CN104993746A

CN104993746A - 一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法

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Publication number: CN104993746A
Application number: CN201510423215.9A
Authority: CN
Inventors: 肖金凤; 肖杞铭; 肖启容; 盛义发
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明公开了一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法，包括：微控制器、串口通信电路、逻辑电路、驱动电路、检测电路、电源及电机；微控制器连接逻辑电路及检测电路；电源为微控制器、逻辑电路及驱动电路供电、检测电路还连接逻辑电路、驱动电路及电机；微控制器通过串口通信电路连接PC机。本发明中下位机将测量到的电机转速、电压、电流等信息以一定的数据格式通过串口发送到PC机的串口上。上位机接收到该数据后分别得到电机转速、电压、电流的数值。系统较好的实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，具有控制灵活、适应性强等优点，同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。

Description

一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法。

背景技术

现有技术中，通常采用继电器电路连接至电机的输入端，从而控制该电机是否启动。该电机的输出端连接至高压设备中的分合储能开关，从而控制该分合储能开关的闭合或关断，进而达到远程控制该分合储能开关的关断或闭合的目的。但是继电器电路存在以下缺点：1.由于继电器电路中元器件较多，线头较多，导致继电器电路接线复杂。人为接线装配不仅效率低，且易因误接线头而导致该继电器电路无法正常工作。2.由于继电器电路无保护电路，一旦电机堵转，可能会烧毁继电器。无刷直流电机(BLDCM)是一种多变量和非线性的控制系统，模糊控制器在其控制中得到广泛应用。但现有模糊控制器设计和参数在线调节方面的不足。文中提出了一种使用遗传算法优化的模糊控制器，并用于无刷直流电机的控制中。系统使用电流和转速双闭环控制。速度环采用模糊控制器进行控制，控制规则通过遗传算法进行离线优化，并在数字信号处理器(DSP)中实现控制参数的在线调节。系统较好的实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，具有控制灵活、适应性强等优点，同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法，可提高装配效率和可靠性。

本发明提供一种单片机电机控制系统，包括：微控制器、串口通信电路、逻辑电路、驱动电路、检测电路、电源及电机；所述微控制器连接所述逻辑电路及检测电路；所述电源为所述微控制器、逻辑电路及驱动电路供电、所述检测电路还连接所述逻辑电路、驱动电路及电机；所述微控制器通过所述串口通信电路连接PC机；

所述微控制器通过所述串口通信电路接收所述PC机下发的控制信号，生成电机驱动信号以控制所述电机的工作状态，并通过所述检测电路获取所述电机的电机转速、电压及电流信息；

所述驱动电路用于将所述驱动信号转换为电机开关信号。

进一步的，所述微控制器采用AVR系列单片机ATmega8。

进一步的，所述电源与所述微控制器、逻辑电路及驱动电路之间还设有电源电路；所述电源电路设有线性稳压芯片LM7805，在稳压芯片的的输入输出端分别并上两个电容，用于减小电压的文波；电源输入端串上保险丝。

本发明还提供一种无刷电机模糊控制器建立方法，步骤包括：

S1、确定控制器的输入和输出量：

模糊控制器的输入误差e及误差变化ec，在无刷直流电机的速度控制中分别为转速误差e和误差变化ec、并定义为

\{\begin{matrix} e (k) = n^{*} (k) - n (k) \\ e c (k) = e (k) - e (k - 1) \end{matrix}

其中e(k)由参考模型和实际测量的转速信号比较得到；ec(k)为连续两个采样周期e值之差；n*(k)为第k次采样周期参考模型响应；n(k)为第k次采样周期电机的转速响应；

S2、选择论域并确定有关参数：

对误差e及其变化ec的实际值分别用量化因子k_e和k_ec进行量化，映射到模糊集合论域；模糊决策的输出量用比例因子k_u从模糊论域映射到基本论域，最后作用于控制系统；模糊论域分为负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM和正大PB等7个语言变量值；其中k_e越大，响应曲线上升速度越快，系统的响应越迟钝；而k_e过大时，系统将会产生超调，从而产生振荡；k_ec越小，系统响应越灵敏，上升速率快，但严重时会使系统产生振荡；k_u相当于常规控制系统中的比例增益；

