无位置检测器的无换向器电机的模糊控制

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1994.05.011 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1994 无位置检测器的无换向器电机的模糊控制 储方杰周绍英吉年丰阎延生 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要本文介绍了一种88单片机实现的全数字化的无换向器电机调速系统.其特点是采用无位 置检测器技术，实现了无换向器电机的无位置检测器运行；速度调节器运用模糊控制器.结果表 明，无位置检测器技术是可行的，无换向器电机的模糊控制具有较好的控制效果， 关键词单片机，无位置检测器，模糊控制 中图分类号TP273 Fuzzy Control of a Brushless DC Motor without a Position Sensor Chu Fangjie Zhou Shaoying Ji Nianfeng Yan Yansheng Automation and Information Engineering College,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper discribes a variable speed system of the brushless dc motor controlled by 8098 single chip microprocessor.An approach to position sensorless is studied and velocity regulator is realized by a kind of FUZZY controller.Experimental results show that the brushless dc motor can operate sucoessfully without position sensor,and the FUZZY controller of the brushless dc motor has desirable controlling effect. KEY WORDS single chip processor,position sensorless,FUZZY control 控制器的设计都要建立在被控对象精确数学模型（传递函数和状态方程）的基础上，但是 现实中多数系统极其复杂，难于确定这些过程的传递函数和状态方程.能否绕过建立精确数 学模型而对系统实现更理想的控制，正是模糊控制理论所要解决的问题.无换向器电机调速 系统调节器的设计常采用从直流调速系统移植过来的工程最佳方法，控制效果并不理想，原因 在于无换向器电机并非真正的直流机，而是一种非线性、高耦合、多变量的复杂系统，数学模 型在五阶以上，且有些参数是时变的.鉴于无换向器电机的特点和模糊控制的优点，本文设计 了规则自调整的模糊控制器作为系统的速度调节器. 1系统结构 1994-02-21收稿 第一作者男34岁讲师硕士

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州 年 月 幼 沈 望洲 无位置检测 器 的无换 向器 电机 的模糊控制 储方杰 周 绍英 吉年丰 阎延 生 北京科技大学 自动化信息工程 学 院 ， 北 京 摘要 本文介 绍 了一种 以为 单片机实现 的全数字化 的无换 向器 电机调 速系统 其特点是 采 用 无位 置检测器技术 ， 实现 了无换 向器 电机 的 无 位 置 检 测 器 运 行 速 度 调 节 器 运 用 模 糊 控 制 器 结果 表 明 ， 无位置检测 器技术是 可行 的 ， 无换 向器 电机 的模糊控制具有 较好 的控制效果 关健词 单 片 机 ， 无位置检测器 ， 模糊控制 中 图分类号 二 。 亩记 洲 如 邢 例 曰 心 助 卿 ， ， 钩 〕 】 ， 硬汀 比 氏沮 已洛 ℃ 溉 粥 耐 心记七 。 洛 ‘习路 诚 ， 川巴 而 疚 姗 ， 】 粥 ， 控制器 的设计都要 建 立在被 控 对象精确 数学模型 传递 函数和 状 态 方 程 的基 础 上 ， 但 是 现实 中多数系 统极其复杂 ， 难于 确定 这些过程 的 传递 函 数 和 状态 方 程 能 否 绕 过 建 立 精 确 数 学模 型 而 对系 统 实现更理想 的控 制 ， 正是 模糊 控 制 理 论 所 要 解 决 的 问题 无 换 向器 电机 调 速 系 统调 节器 的设计 常 采 用从直 流 调 速系统移植过来 的工程最佳方法 ， 控 制效果并 不理 想 ， 原 因 在 于 无换 向器 电机并 非 真 正 的直 流机 ， 而 是 一 种 非 线 性 、 高 祸 合 、 多 变 量 的 复 杂 系 统 ， 数 学 模 型在 五 阶 以 上 ， 且 有 些参数是 时变 的 鉴于无换 向器 电机 的特点 和模糊控 制 的优点 ， 本文设计 了规则 自调 整 的模糊 控 制器作 为系 统 的速度调 节器 系统结构 哭域一 一 收稿 第一 作者 男 岁 讲师 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．05．011

