无刷直流电机的优化控制方案分析

张悦琳

摘 要：无刷直流电机的出现使传统的电刷和换向器结构得到了优化，但传统的控制方案却不再具有适用性，在一定程度上限制了无刷直流电机的应用。本文首先介绍了无刷直流电机的结构和工作原理，然后分析了传统PID算法的理论基础，最后采用模糊PID控制算法对无刷直流电机的控制方案进行了优化。希望本文的研究可以为相关领域提供参考。

关键词：无刷直流电机;PID算法;模糊控制

传统的有刷电机需要设计电刷和换向器，因此存在机械摩擦和换相火花等问题，导致寿命不长，可靠性也较差。为了解决这一问题，无刷直流电机应运而生。无刷直流电机不再采用电刷和换向器结构，取而代之的是电子换相法，因而大大提高了电机的总体性能[1]。然而，这种性能提高是以控制系统的复杂化为代价的。由于无刷直流电机在结构上较复杂，非线性和时变特性也更加显著，因此传统的PID控制算法很难满足精度要求。为此，需要探讨新的控制算法，以适应无刷直流电机日益广泛的应用需求。

1.无刷直流电机工作原理

无刷直流电机主要由电枢绕组、永磁体、定子、转子、电子换向器等结构组成，其中电枢绕组组装在定子上，永磁体磁极组装在转子上，电子换的应用使传统电机的电刷和换向器不复存在[2]。根据应用场合的不同，电机绕组的相数可以不尽相同，转子对数也有多种形式，绕组的连接可以采用星型和封闭型两种，但由于封闭绕组具有较高的损耗，效率也不高，因此大部分无刷直流电机的绕组采用星型连接。不同型号的电子换相器可能具有不同的结构形式，因此又有桥式换向器和非桥式换向器的区分[3]，其中非桥式换向器结构简单、成本较低，但由于效率不高，实际很少应用，故格式换向器是主流。

电流经过某相定子时会产生逆变交流信号，交流信号在气隙的作用下感应出旋转磁场推动转子运动。传感器实时测量转子位置并将功率开关管有序导通，驱动电机持续运转。根据转子位置和换相关系的不同，功率开关管的导通或截止相序也不同，从而控制电机的正转或反转。

2.PID控制系统研究

2.1 PID控制概述

当前的电机控制系统中广泛采用PID控制算法，所谓PID控制算法就是由比例（Proportion）、积分（Integral）、微分（Derivative）三部分组合在一起，动态地修正系统误差的一种控制体系[4]。如果被控对象的数学模型可以被准确地描述，那么PID就可以获得很高的控制精度。此外，PID控制算法还简单易行、调试方便、可靠稳定、动态性能好等许多优点，因而成为运动控制领域中应用最为普遍的方案。

然而，随着电机系统的发展，无刷直流电机开始在工业领域广泛应用。无刷直流电机比传统的交流电机更加复杂，非线性和时变性也更加明显，性能要求也不断提高，传统的PID算法很难达到理想的控制精度和速度。为此，又发展出神经网络、模糊控制、人工智能等许多新的控制算法，在很大程度上克服了传统PID的不足。也正是这些智能算法的不断发展，进一步推动了无刷直流电机的应用。

2.2 PID控制原理

PID控制器本质上是由三种控制策略组合而成的一种综合控制系统，它由比例、积分和微分三个校正环节通过线性组合的方式，共同对系统误差进行测量和修正，从而保证系统可靠稳定运行。PID控制体系由控制器和控制对象两部分构成。在控制过程中，PID控制器首先通过传感器将控制对象的关键参数测量出来，然后实时计算其与预设值的偏差，再通过综合应用比例、积分和微分的方法对参数进行校正，比例、积分和微分环节各生成一个系数，校正后的参数用于控制被控对象，使其保持运行的稳定。

