1、出处：工程应用人工智能 18（2005 ）881-890单片机模糊逻辑控制器的设计和一对永磁直流电动机中的应用思南 Pravadalioglu IMYO，控制系统。部，Dokuz Eylu 升大学，德雷斯计算机辅助设计，Istasyon索 5，Buca，35170 伊兹密尔，土耳其收到 2004 年 3 月 27 日; 接受 2005 年 3 月11 日可在线 23 May2005摘要他的论文描述了一种低成本的单芯片的 PI 型模糊逻辑控制器的设计和一对永磁直流电动机驱动器应用。所提出的控制器应用程序计算的 PWM 斩波驱动器的占空比，可用于直流 dcconverters 以及。自整定功能使控
2、制器的鲁棒性和所有的任务由一个单一的降低了系统成本，所以程序代码优化，实现芯片。一个简单但有效的算法来计算，而不是语言规则的数值。这样，外部存储器的使用被淘汰。本文的贡献是提出了 feasibilityof 一种高性能的非线性模糊逻辑控制器，可以实现 byusing 没有改进的模糊方法的通用微控制器。所开发的模糊逻辑控制器，在 MATLAB / Simulink 模拟软体。理论和实验结果表明，模糊逻辑控制器实现了实时操作条件超过控制多种高性能。2005 年爱思唯尔有限公司保留所有权利。关键词：直流马达驱动器;模糊逻辑控制器，微控制器，应用 ;仿真1、简介在开关式电源，直流电压从一个层面转化到另
3、一个层次是 DC - DC 转换和使用的 DC - DC 转换器电路，它提供了更高的效率比线性稳压器来完成。他们在很多实际的电子系统，包括家电，电脑和通讯设备非常重要。他们还广泛应用于工业，尤其是在开关式直流电源和直流马达驱动应用。在 DC - DC 转换器可以接受一个不受管制的直流输入电压，并产生一个控制在所需的电压等级直流输出。他们可以升压，降压和反转从输入输入直流电压和传递能量的离散数据包输出。的 DC - DC 转换器的一个缺点是噪音。在每次充电期间在离散的数据包，它创建噪声或纹波。噪音可减少使用特定的控制技术和元器件选择与便利。有著名的控制技术包括脉冲宽度调制（PWM）开关 freq
4、uencyis 其中常数，占空比随负载变化。PWM 技术能提供在宽负载范围内实现高效率。此外，由于开关频率是固定的，噪声谱相对较窄，允许简单的低通滤波技术，以减少峰峰值电压纹波。出于同样的原因，PWM 是与电信应用中的电源噪声干扰的关注很受欢迎。一个为 DC - DC 转换器控制系统中最重要的要求是保持输出电压，不论在直流输入电压和负载电流的变化不断。然而，在输出负载变化影响，造成短暂的直流输出电压的稳态水平，必须加以控制，以平等 adesired 由控制系统水平上显着偏差。一个在电路元件的 DC - DC 转换器转换结果被连接固有周期变化的配置，每个配置是用一个单独的方程组。暂态分析与控制系
5、统设计的转换器，因此很难，因为一个方程的数目必须按顺序来解决。虽然状态空间平均是最常用的模型得到的线性传递函数来解决这个问题，忽略了非线形的 DC - DC 转换器的行为的重要部分。为 DC - DC 变换器非线性控制器的发展，近年来取得了相当的重视。一个基于模糊逻辑模型控制器被选为本研究的非线性控制器。模糊逻辑控制（FLC）的一直是一个重要的研究课题。 。尽管具体的理论基础，FLC 的许多成功的申请报告和为 DC - DC 转换器和电驱动各种应用已经出版，可在文献（苏等人发现不足，1996 年，1995 年; Mattavelli 等。 1997 年 Brandsetter 和Sedlak，