S3、确定模糊化和反模糊化：

采用三角函数作为模糊控制器变量的隶属度函数；

S4、归纳并得出模糊控制器的控制规则。

本发明的有益效果在于，本发明提供的一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法，下位机将测量到的电机转速、电压、电流等信息以一定的数据格式通过串口发送到PC机的串口上。上位机接收到该数据后分别得到电机转速、电压、电流的数值，将得到的电机转速值实时显示出来并绘制出曲线，实现界面对电机状态的监视功能。一种使用遗传算法优化的模糊控制器，并用于无刷直流电机的控制中。系统使用电流和转速双闭环控制。速度环采用模糊控制器进行控制，控制规则通过遗传算法进行离线优化，并在数字信号处理器中实现控制参数的在线调节。系统较好的实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，具有控制灵活、适应性强等优点，同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。

附图说明

图1所示为本发明一种单片机电机控制系统的模块图。

图2所示为本发明中电源电路图。

图3所示为本发明中串口通信电路图。

图4所示为本发明中成员函数图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明提供一种单片机电机控制系统，包括：微控制器1、串口通信电路6、逻辑电路3、驱动电路4、检测电路7、电源5及电机2；微控制器1连接逻辑电路3及检测电路7；电源5为微控制器1、逻辑电路3及驱动电路4供电，检测电路7还连接逻辑电路3、驱动电路4及电机2；微控制器1通过串口通信电路6连接PC机8；

微控制器1通过串口通信电路6接收PC机8下发的控制信号，生成电机驱动信号以控制电机2的工作状态，并通过检测电路7获取电机2的转速、电压及电流信息；

驱动电路4用于将驱动信号转换为电机开关信号。

进一步的，微控制器1采用AVR系列单片机ATmega8。

如图2所示，电源5与微控制器1、逻辑电路3及驱动电路4之间还设有电源电路；由于所选电机2的额定电压是24V所以系统采用了24V/3A的开关电源，而单片机和一些芯片的工作电压是5V所以必须进行降压处理。因为系统芯片的总功率不是很大，采用线性稳压芯片LM7805能够满足供电要求。由于电机2启动电流非常大，在电机2启动过程中，供电线路电压常会产生较大的波动。为了保证整个装置的各个模块在稳定电压下工作，所以在稳压芯片的的输入输出端分别并上两个电容，以减小电压的文波。考虑到电机或电路板出现短路故障为防止电源因短路电流过大而烧坏在系统电源输入端串上保险丝。

如图3所示，下位机ATmega8串行口仅占用了单片机的PD0和PD1，并作为接收端RXD和发送端TXD。因此在上位PC机与下位机单片机通信时，只需将接收信号(TX,RX)及地(GND)3根线相连即可。单片机的串行接口电平为TTL电平，这与电脑串行接口电平不一致，因此需要电平转换。系统中选用MAXIM公司的MAX232通用串行接收/发送驱动芯片，其外围电路简单，只需4个0.1uF的电容即可实现电平转换功能。

S1、确定控制器的输入和输出量：

\{\begin{matrix} e (k) = n^{*} (k) - n (k) \\ e c (k) = e (k) - e (k - 1) \end{matrix}

其中e(k)由参考模型和实际测量的转速信号比较得到；ec(k)为连续两个采样周期e值之差；n*(k)为第k次采样周期参考模型响应；n(k)为第k次采样周期电机的转速响应。

S2、选择论域并确定有关参数：

S3、确定模糊化和反模糊化：

为了保证电机的可靠运行，本发明采用三角函数作为模糊控制器变量的隶属度函数。如图4所示。

S4、归纳并得出模糊控制器的控制规则。并建立模糊决策表如表1所示：

表1：模糊决策表

基于遗传算法的模糊控制规则的优化：

由于控制对象的非线性，导致其模糊控制器的控制规则难以确定，即使在一定条件下获得了模糊控制规则，随着系统的变化，原来的模糊控制规则很可能已经不够理想了。理论分析和工程实践表明，采用遗传算法优化模糊控制器的控制规则，可以使控制规则得到很好地优化，进而提高控制器的控制效果。本发明采用遗传算法对模糊控制规则进行优化，并通过遗传算法在线调节控制器相关参数，获得了较好的稳定性和较高的控制精度。表2给出了在“细调”模式下经过GA优化后的模糊控制规则。经过遗传算法演化，得出此状态下的最优编码，对该编码解析，6条规则被淘汰，在表中用空白表示；类似地，方框框出的部分表示4条不好的控制规则经过遗传算法演化，被优化成较好的规则。