在校正过程中，不同的控制系数会对系统的精度和性能产生不同程度的影响。比例系统超出调节范围会严重降低系统的稳定性，甚至产生振荡而失去调节的作用。积分系数过大也会产生类似的问题，合理选择积分系数能有效增强系统的抗干扰性，同时降低系统静差。微分系数可以提高控制系统的反应速度，改善动态性能，过大的微分系统会造成系统过于灵敏，在未完成调节任务之前就停止了控制过程，因此有時候需要引入修正系数使微分环节的调节更加合理。

3.无刷直流电机的优化控制

对于传统的交流电机而言，PID控制确实是一种优秀的控制算法，这也是其得到广泛应用的原因。但是，对于无刷直流电机而言，其数学模型往往具有一些不确定因素，非线性和时变性也比较明显，同时，在无刷直流电机的应用场合中，一般要求具有很高的控制精度。显然，这种情况已经不能满足传统PID控制体系的前提，必须对其进行改进才能适应新的控制需求。本文结合模糊控制理论，采用模糊PID控制方案对无刷直流电机进行优化控制。

3.1模糊PID控制概述

考虑到无刷直流电机系统的数学模型引入了一些不稳定因素，无法精确建立数学模型，而模糊控制无需被控系统具有精确的数学模型，因而恰好可以弥补传统PID控制算法的不足。模糊控制以语言控制规则为主，具有比PID控制更高的响应速度和更好的稳定性。如果将模糊控制思想融入到传统PID控制算法中，就形成了模糊PID控制算法，使两者的优点都得到了最充分的利用，可以大大提高系统的鲁棒性。

3.2模糊PID控制过程

模糊PID控制系统的关键在于模糊控制器的实现，该控制器需要借助模糊数学的一些基础理论，包括模糊集、模糊语言和模糊规则，这些数学过程再通过计算机编程的方法固化到代码中，从而形成模糊PID控制器。具体而言，模糊控制器的实现需要经过模糊化、模糊推理和解模糊等三个关键步骤。

3.2.1模糊化

模糊化是模糊控制的出发点。由于无刷直流电机系统的输入参数为误差或误差导数，显然是一个确定的数值，但模糊控制器要求以模糊参数为输入，因此必须先将误差参数进行模糊化才能被模糊系统处理。这里所说的模糊其实是采用数学变换的方法将参数变换到论域内，并通过模糊子集的形式进行描述。模糊集和模糊规则的数量并非越多越好，也非越少越好：如果过少，就很难全面覆盖系统特征，无法实现精确控制;如果过多，又会给计算带来巨大的压力。因此应综合考虑，根据无刷直流电机的特点，恰当选取合适的模糊集合数量，其数量通常在3-10的范围内。

3.2.2模糊推理

模糊推理是实现系统控制在关键环节，所谓的推理就是按照预设的模糊规则将模糊集进行延伸，建立各变量之间的对应关系。目前较经典的模糊推理算法包括Mamdani推演和T-S推演，其中前者由于过程简单快捷而得到较广泛的应用。对于非线性系统，T-S推演则具有一定的优势，它通常原因-结论的思想来建立输入输出变量之间的非线性映射关系。

3.2.3解模糊

模糊推理的结果是给出了一系列模糊集合，这些模糊集合是根据预设的模糊规则推算而得的，因而可以反映系统的变化。为了对被控系统进行控制，还必须将模糊集合变换为确定值，这个变换过程与模糊化恰好相反，称为解模糊。但解模糊的方法有很多，例如最经典的面积平分法、中心点法和最大隶属度法，采用不同的方法可以得到不同的结果。

4.结语

随着自动控制技术和数学基础理论的发展，新的控制算法不断涌现，无刷直流电机的控制逐步走向智能化，人工智能技术开始得到应用。不难预见，在新型控制算法的支撑下，无刷直流电机的应用将更加广泛。

参考文献：

[1]孙元，李鹏.无刷直流电机闭环控制设计[J].内蒙古科技与经济.2019，（2）：83-85.

[2]黄李威，林荣文，文思奇.无刷直流电机控制系统的研究[J].电气开关.2018，56（5）：36-39，44.

[3]何剑文.无刷直流电机的原理与应用[J].西部论丛.2018，（8）.