6、1996 年;孝等，2001;。 。Gupta 等人，1997 年;扎哈罗夫，1996 年; 增值服务，1998 年，1999 年） 。刚果解放阵线已对非线性的，复杂的系统，以及线性系统，由于其有能力控制系统，可能没有一个输入和输出变量之间的传递函数的广泛推广应用。实验时地分配表明，模糊控制可以产生更好的结果所获得的这些常规的控制算法。与此同时，新的模糊微控制器芯片市场上，能够用自己的面具执行已经实施，如在任何需要的算法程序算法的一些缺点限制模糊规则非常快。数字信号处理（DSP）集成电路（IC）集成电路的计算和处理系统变量非常快，精度高的能力。但是，最昂贵的 DSP 电路，不包含诸如模拟外设数
7、字（A / D）和数字至模拟（D / A）为转换和片上 PWM 发生器电路，以及需要增加外部。一间以的DC - DC 转换器的其他应用程序中使用模糊控制器与评估模块加上一些外部芯片一的 TMS320 - DSP 和模糊控制器。他们是一对 A / D 转换为反馈信号的评价，一个 D / A 转换器转换器转换成输出和 PWM 控制芯片的计算量产生的开关元件（苏等半导体适当的工作周期，1995 年;。Brandsetter 和 Sedlak，1996） 。一个与 8 位微控制器联合体实施常规提出 Gupta 等人。 （1997 年）的 DC - DC转换器和修正的 defuzzication 过程重
8、心法是用来减少 8 位微控制器的处理时间。然而，这 moded 清晰化技术提高了系统的稳定时间。详细的模拟和在与刚果解放阵线直流电动机驱动的闭环控制实验研究，进行了扎哈罗夫（1996 年）和一个评估板 PC 电脑是刚果解放阵线就业。的比例积分（PI ）型电流和转速控制器的瞬态响应的比较，刚果解放阵线的。在这份文件中提出的研究目标是设计和实施控制的永磁直流电动机（PMDCM）转子转速高绩效的模糊 PI 控制器调节。我们还通过提供一个通用的单芯片微控制器的 wayof 设计这样一个具有成本效益的方式控制器。这种设计是实施淘汰弥补了模糊化过程修改并于 Guptaet 人提出的假设。 （1997 年）
9、 。这导致的瞬态和闭环稳态系统的改进性能。实验结果也比从 MATLAB 仿真结果/捷联惯组链接获得。2、 永磁直流电动机和 C 类菜刀透过 C 类菜刀 PMDCM 美联储可以描述为状态空间形式的连续时间如下：其中 Ra 为电枢电阻（欧姆） ，香格里拉是电枢电感（亨利） ，Ka 是反电动势和转矩常数（第 V /弧度/ s 或牛顿米/甲） ，J 是惯性（ kgm2）总的时刻，BV 是粘性摩擦常数（牛米/弧度/秒） 。弗吉尼亚州（t）代表用于电枢由斩波 C 类图定类型的电压，如图 1 所示。电枢电压的平均值为一吨的功能，一段砍和直流输入电压，如图 2 所示的水平。在模拟控制系统，重复锯齿波进行比较与
10、控制电压来产生 PWM 栅极信号中采用的 MOSFET 的菜刀。占空比等于控制电压之间（欧共体）的锯齿峰比值。控制电压信号放大是普遍获得的实际输出电压和其预期价值的差额。简单的控制，就可以进行使用模拟集成电路，如运算放大器电路而复杂的控制任务，通常涉及使用的数字 IC，微控制器或 DSP，以支持高性能，重复 numeri -和 Cally密集型任务。建立一个闭环控制系统，实际输出电压可感觉到的一个测速发电机，产生输出电压成正比的电枢旋转。 FLC 的开发与应用已制定的电气传动（增值服务，1998 年，1999 年）近年来，更多的关注。图 1.直流电动机及 C 类菜刀图 2. 电压波形斩波型 C
11、 级3、模糊控制器传统的控制器控制理论来源于对过程的数学模型为基础的技术。它们的特点与设计程序，通常有简单的结构。他们产生令人满意的结果，被广泛用于工业。然而，在许多情况下，例如，当参数发生变化时，或干扰存在，或有没有简单的数学模型，基于模糊逻辑控制系统性能优越的显示采用传统的控制算法获得的人数。模糊控制是基于 fuzzylogic 为基础的方法。 LAZadeh 的开创性工作于 1965年，他在 1973 年开创性论文介绍了基于模糊算法，通过制定合理的规则控制算法的思想。在本文中提出的意见的基础上，于 1981 年制定的 Mamdani 模糊控制模型的第一。这就导致了模糊控制的工业应用。模糊
