模糊控制在纯电动汽车直流无刷电机上的应用

李旦　金记伟　贾宏远

摘要：为了改善纯电动汽车在直流无刷电机控制下的扰动性能，文中在传统PI的基础上将模糊算法加入电机的数学模型中，通过MATLAB/SIMULINK将模糊控制器和传统的PI控制器进行仿真对比。实验结果表明：当受到扰动时模糊控制器能够迅速恢复稳定。

关键词：纯电动汽车；直流无刷电机；模糊控制；MATLAB仿真

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）19-0253-02

电动汽车的性能优越的参考指标之一为驱动性能，而驱动性能的优越取决于电机。由于直流无刷电机具有质量轻、结构简单、效率高、高可靠性等优点[1]，现已被作为纯电动汽车电机的首选。与其他电机相比，直流无刷电机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，所以使用传统的PI难以满足一些高性能、高精度的场合[2-3]。文献[4]将模糊控制加入传统PI当中，该控制器能够提高系统的控制精度，从而能较好地满足实际生产需求。本文通过MATLAB/SIMULINK将模糊控制器加入PI控制器当中，较好地解决了直流无刷电机强耦合问题，从而达到纯电动汽车在行驶时突然改变负载能够迅速恢复稳定的要求。

1 BLDCM的工作原理

直流无刷电机的绕组方式有Y型连接和三角形连接两种。本文采用Y型连接方式，同时三相绕组主回路采用三相全桥电路。主要是三相半桥的单个开关管只能控制一相的通断，因此各相电枢绕组的通电时间只为一个周期的三分之一，从而导致部分元器件没有发挥作用。本文采用三相全桥二二导通的BLDCM，电路如图1[5]。

两两导通工作即任意时刻只有2个功率管处于导通状态，其共有6种工作状态。每个周期内，电机每隔600电角度换向一次，每相绕组正反导通各1200电角度[6] 。开关元器件的导通顺序为V1V4，V1V6，V3V6，V3V2，V5V2，V5V4。由于电机为三相完全对称，故每相产生的转矩大小相等，且其合成转矩为单相转矩的[3]倍。

2 BLDCM的数学模型

在模糊PI控制模块的基础上通过把计算误差变化率与误差同时添加到控制器中构成参数自整定模糊PI控制模块，通过控制器对参数进行调节，从记忆模块中获得的上一时刻调整量与传统的PI参数初值相加，从而得到参数实时在线修正的目的。改进后的控制器模块如图3所示：

4 仿真实验结果及分析

仿真使用的无刷直流电机参数如下：额定电压UN=12V；额定转速nN=3000r/min；额定转矩TN=0.03N·m；转动惯量J=0.9×10-5kg·m2；定子相绕组自感L=0.21×10-3H；相绕组电阻R=0.6Ω，极对数p=8。给定初始转速1000rpm，起始时为空载，在t=0.1s时将负载转矩增加到0.03 N·m，在0.2s时将转速上升至2000rpm。对两种控制器进行电机电磁转矩仿真实验，其仿真结果图4所示的电机电磁转矩曲线。

电机空载工作时，改善后的控制器作用下的电机控制系统在电机启动时转矩波动较小，而在转速上升时能快速恢复到原来的转矩。

5 结束语

为了提高BLDCM控制系统的精准度，文中设计出参数自整定模糊PI 控制器。在仿真软件Matlab的环境下，将传统的PI 控制器和改进后的控制器添加到到速度控制环中，进行实验。实验结果表明：改进后控制器可提高电机的转矩利用率。

参考文献：

[1] W.W.Li，D.G.Xu，W.Zhang. Research on Wind Turbine Emulation Based on DC Motor[C].2nd IEEE Conference on Industrial and Applications，2007：2589-2593.

[2] C.Han，S.Wen，M.Deng.Robust Control System Design of a Direct Current Governor System with Input Constraints[C].In Proc.of the Second International Workshop on Computer Science and Engineering，2009：413-417.

[3] 熊志学，邱建琪，林瑞光.无刷直流电机新型弱磁控制的仿真研究[J].微电机，2006，39（3）：3-6.

[4] 邹晓康，张浩然.基于STM32的有感直流无刷电机控制器[J].微型機与应用，2016，35（14）：36-38.

[5] 陈炳成.基于FPGA的直流无刷电机控制器的设计与实现[J].电子世界，2015（24）：156-157.

6] 束文强，谭光兴，刘梦，俞昊.模糊控制在纯电动汽车永磁同步电机上的应用[J].广西科技大学学报，2015，26（03）：1-7.

[7] 林聪，谭光兴，陈赞，闫夏.基于PIC18F452的纯电动车用直流无刷电机控制器设计[J].伺服控制，2014（10）：43-48.