Vol.16 No.5 储方杰等：无位置检测器的无换向器电机的模糊控制 455. 本系统采用8098单片机构成系统的主控制器，系统结构如图1所示.主控制器8098主要 完成以下工作：(I)通过带有多路转换开关及采样与保持电路的四通道十位片内AD转换 器，完成电流信号的采样以及速度给定信号的输入；(2)通过扩展并行口8155和两片可编程定 时器8253完成整流桥及旁路晶闸管的触发控制；(3)运用8098的6个高速输出口(HSO0~ HSO5)作为逆变桥6个晶闸管的触发控制；(4)将外中断EXTINT和高速输入零口HSI0中 断分别作为整流桥同步中断入口及逆变桥中断人口，在中断服务程序中完成整流桥与逆变桥 的控制；(5)完成FUZZY控制器的算法实现.此外，系统中还设有各种保护，包括过流、过 压、停机联锁等保护， 电源侧 电源同步中断厂 整流同步电路 5 EXT INT 电源状态 8253 2Ⅱ 8253 酷 TaINI 8600- 转子状态 断流信号 脉冲调制及功放 电流反馈 速度给定一 s00-5k冲调制及功放 1HS10 转子状态 茶 入 转子同步中断 转子状态电路 测速脉冲 电机侧 图1控制系统硬件框图 Fig.1 Hardware block of control system 2无位置检测器技术 无换向器电机中，传统的转子位置检测器不仅安装困难、稳定性差，而且可靠性和精度都 不高.因此，研究无换向器电机的无位置检测器技术成为无换向器电机发展的一个重要方向四， 目的是要取消传统的转子位置检测器，通过间接的方法检测转子位置.本文研究了一种基于 端电压检测的新型的转子位置检测技术，成功地实现了无换向器电机的无位置检测器运行， 位置检测的原理电路如图2所示. 图2中4，、。、4为经过降压后的电机端电压.D1、D2、D,为经电路检测出的转子位置信 号.电容C,>C,电机运行在起动及低频时，端电压很小，而且转子励磁绕组中的谐波分量在 电机定子绕组中感应的谐波电势在端电压中所占比重较大，端电压波形畸变较严重，所以在

储方杰等 无位 置检测器 的无换 向器 电机 的模糊控制 · 本系 统采 用 单片机构成 系 统 的主控制器 ， 系统结构如 图 所示 主控制器 主要 完成 以 下工作 通 过 带有 多 路 转 换 开 关 及 采 样 与 保 持 电路 的 四 通 道 十 位 片 内 转 换 器 ， 完成 电流信号 的采样 以及 速 度 给定信号 的输人 通过扩展并行 口 和 两 片 可 编 程 定 时器 完成整 流桥及 旁路 晶 闸管 的 触 发 控 制 运 用 的 个 高 速 输 出 口 一 作 为逆变 桥 个 晶 闸管 的触 发 控 制 将 外 中 断 丁 和 高 速 输 人 零 口 中 断分别作 为整 流桥 同步 中断人 口 及 逆变桥 中断人 口 ， 在 中断服务程序 中完 成 整 流 桥 与 逆 变 桥 的 控 制 完 成 控 制 器 的算法 实 现 此 外 ， 系 统 中还 设 有 各 种 保 护 ， 包 括 过 流 、 过 压 、 停机联锁等保 护 电源 侧 速电 测 速 脉 冲 燕。 心 舀翼 、 国 馨 革 脉冲调 制及功放 动小 一 脉冲调 制及 功放 电机 侧 图 控制 系统硬件框 图 瑰 刊抽恻陀 场叱 圈 奴习 攀加 无位置检测器技术 无换向器 电机 中 ， 传 统 的转 子位置检测 器不仅安装 困难 、 稳定 性差 ， 而且 可靠性 和 精 度 都 不 高 因此 ， 研究无换 向器 电机 的无位 置 检测 器技术成 为无换 向器 电机 发展 的一个重要方 向【刀 ， 目的是 要取 消传 统 的转 子位 置 检 测 器 ， 通 过 间接 的 方 法 检 测 转 子 位 置 本 文 研 究 了 一 种 基 于 端 电压检测 的新 型 的转子位置 检测 技术 ， 成 功地 实现 了无换 向器 电机 的 无 位 置 检 测 器 运 行 位置 检 测 的原理 电路 如 图 所示 图 中 。 、 、 为经过 降压后 的 电机端 电压 ， 、 、 为 经 电路 检 测 出 的 转 子 位 置 信 号 电容 》 砚 ， 电机运行在起动及低 频 时 ， 端 电压很小 ， 而且 转子 励磁绕组 中 的谐 波分 量 在 电机定 子绕组 中感 应 的谐波 电势在端 电压 中所 占 比重 较 大 ， 端 电压 波 形 畸 变 较 严重 ， 所 以 在

