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(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.國網(wǎng)安徽省宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 23400)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求,空調(diào)已經(jīng)成為居民家中的越來越普及的一種家用電器。近年來，空調(diào)從誕生發(fā)展到今天，從起初功能單一的制冷空調(diào)到現(xiàn)在的多功能智能洗衣機(jī)，從有氟空調(diào)到現(xiàn)在的無氟空調(diào)，可謂是發(fā)展迅速?，F(xiàn)在無刷直流電機(jī)因其體積小、可靠性高以及能夠無級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)成為空調(diào)壓縮機(jī)的首選。因此，研究無刷直流電機(jī)空調(diào)控制系統(tǒng)具有很深遠(yuǎn)的影響，另外還有很好的實(shí)用價(jià)值和相應(yīng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 自適應(yīng)模糊PID控制原理

傳統(tǒng)PID控制[2]是基于系統(tǒng)預(yù)測輸出原理的實(shí)現(xiàn)和實(shí)際輸出誤差來控制系統(tǒng)的，控制量是通過對(duì)誤差的積分、比例和微分來計(jì)算出控制量。其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的PID控制主要是線性控制與精確控制，但模糊控制的動(dòng)態(tài)性能好，但其控制輸入量僅有誤差和誤差率，或性能穩(wěn)定且不好。綜合兩者，即PID控制和模糊控制組合，結(jié)合模糊控制和PID[3]控制仍保留兩者的優(yōu)點(diǎn)，自適應(yīng)模糊PID控制成為我們的首選。

自適應(yīng)模糊PID結(jié)構(gòu)如圖1所示

離散PID控制算法為

式中，k為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間。

圖1 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

圖2 直流無刷電機(jī)的組成框圖

圖3 無刷直流電機(jī)的原理框圖

將無刷直流電機(jī)的誤差率及其誤差導(dǎo)入PID控制器[4]中，并將其送入模糊推理模塊，事先設(shè)置三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd，并依次導(dǎo)入PID調(diào)節(jié)器中，對(duì)加工獨(dú)享進(jìn)行處理后作用電機(jī)對(duì)象，得到相應(yīng)的結(jié)果，也就是電機(jī)轉(zhuǎn)速，于此同時(shí)將得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給輸入端，調(diào)節(jié)被控對(duì)象，已達(dá)到操作的穩(wěn)定性的目的。

2 空調(diào)無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理和數(shù)學(xué)模型

2.1 空調(diào)無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

空調(diào)的結(jié)構(gòu)包括[5]：壓縮機(jī)(即無刷直流電機(jī))、冷凝器、蒸發(fā)器、四通閥、單向發(fā)閥、薄壁組件六部分組成，其中壓縮機(jī)是整個(gè)空調(diào)的核心?？照{(diào)無刷直流電機(jī)一般有兩種：有位置無刷直流電機(jī)和無位置無刷直流電機(jī)。無論是傳統(tǒng)直流電機(jī)還是無刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用的是電子換相，無機(jī)械刷，噪音低，更適合空調(diào)等家用電器。另外，電機(jī)內(nèi)部還安裝了一個(gè)附加的霍爾傳感器，它不僅可以檢測轉(zhuǎn)子的位置，還可以測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。同時(shí)，定子成為繞組的安裝位置，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。

無刷直流電機(jī)的主要組件如圖2所示。

圖4 空調(diào)壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

圖5 空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速相應(yīng)曲線

圖6 PID控制下的轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 自適應(yīng)模糊PID控制下的轉(zhuǎn)矩曲線

2.2 直流無刷電機(jī)運(yùn)行原理

如圖3為無刷直流電機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)框圖

無刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化中一個(gè)典型的電機(jī)產(chǎn)品。三相對(duì)稱星形[5]連接方式是無刷直流電機(jī)的定子繞組一般采用與異步電機(jī)基本相似的連接方式，其工作原理也與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相同。位置傳感器霍爾傳感器安裝在無刷直流電機(jī)中，以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的極性。為了檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，也可以從霍爾傳感器獲得驅(qū)動(dòng)逆變器電路輸出的電流的順序。按照一定順序饋電的驅(qū)動(dòng)電樞繞組，在電機(jī)機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)著無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.3 空調(diào)壓縮機(jī)的無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