表2：GA优化后的模糊决策表

基于遗传算法的模糊控制器参数的在线调整：

对控制器参数的调整，以系统动态误差e为变量，对K_e、K_ec和K_u的在线调整，其自调整公式为

K_{e} = \{\begin{matrix} K_{e 0} + K_{1} \times e, & | e | \leq \frac{e_{m a x}}{2} \\ K_{e 0} + K_{1} \times \frac{e_{\max}}{2}, & | e | > \frac{e_{m a x}}{2} \end{matrix} - - - (1)

K_{e c} = \{\begin{matrix} K_{e c 0} + K_{1} \times e, & | e | \leq \frac{e_{m a x}}{2} \\ K_{e c 0} + K_{1} \times \frac{e_{m a x}}{2}, & | e | > \frac{e_{m a x}}{2} \end{matrix} - - - (2)

K_{u} = \{\begin{matrix} K_{u 0} + K_{1} \times e, & | e | \leq \frac{e_{m a x}}{2} \\ K_{u 0} + K_{1} \times \frac{e_{\max}}{2}, & | e | > \frac{e_{m a x}}{2} \end{matrix} - - - (3)

在通过遗传算法对参数进行优化的过程中，适应度函数的确定是以系统最大超调量M_p、调整时间t_x和稳态误差e_xx为基础，采用权重系数组合法进行构造，其适应度函数为

f＝A+B (4)

其中

式中M_p0、t_x0和e_xx0为系统相应指标的期望值。

本发明提供的一种无刷电机单片机控制系统及其模糊控制器建立方法，下位机将测量到的电机转速、电压、电流等信息以一定的数据格式通过串口发送到PC机的串口上。上位机接收到该数据后分别得到电机转速、电压、电流的数值，将得到的电机转速值实时显示出来并绘制出曲线，实现界面对电机状态的监视功能。一种使用遗传算法优化的模糊控制器，并用于无刷直流电机的控制中。系统使用电流和转速双闭环控制。速度环采用模糊控制器进行控制，控制规则通过遗传算法进行离线优化，并在数字信号处理器中实现控制参数的在线调节。系统较好的实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，具有控制灵活、适应性强等优点，同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims

1.一种单片机电机控制系统，其特征在于，包括：微控制器、串口通信电路、逻辑电路、驱动电路、检测电路、电源及电机；所述微控制器连接所述逻辑电路及检测电路；所述逻辑电路通过所述驱动电路连接所述电机；所述电源为所述微控制器、逻辑电路及驱动电路供电，所述检测电路还连接所述逻辑电路、驱动电路及电机；所述微控制器通过所述串口通信电路连接PC机；

所述驱动电路用于将所述驱动信号转换为电机开关信号。

2.如权利要求1所述的一种单片机电机控制系统，其特征在于，所述微控制器采用AVR系列单片机ATmega8。

3.如权利要求1所述的一种单片机电机控制系统，其特征在于，所述电源与所述微控制器、逻辑电路及驱动电路之间还设有电源电路；所述电源电路设有线性稳压芯片LM7805，在所述线性稳压芯片的输入输出端分别并上两个电容，用于减小电压的文波；电源输入端串上保险丝。

4.一种无刷电机模糊控制器建立方法，其特征在于，步骤包括：

S1、确定控制器的输入和输出量：

\{\begin{matrix} e (k) = n^{*} (k) - n (k) \\ e c (k) = e (k) - e (k - 1) \end{matrix}

S2、选择论域并确定有关参数：

对误差e及其变化ec的实际值分别用量化因子k_e和k_ec进行量化，映射到模糊集合论域；模糊决策的输出量用比例因子k_u从模糊论域映射到基本论域，最后作用于控制系统；模糊论域分为7个语言变量值：负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM和正大PB；其中k_e越大，响应曲线上升速度越快，系统的响应越迟钝；而k_e过大时，系统将会产生超调，从而产生振荡；k_ec越小，系统响应越灵敏，上升速率快，但严重时会使系统产生振荡；k_u相当于常规控制系统中的比例增益；

S3、确定模糊化和反模糊化：

采用三角函数作为模糊控制器变量的隶属度函数；

S4、归纳并得出模糊控制器的控制规则。