·456 北京科技大学学报 1994年No.5 图2端电压检测电路 Fig.2 Terminal voltage detection circuit D 低频时，模拟开关K合上，R、C,构成低通滤波器，转折频率6=5H五，进行深度滤波，端电压 经滤波后最大相移45°，起动时很容易将断续换流的换流时刻定在y=0°附近.电机转速升 高后（∫>5Hz),端电压中的谐波成分相对减少，故将模拟开关K断开，模拟开关由单片机控 制，经整形电路整形后输出理想的位置信号，电机起动后，逆变桥采取恒y角控制，取y=30° 3 无换向器电机模糊控制器的设计 常规的FUZZY控制器的缺点是控制规则调整不易，因此无换向器电机FUZY控制器 的设计中，本文采用了带修正因子的FUZZY控制器. 在本系统中，控制规则涉及的论域有4个，它们是速度偏差E(e偏差变化率C(e劣偏差累 积S(∑e)以及输出控制量U. 如果这些论域均用7个语言变量(PB,PM,PS,O,NS,NM,NB)来描述，并且将这7个 语言变量分别定义如下： 正大(PB)在6附近； 负大(NB)在-6附近； 正中(PM)在4附近； 负中(NM)在-4附近； 正小(PS)在2附近； 负小(NS)在-2附近； 零(0)在0附近. 在一般情况下，如最佳控制系统的参数寻优.自适应控制系统的参数调节等，均需要对控 制规则进行调整，为此人们提出了一种带修正因子的模糊控制规则间： U=aE+(1-a)C (1) 其中，x是介于0~1之间的实数. x=0.8时的控制规则如表1所示.通过调整因子x,可以对控制规则进行调整.应当 指出的是，以：作为调整参数，不仅方便易行，而且有深刻的物理意义，因为x值的大小直 接表示对偏差E和偏差变化率C的加权程度，这恰好反映了操作者进行控制时的思维特点， 这种方法也反映了人的思维过程的连续性、单值性和正则性，可以克服单凭经验来选择控制 规则的缺陷，避免控制规则定义中的空档和跳变现象，所以这种带修正因子的量化描述是可 行的和合理的

北 京 科 技 大 学 学 报 刃 年 图 端 电压检测 电路 ’ 血目 ，咖缪 山招汕扣 血 低频 时 ， 模拟 开 关 合上 ， ，、 、 构成低通 滤波器 ， 转折频率 无 珑 ， 进行深度 滤波 ， 端 电压 经 滤波后 最大相 移 “ ， 起动 时很容易将断续换流 的换 流 时刻定 在 下 。 附近 电机 转 速升 高后 ， 端 电压 中的谐波成分相 对减少 ， 故将模拟 开 关 断开 ， 模拟 开关 由单 片 机 控 制 ， 经整形 电路整形后输出理 想 的位 置信 号 电机起 动后 ， 逆 变桥采 取 恒下角控 制 ， 取 下 无换向器 电机模糊控制器 的设计 常规的 控制器 的缺点是控制规则调 整 不 易 ， 因此 无 换 向器 电机 控 制 器 的设计 中 ， 本文采 用 了带修正 因子 的 控制 器 在 本系 统 中 ， 控制规则涉及 的论域有 个 ， 它们是 速 度偏 差 回 偏差 变化率 偏 差 累 积 艺 以及 输 出控制 量 如果这些 论域均 用 个语言 变量 ， 尸 ， ， ， ， ， 来 描 述 ， 并 且 将 这 个 语言变量分别 定 义如 下 正大 尸刀 在 附近 负大 刀 在 一 附近 正 中 尸 在 附近 负 中 材 在 一 附近 正小 在 附 近 负小 在 一 附近 零 在 附近 在 一般情况 下 ， 如最 佳控制 系 统的参数寻优 自适应控制 系 统 的参数调 节 等 ， 均需 要 对控 制规则进行 调整 为此 人们提 出 了一 种带修正 因子 的模糊 控 制规则 一 其 中 ， 是 介于 一 之 间 的实数 二 时 的控 制规则 如 表 所示 通 过调 整 因 子 ， 可 以 对 控 制 规 则 进 行 调 整 应 当 指 出的是 ， 以 作 为调整 参数 ， 不 仅方便易行 ， 而且有 深 刻 的物理 意 义 因 为 值 的大 小 直 接表示 对偏差 和偏差 变 化率 的加权程度 ， 这恰 好反映 了操作者进行 控制 时 的 思 维 特 点 这种 方法 也反 映 了人 的思 维过程 的连续性 、 单 值 性 和 正 则性 ， 可 以 克 服 单凭 经 验来 选 择 控 制 规则 的缺 陷 ， 避 免控制规则定义 中的空档 和 跳 变现 象 ， 所 以这种 带修正 因 子 的 量 化 描 述 是 可 行 的和合理 的