空調(diào)無刷直流電機(jī)[6]主要由四部分組成：轉(zhuǎn)子、定子、三相繞組和霍爾傳感器。

為了便于分析，一般作出如下假定：無刷直流電機(jī)的三相繞組完全對(duì)稱、氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度呈方波態(tài)、三相繞組定子電流和轉(zhuǎn)子磁場完全對(duì)稱分布;忽略磁滯、出槽效應(yīng)、轉(zhuǎn)子上的阻尼以及渦流的影響;磁路不飽和.

無刷直流電機(jī)在上述理想狀態(tài)下的的三相電壓平衡方程為:

式中，Ua、Ub、Uc是定子三相繞組電壓，ia、ib、ic是三相定子繞組電流；ea、eb、ec是定子三相繞組電動(dòng)勢(shì)；L表示每相繞組的自感；M是每兩相繞組之間的互感；P是微分算子。

3.系統(tǒng)仿真

圖4顯示了空調(diào)壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[7]的整體仿真模型。

在用于空調(diào)壓縮機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿的真建模中，所選參數(shù)為：直流電源供電48V，電機(jī)內(nèi)的極對(duì)數(shù)p=2，阻尼系數(shù)B=0.003Nms/rad，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.003kgm2，定子電感L=0.03H，定子繞組互感系數(shù)M=-0.035H，此外，PID控制器初始系數(shù)為kp=2，ki=0.02，kd=0，采樣周期T=0.0002s。通過仿真得到了無刷直流電機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流的仿真曲線。同時(shí)模擬自適應(yīng)模糊PID[8]控制和普通PID控制，每個(gè)仿真圖如圖5所示。

從圖5中能夠明顯的看出自適應(yīng)模糊PID控制的仿真系統(tǒng)在空調(diào)壓縮機(jī)開機(jī)開啟運(yùn)行時(shí)，自適應(yīng)模糊PID控制的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速值達(dá)到比正常PID控制更快的預(yù)定速度，期望電機(jī)達(dá)到預(yù)定速度。相對(duì)應(yīng)的普通PID控制的超調(diào)遠(yuǎn)大于自適應(yīng)模糊PID的超調(diào)[9]。

在5s時(shí)突加負(fù)載時(shí)，普通PID和自適應(yīng)模糊PID兩者的曲線相對(duì)比，能夠明顯的看出自適應(yīng)模糊PID的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跳變值比普通PID的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跳變值要小，魯棒性強(qiáng)[10]，且恢復(fù)到給定值的時(shí)間要短的多，響應(yīng)速度更快。

圖6是PID控制下的轉(zhuǎn)矩曲線，圖7是自適應(yīng)模糊PID控制下的轉(zhuǎn)矩曲線?？梢钥闯觯谄胀ǖ腜ID控制中，在0～3s的時(shí)間內(nèi)不穩(wěn)定，且伴隨有較大的轉(zhuǎn)矩跳躍。而在自適應(yīng)模糊PID控制的相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行控制，能夠明顯的看出曲線穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的達(dá)到所想要的穩(wěn)定值，而且在5s處突加負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)矩發(fā)生驟變時(shí)，相應(yīng)曲線相對(duì)平坦。

4 結(jié) 論

通過對(duì)自適應(yīng)模糊PID控制原理和空調(diào)無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理和數(shù)學(xué)模型的技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/simulink仿真軟件，搭建了空調(diào)壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)模糊PID控制策略能很好地滿足空調(diào)壓縮機(jī)的控制效果，達(dá)到了預(yù)期的效果。