12、控制可以说是 simplyas“的句子，而不是控制方程 ”（一月 Jantsen1998） 。它提供了一种算法来转换语言控制策略，基于专家知识成为自动控制策略。模糊控制器的一个重要组成部分，是一组规则的语言是所谓的规则基础。1、如果错误是否定和误差变化为负值，则输出为负大。2、如果错误是否定和误差变化为零，则输出为负介质。模糊规则，如果是在熟悉的，然后格式化和“如果方” 是前提和所谓的“再端”称为随之。的身世和这些 if - then 规则的 consequents 都与（语言条件）模糊的概念，他们通常被称为模糊条件语句。一个模糊控制规则的模糊条件语句是在其中一个前提条件，是随之而来的是一个控
13、制动作。应执行的模糊控制器的控制规则和计算出被测信号的输入或条件而定。没有如根轨迹设计，极点配置设计，频率响应设计，或稳定的设计，因为这些规则往往是非线性和接近真实世界的模糊控制设计过程。非 linearityis 处理byrules，会员舰功能和推理过程。模糊逻辑模型描述的非线性控制器的开发和实时的 PMDCM 转速反馈控制测试。速度反馈和模糊控制算法框图给出了图。 3。该测速发电机转子转速的实际措施提供输入到片上 A / D 转换器。在每个 k 个开关周期开始时，参考转速 wref 是与实际转速 wact。该误差（E（k） ）及更改错误（CE 认证（金） ）的转速值的模糊控制算法的输入，其
14、定义为这些微控制器计算后片上 A / D 转换输入的权利。模糊控制算法分为三个模块：（1）模糊化， （2）决策或推理， （3）模糊化。图 3 驱动电路框图在模糊化模块，错误和错误的信号变化是由单身人士及他们的模糊数值转换成七个评价语言变量或子集：铅（正大） ，下午（正面中） ，聚苯乙烯（正小） ，泽（零） ，是 NB（负大） ，新墨西哥州（负介质）和 NS（负小） 。模糊化模块的计算出每一个对错误和实际值误差变化给语言变量的隶属度。这些三角形图中给出。第 4A 用于对会员职能的顺利运作。模糊变量的计算值用在他的决策过程。决策是推断，从控制规则和语言变量 defidefini -系统蒸发散安泰。
15、有七集的错误和七套的误差变化，因此，共 49所规则服用整个控制表面，在紧凑的形式列于表 1 的地方。此规则表可以反映人类专家经验。对于每个错误和误差的变化，有两个重叠的成员，因此，所有的语言变量，但有两个埃布尔斯为零的成员。每两个重叠的误差和误差变化的会员资格将创建四个推论这四种推断结果 results.The 最多将有两部分，即组合中，权重因子无线和占空比的彝族变化程度。最小的 Mamdani 模糊蕴涵规则用于获取权重因子。这使每一个关系（李，1990）的隶属度。每个规则的推论输出的用户界面图 4 （a）成员函数的误差和误差变化 （b）扩大对错误的隶属函数在 x 的点在这里，彝族代表第 i
16、个成员定义输出变量函数质心规则，并且可以在一个查找注册的联合体，这是该应用程序的 dutycycle 输出变化快速acquisition.Membership 功能表中，如图 5 所示。 根据输入，输出变量和规则表，分别在图中，隶属函数。第 4A，5 和表1，控制面代表性- tion 如图 6 所示。 在去模糊化模块，输出清晰的价值被执行。虽然去模糊化过程有许多方法，采用加权平均法，因为这种应用这种方法操作很简单，计算发生在微控制器的计算过程更短的时间（巴特 Kosko，1991;罗斯，1995 ） 。去模糊化模块的输出可以表示为推断的输出结果，并从四个因素衡量每个规则中使用上述取得对占空比的