Vol.16 No.5 储方杰等：无位置检测器的无换向器电机的模糊控制 .457, 在无换向器电机FUZZY控制器的设计 表1x=0.8的控制规则 中，采用了3种控制规则，分别对应电机运 Table 1 Comtrol rule of =0.8 行的3段：第1段为电机起动低速段，偏差 E C 4=N一N较大，设计控制器时，侧重于对 NB NM NS 0 PS PM PB 偏差E的加权，x取0.8，这阶段一直持续到 PB PM PM PMPM PB PB PB le=N。·25%;第2段为中速段，ldN2/10且Ilel≤N4,U=0.4E+0.6C (3) lel N./10, U=0.8E+0.2S (4) 由表1的控制规则，再根据取e=-6.一5，…，0，…，+5，+6和e=-6,-5,…,0,…, +5,+6中的整量化值，可以得到实际的控制表.同理可以得到转速调节段的控制表， 在FUZZY控制器的程序设计中，可将控制表存在EPROM中待查.当然，从控制表中所 查得的整量化值还需换算成实际的精确的控制量.设控制量的实际变化范围为[U心，U。](相当 于仪表的量程)，则控制表中整量化值X到实际值Y的换算公式为： Y=X·(U.-U)/12+(U+U)/2 (5) 控制量U的量程选取与控制性能密切相关.起动第1阶段，量程选最大；第2阶段量程 应缩小；第3阶段再换一个量程，这3个量程可理解为人工操作旋钮的粗调、细调、精调，这 (a)n (b)n 图3电机起制动过程，n=5O0r/mim(a)PI控制；(b)FUZZY控制 Fig.3 Starting and braking transient of motor,n=500r/min (a)PI control;(b)FUZZY control

储方杰等 二 无位置 检测 器 的无换 向器 电机 的模糊控 制 · · 在 无换 向器 电机 控 制器 的设计 表 “ 名 的控制规则 电 采 用 了 种 控制规则 ， 分别 对应 电机 运 映 ，州 映 “ 一 昭 行 的 段 第 段 为 电机起动低 速段 ， 回 从 一 耳 较大 ， 设计控 制器 时 ， 侧 重 偏 于 差 对 外 一－ 偏 差 的加权 ， 取 ， 这 阶段 一直 持 续 到 叭了 尸 回一 凡 · 第 段 为 中速段 ， 凡 · 咫 外 巧 ， 转速 已 经较 高 ， 为 了 防止 转 速超调 ， 控 制 器 咫 巧 邢 巧 巧 巧 侧重 于 对偏差 变化率 的加 权 ， “ 取 第 巧 段 为转速调 节段 ， 当 凡 · ， 为 了消 。 。 除稳态偏差 ， 控制 器 的输 人改 为偏差 及 偏 叼 差累积 ， 这一段侧重 于 对偏 差 累积 的加 权 ， 戊 取 综上 所述 ， 将 无换 向器 电机 控制规则 总结 为下 面 条公式 戈 ， · · 戈 且 毛 从 ， · · 从 ， · · 由表 的控制规则 ， 再根据取 。 二 一 ， 一 ， … ， ， … ， ， 和 。 一 ， 一 ， … ， ， … ， ， 中的整量 化值 ， 可 以 得 到 实 际 的控 制 表 同理 可 以 得 到 转速 调 节 段 的控 制 表 在 控制 器 的程序设计 中 ， 可 将控制表存 在 中待查 当然 ， 从控制 表 中所 查得 的整 量化值还需 换算成 实际 的精确 的控制量 设控 制量 的 实 际 变 化 范 围 为 ， 认 」相 当 于 仪表 的量程 ， 则 控制表 中整 量 化值 到 实 际值 的换算公 式 为 · 认一 砚 仪 认 控 制量 的 量 程 选 取 与 控 制性 能 密切 相 关 起 动 第 阶段 ， 量 程 选最 大 第 阶段 量 程 应缩小 第 阶段再换一 个量 程 这 个量 程 可 理 解 为 人 工 操 作 旋 钮 的 粗 调 、 细 调 、 精 调 ， 这 图 电机起制动过程 ， 飞 绷 控制 刊 控制 瑰 · 扭币 弓 耐 腼拓嗯 坛阴‘ 印 巩 飞 绷 而 阴加七助 刊 以川

