”PID控制器的扰动窗口应用FPID控制器后，冲击得到显著减小，因为对于突然负载，扰动窗口A为0.217，对于逐渐负载去除，扰动窗口A为320A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310图十一岁在（a）突然施加负载（b）使用FPID控制器的逐渐负载变化的影响下的速度-转矩特性表5速度转矩特性的比较。发生时参数PID控制器FPID控制器突然的负载逐级加载突然的负载逐级加载开始峰值扭矩（Nm）43.243.22525峰值扭矩时的转速（rpm）1442144211481148装载物移除最高转速（rpm）3320332031653100混蛋39102852.8519505988. 结论本文建立了无刷直流电机驱动系统的数学模型，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件分析了无刷直流电机在恒速运行时，在负载突变和负载渐变两种情况下，如果负载逐渐变化，BLDC驱动器会提供此外，它被发现，在过冲，下冲，峰值时间和建立时间方面的驱动器的瞬态响应与FPID的使用得到改善转速转矩特性A. Varshney等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）310321驱动器也用于所有条件，以评估机器的整体性能已经发现，通过应用FPID控制器而不是使用经典PID控制器，在负载去除时BLDC电机的急动的常见主要缺点在突然负载去除的情况下减少了50%，在逐渐负载去除的情况下减少了约80%引用Arulmozhiyal河，坎迪班河，2012. 无刷直流电机模糊PID控制器设计。在：计算机通信和信息学国际会议（ICCCI-2012），1月10日至12日，印度哥印拜陀。Baldursson，S.，2005年无刷直流电机建模与控制-MATLAB/Simulink实现，硕士论文。多尔夫角，理查德，C.，罗伯特·毕晓普2001年 现代控制系统，第9版。普伦蒂斯·霍尔公司， NewJersey-07458，USA，Chapters 1，5，pp.第1-23页。173-206.Farouk，Naeim，Bingqi，Tian，2012.自整定模糊PID控制器在AVR系统中的应用参加：IEEE机电一体化与自动化会议，8月5-8日，中国成都。Gupta，D.，2016. 基于模糊PID控制器的无刷直流电机速度控制。3月11&日至12日，印度，KNIT，在：IEEE电气，电子可持续能源系统的新兴趋势会议上，第2卷，pp. 221-224Pillay，P.，克里希南河，巴西-地一九八七年 永磁无刷直流电动机驱动系统的建模仿真与分析。在亚特兰大举行的IEEE IAS年会上发表。Pillay，P.，克里希南河，巴西-地一九八九年永磁电机驱动器的建模、仿真与分析，第一部分：无刷直流电机驱动器。 IEEETrans.Ind.Appl.25（March/April），274-279.Qian，Yuhao，2012.无刷直流电动机模糊PID控制器的设计，先进材料研究，卷。588-589. 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