17、变化脆值的公式。很显然，这种计算是刚果解放阵线最耗时的一部份，而计算复杂度。微控制器输出的 PWM 占空比，定义为这脆值是模糊控制器的第 k 个采样期间的实际产量，并从以前的控制 D 类（k - 1 个） ，由氢同位素组成（金）得到更新值。在驱动器的操作范围广泛的变化的情况下，FLC 的反应将是非线性的。这意味着他们在步骤 changes.The 应赔偿之间的主要经典的 PI 控制器和模糊 PI 控制器可以与他们的利益在那里有可变增益模糊类型定义的区别要么喜欢启动或小负误差很大的正面的错误。4、仿真结果计算机模拟中的一个电力电子技术和闭环了 CON -控制器设计（皮雷和席尔瓦，2002 年）评
18、价的重要作用。图。 7 显示框图 MATLAB / Simulink 的方案，以用于模拟闭环系统，是在通过 C 级直升机图主办，喂了 PMDCM 执行。 3，有下列参数：Ra 为 0.271，La= 0.41mH，J= 0.00074 kgm2，BV = 0.0013Nm/rad/s，Ka= 0.0527V/rad/s 。仿真是在时域及 A / D 转换器的采样周期为 T = 1ms 的表现，直流输入电压V = 24，参考速度 wref = 1.885 弧度/秒负载转矩热释光被定义为一个具有线性转子速度水利工作点光（TL = 0.26Nm，Wr= 1.885 弧度/ 秒）的功能。东九龙一在图给
19、出的框图 7 是测速发电机，Wref1 和 Wref，这是阶梯函数，改变错误的变化第一次采样签署增益。该信号发生器块用品 2 千赫锯齿波形有一个数量级，因此，控制信号产生的刚果解放阵线将等于门占空比信号适用于电源开关。在模拟过程时，误差变化的计算上，对 A / D 转换器的输出噪声已经出现变化，因为错误的 1ms 的时间是一个非常小的值，所以我们有一个最低有效位的数量问题。为了消除这种额外的增益模块之前的 A / D 转换器引入的效果。因此，有必要分开经 A / D 转换器的输出，这就是为什么东及 KCE 在配置上。图 8 显示了在时间变化中的实际转速和电枢电流，当负载转矩是由 0.17Nm总
20、额增加为 0.4 秒实际转子速度偏离参考速度，回来后的参考瞬态阻尼出来。电枢电流的增加是因应增加的负载转矩。5、硬件和软件设计对于提出的模糊逻辑算法的硬件安装程序汇编语言编程实现，采用 8 位RISC（精简指令集计算）的核心微控制器 AT90S8535 单片机。作者：刚果解放阵线与绝缘栅双极晶体管（IGBT）的 C 类斩波驱动电路的一个示意图如图 9所示。单片机的 8K 字节可编程闪存，512 字节内部的随机存取记忆体， 8 通道10 位 ADC，10 位 PWM 输出，16 种不同的中断源，一个模拟比较器， 32 个可编程 I / O 线，一个双向串行接口和有能力执行在一个时钟周期汇编指令。
21、处理速度是一百万兆赫兹晶体（爱特梅尔公司）的说明。对错误和误差变化的话语宇宙是从-1024 到+1024 延伸和各隶属函数（0-1）的成绩也从零扩展到 1024。为了分为七个模糊集的模糊控制器的输入，电子（金）和 CE（金） ，并确定其成员，10 位数学例程使用。因此，处理芯片上的 10 位 A / D 转换器采样值和设立片上 10 位的半导体开关的 PWM 输出directlyachieved。因此，总的系统分辨率扩展到 1 / 1024，而不是 1 / 256 和获得更好的性能。对称与 50重叠的 E（k）和行政长官三角形隶属函数（ K）的简化计算，其消极的一面是一个积极的反映。语言的模糊
22、子集规则表见表 1 更改为整数，以适应汇编编程。一个简单而有效的算法，rithm 是专为转换后的语言规则适当的数值。这是实现了与下列公式计算误差值.论现行文件和文件最重要的区别引用参考文献中，是快速发展的方法计算。对于错误的隶属函数其中，e 是误差值，形式：Xmin =- 1024 是控制变量的最低值，如图所示。 4A条，S 是节号，从 0 开始的七个错误会员代表模糊子集和 Tg 每个三角形隶属函数的宽度为 6，这里是 256。例如，让我们 wref = 1000 rpm 和 wact = 650 转。根据式的错误计算。 （2）是 E（金）= 350 转图所示在一个点 x，4b 和来自情商（