…458 北京科技大学学报 1994年No.5 对提高系统的控制精度和避免振荡具有很大作用，另外，为了加快动态过程，输出控制应设 定一个初始值飞，则控制量为U=U,+，因为速度调节器输出为电流调节器的电流给 定，所以，相当于对负载的估计，U为FUZZY控制器出量. 本文以一台2.0kW的同步机为对象，对无位置检测器的无换向器电机调速系统进行了 实验研究，速度控制器分别用经典PI调节器以及FUZZY控制器，实测的电机起制动过程 如图3所示. 4结论 本文研究的无位置检测器技术是可行的，成功地实现了无换向器电机的无位置检测器运 行；无换向器电机的模糊控制是可行的，模糊控制的动静态性能均优于PI控制器， 参考文献 】方建淳.MCS一96系列8098单片机原理及应用技术，天津：天津科学出版社，1990 2许大中，品闸管无换向器电机.北京：北京科学出版社，1984 3王学慧，田成方，微机模糊控制理论及应用.北京：电子工业出版社，1987 的岭的的：的的的的的的的的的的的的的的的的的的的响前的的的的的的的的的的的的冷的的的的 (上接453页) 4结论 含混合稀土的Ni-P-SiC和Ni-P-WC复合镀层，经4O0℃、1h的热处理，其耐磨 性分别为Q235钢的5.11倍和4.5倍.混合稀土可提高镀层的结合力、硬度和耐磨性. 硬颗粒的浓度和镀时等因素对镀层耐磨性有很大的影响，生产Ni-P-Si和Ni-P-WC 复合镀层的设备简单、成本低、可在常温下进行，有广阔的使用前景. 参考文献 1表面处理工艺手册编委会，表面处理工艺手册，上海：上海科学技术出版社，1991.144~154 2西罗正芳等.SC复合的)老②摩耗特性仁为付石マ卜刂少夕天②效果，金属表面技术，1991,42(1)：8488 3小见崇，藤原俊彦.Ni-WC分散的？老)粒子-了卜)y夕反应.金属表面技术，1989,40（④：558561 4小见崇，山本久，Ni-SC分散的)老)粒子-了卜)”夕又接着七引张特性.金属表面技术， 1983,34(8):416-421

· 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 对提高系 统 的控制精度 和避 免振荡具有很 大 作 用 另 外 ， 为 了加快 动态 过 程 ， 输 出控 制 应设 定 一 个初 始 值 ， 则 控 制 量 为 二 矶 ， 因 为 速 度 调 节 器输 出 为 电流 调 节 器 的 电流 给 定 ， 所 以 矶 相 当于 对负载 的估计 ， 为 控制器 出量 本文 以 一 台 的 同步 机 为对象 ， 对无位 置 检 测 器 的 无 换 向器 电机 调 速 系 统 进 行 了 实验研究 ， 速度 控 制 器分别 用 经 典 调 节 器 以 及 控 制 器 实 测 的 电 机 起 制 动 过 程 如 图 所示 结论 本文研究 的无位置 检测 器技术是可行 的 ， 成 功地 实现 了无换 向器 电机 的无位置检测 器 运 行 无换 向器 电机 的模糊控制是 可行 的 ， 模糊 控制 的动静态性 能均优 于 控制器 参 考 文 献 方 建淳 已 一 系 列 的 单片机原理及 应用 技术 天 津 天津科学 出版社 ， 叭 许大 中 晶 闸管无换 向器 电机 北京 北京科学 出版社 ， 王 学慧 ， 田 成方 微机模糊 控制 理论及 应用 北京 电子工 业 出版社 ， 上 接 页 结论 含混合稀 土 的 一 一 和 一 一 复 合镀 层 ， 经 ℃ 、 的 热处理 ， 其 耐 磨 性 分 别 为 钢 的 倍 和 倍 混 合 稀 土 可 提 高 镀 层 的 结 合 力 、 硬 度 和 耐 磨 性 硬 颗 粒 的 浓 度 和 镀 时 等 因 素 对 镀 层 耐 磨 性 有 很 大 的 影 响 生 产 一 一 和 一 一 复合镀层 的设备简单 、 成 本低 、 可在 常温 下 进行 ， 有 广 阔 的使用 前景 参 考 文 献 表 面处理工 艺手册编委 会 表 面处理工 艺手册 上 海 上海科学技术 出版社 ， 卯 一 抖 西 罗正芳等 复合的 。 色。 摩耗特性 忆 扫 ‘少石 呀 卜 少少 夕久 。 效果 金属表面技术 ， ， 小见 崇 ， 藤原俊彦 一 分散的 。 色。 粒子 一 ， 卜 少少 夕 久 反应 金属表面技术 ， ， 卜 小见 崇 ， 山本 久 一 分散 的 。 色 。 粒 子 一 呀 卜 少少 夕 久 接着 七 引 张 特 性 金 属 表 面 技 术 ， ， 一