摘 要

直流无刷电机因为体积小、结构简单、功率密度较高、速度调节机能好等特点，在机电能量转换范围得到了普遍运用。但是随着现代工业的迅猛发展，运用传统PID控制方法来对直流电机进行控制已经越来越无法满足当代工业自动化生产的需求。我们知道传统PID控制算法对被控对象有着非常严格的要求，使用传统的 PID 控制方法来在线找出合理PID 参数相当麻烦且难以达到理想的控制效果。虽然PID控制算法的对线性、时不变的模型要求不高，但对于强耦合、时变非线性系统模型来说，传统PID控制就无法满足控制的实时性与精确性，而直流无刷电机恰恰是这样一种复杂的控制系统。因此，本文针对直流无刷电机控制系统的复杂性，试着研究探讨将PID控制与模糊控制相结合，采用模糊-PID控制策略来对直流无刷电机进行调速仿真，设计出了基于模糊控制的直流无刷电机调速控制系统。

首先，本文简单介绍了直流无刷电机的国内外现状以及发展前景，阐述了直流无刷电机的基本构成以及控制原理以及对直流无刷电机的数学模型进行了简单论述。

其次，本文还简要介绍了模糊控制领域内的一些基本理论知识。

最后，本文在MATLAB/Simulink环境中设计了基于模糊控制的直流无刷电机双闭环调速控制系统仿真模型，其中外环速度环换采用模糊-PI控制器共同作用，内环电流环采用PID控制器进行调节。最后运行仿真模型并得出仿真结果。结果表明，基于模糊控制的模糊-PID控制系统具有上升时间短，稳态误差小等优势，有较强的鲁棒性和自适应性，对直流无刷电机起到了调速作用。

关键词：直流无刷电机、模糊控制、PID控制、双闭环控制

Abstract

BLDC as small size, simple structure, high power density, speed control mechanism and good features, electromechanical energy conversion range has been widespread use. However, with the rapid development of modern industry, and BLDC control system is a set of multi-variable, strong coupling, nonlinear equal to a complex control system, so the use of the conventional PID control method for DC motor control has been increasingly unable to meet the needs of contemporary industrial automation. As we all know, the traditional PID control algorithm of the controlled object has a very strict requirements, using conventional PID control method PID parameters online to find reasonable rather cumbersome and difficult and it is difficult to achieve the desired control effect. Although linear, time invariant model less demanding PID control algorithm, but for strong coupling, time-varying nonlinear system model, the traditional PID control can not meet the real-time control and accuracy, and the BLDC it is precisely such a complex control system. Therefore, this paper, the complexity of the BLDC control system, the study tried to explore the PID control and fuzzy control combining fuzzy control strategy -PID BLDC speed control simulation, designed based on fuzzy control of BLDC speed control system.

First, this paper introduces the current situation and development prospects of the BLDC at home and abroad, describes the basic structure of the BLDC and control theory, the mathematical model and BLDC is simple exposition.

Secondly, this article briefly introduces the theory of fuzzy control, fuzzy control principle was simple set.

Finally, in the MATLAB / Simulink design environment based on fuzzy control Brushless DC Motor speed control system simulation model, in which the outer ring speed change -PI fuzzy controller, the inner current loop PID controller adjusted. Finally, run the simulation model and the simulation results obtained. The results showed that, based on the fuzzy control system based on fuzzy control -PID having short rise time, steady-state error and other advantages, strong robustness and adaptability of the brushless DC motor speed played a role.

Keywords：BLDC ,Fuzzy control ,PID control, Double closed loop control

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 直流无刷电机的发展现状 1

1.3 直流无刷电机的国内外研究现状 2

1.4 本文主要内容和结构安排 2

第二章 直流无刷电机介绍及其数学模型 4

2.1 直流无刷电机的基本组成及其工作原理 4

2.1.1 电机本体 4

2.1.2 控制电路 5

2.1.3 位置传感器 5

2.2 直流无刷电机的数学模型 5

第三章 模糊控制介绍 8

3.1 模糊控制的发展历史 8

3.2 模糊控制解决的问题 8

3.3 模糊控制原理 9

3.3.1 模糊控制系统组成 9

3.3.2 模糊控制的工作原理 10

3.4 模糊控制展望 11

第四章 直流无刷电机的模糊控制系统仿真设计 12

4.1 仿真工具MATLAB介绍 12

4.1.1 MATLAB简介 12

4.1.2 Simulink模块简介 12

4.2 直流无刷电机的控制方案 12

4.2.1 开环控制 12

4.2.2 单闭环控制 13

4.2.3 双闭环控制 14

4.3 直流无刷电机的模糊控制器设计 14

4.3.1 模糊控制器系统结构 14

4.3.2 模糊控制规则设计 16

4.3.3 电流环PID参数选取 17

4.4 基于模糊控制的直流无刷电机控制系统的设计 18

4.4.1 电机模块 18

4.4.2 速度控制回路 21

4.4.3 电流控制器 22

4.5 仿真结果分析 23

第五章 结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

直流无刷电机作为将电机本体和控制装置彼此结合在一起的一种机电一体化产品，它不单具备一般直流电机的良好机械特性，而且具有一些交流电机良好的性能。

直流无刷电机普遍运用在我们生活中的各个领域，其运用领域还在不停地在扩大，但是它对控制系统的要求也变得越来越高。因此我们需要不断开发出更简单、更加实用、成本更低的直流无刷电机控制系统。通常我们在传统的电机调速中采用传统PI或PID控制技术，但是使用这些传统控制方法必须要求我们能够比较容易获取且了解对象的数学模型。与之相比，模糊控制方法的应用却不需要依赖于精确的数学模，而且它的构造简单、易于完成，能够实现传统控制的功能。目前，模糊控制方法正在飞速地发展与应用。

模糊控制方法就是在控制策略中加入一些带有模糊性语言的规则，因此这种控制器具有较强的鲁棒性并能够适应控制系统中的各种不确定因素。目前，有许多的专家学者在研究应用模糊控制器对直流无刷电机进行控制，使得直流无刷电机的控制系统性能得到不断的提高，推动了直流无刷电机控制方法的发展^[1]。