23、8） ，的计算方法。此值应分为第五模糊集。众所周知，这是每封（金）属于最多两个模糊集。因此，上述错误值有两个重叠的模糊集，第五和第六的是得胜，能以语言 PS 和下午，如图 4B 所示。 s 的分数部分总是属于会员功能，具有正斜率。因此，在这个例子中，在图 4b 所示的 B 点的隶属度是 pm（e）= 0.36719。在会员等级的两个对称的总结和 50的重叠三角模糊集总是等于 1.0pm(e)+ps(e)=1.0.因此，在点 A 级会员是ps(e)=1.0-0.36719=0.63281.在第 k 次采样时间，误差隶属函数的变化，也使用相同的计算公式（8） 。模糊变量的计算值用于决策过程。对已落
24、实的汇编程序流程图如图 10 所示。对申请输出工作周期上的隶属函数 PMDCM 车道，提出在图。 5.A 表是创建清晰化的过程，作为查找包含这些隶属函数的输出值的平均值表中存储，用于按照加权平均法解模糊化。模糊化的加权平均法计算，在拥有的 RISC 核心microcontrol，联系汇率制度的有限的内存结构的情况下的其他方法的优势。为占空比的变化脆值计算公式（6） ，根据均衡（7）和图 5 所示 FLC 的输出变化。计算占空比的变化来确定应用程序的新的占空比，计算出的值是用来更新，如图所示中断例程的 PWM 输出。 10 日每隔1ms（毫秒） 。测试结果显示，上述模糊中断程序实现持续 450
25、毫秒（微秒）的4MHz 时钟频率的处理时间。在这个实现中，一个 D / A 转换器，这可能是输出变量需要的是通过消除直接控制芯片上的 PWM 发生器，半导体，导体开关的开关时间。当电机从静止状态开始，误差和误差变化是积极的，估计是在转子的速度，因为他们在第一次采样停顿初始值视为零。这种变化从静止的转子速度误差稳态趋势为负，因此，从积极的改变在第一次采样估计误差变化迹象负降低了转子的速度稳定时间。6、结果另一相同机是通过他们的耦合轴电机和发电机作为装载操作。两种不同的加载条件应用于电机。在第一个加载的条件下，发电机端被关闭到 2 负载电阻，转子转速和电枢电流的变化，及时在此工况的记录。这些结果载
26、于图。第11A（上追踪：1V/div，下追踪：0.2V/div 和 100mV / a.时间基数：200ms/div。 ） 。在第二个加载条件下，2 电阻被连接到发电机转子终端，而在参考速度运行。瞬变的阻尼后出，电阻被中断。在苜蓿，实际转速与发电机的输出电流系统蒸发散在这种情况下，记录，并在图给出。 11B 条（上追踪：1V/div，下跟踪：0.2V/div 和 100mV /年，时基： 500ms/div） 。它可观察到的波形，模糊逻辑控制器响应负载的正确步骤上的变化和带来的实际转速回参考速度。7、结论模糊逻辑控制器实现无模，化了的方法通过使用一个 PMDCM 速度控制通用的低成本微控制器。
27、所有的任务是由一个单一的降低了系统和程序代码优化了芯片的成本是制订了有效的算法实现。在我们的方法，该软件为基础的决策表，只用了一个简单的刚果解放阵线在线控制所需的计算，因此，更高的采样率时更容易实现与其他类型的控制方案比较。所开发的模糊逻辑控制器，在MATLAB / Simulink 模拟软体。仿真和实验结果进行比较，以显示在加载条件下的刚果解放阵线的反应。可以发现，实验结果非常接近的仿真结果。的兴起和稳定时间是合理的体积更小，也没有对实验结果的很大的过冲。饱和的影响并不包括在电机和发电机模型，因此，仿真结果从一个很小的比例，实验结果偏离装载过程中的瞬态。实验表明，实施模糊控制器具有超过一范围
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