CN105048918A - 一种无刷直流电机自适应模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，基于本发明设计方法所优化得到的直接转矩自适应模糊控制器能够不同的运行状况自适应确定对应电压空间矢量的作用时间，可自适应地调整电机的转矩，可改善无刷直流电机调速系统的动态性能，同时能够在一定程度上抑制无刷直流电机的转矩脉动现象。另外由于利用本发明多目标克隆选择算法来自动确定直接转矩模糊控制器的结构和参数，具有较强的通用性。

Description

一种无刷直流电机自适应模糊控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机自适应模糊控制器的设计方法，尤其是涉及一种无刷直流电机自适应模糊控制方法。

背景技术

与传统直流电机相比，无刷直流电机采用电子换向器取代了机械换向器，是一种有着美好发展前途和广泛应用前景的新型电机。无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、运行效率高和调速性能好等优良特性，目前在各种伺服系统、机械制造、机器人、电动汽车、航空航天等众多领域得到了广泛应用。但在实际应用中，存在着电机的转矩脉动问题，限制了其在高精度、高性能场合的应用。

直接转矩控制技术是一种高性能的交流调速技术，其最初是作为异步电动机的一种变频调速方案，它是在矢量控制的基础上直接在定子坐标系下分析和计算电机的数学模型，并通过直接控制电机的转矩和磁链来实现速度的调节，这是根据转子的位置来选择不同的逆变器开关状态来实现转矩控制。直接转矩控制技术采用电机的转矩和磁链的双闭环结构，目的是为了获得良好的调速性能。直接转矩控制技术在异步电动机和永磁同步电机都取得了较好的效果，近年来直接转矩控制技术开始广泛和成功地应用于无刷直流电机，并且开始进入实用阶段。

模糊控制技术和方法不需要建立控制对象的精确数学模型，在实际中获得了大量成功的应用。模糊控制器的设计包括确定模糊控制器的结构和参数，其中包括模糊隶属度函数的形状和参数，还包括模糊规则的类型和参数。但是由于模糊控制器中的模糊规则主要是基于该领域专家的经验知识进行提取，存在较大的主观性；二是模糊变量对应的隶属度函数包含很多参数，这对应于一个空间维数较高、搜索范围较大的优化问题。

发明人在实现本发明时发现已有的控制技术存在一些不足之处：现有的无刷直流电机的模糊控制器的设计方法，在确定模糊控制器的结构和参数时往往依赖于专家的经验和知识，并且需要进行反复试验来试凑；另外在将直接转矩控制技术应用于无刷直流电机调速系统时，传统的磁链和转矩滞环调节器存在着转矩脉动大、系统动态响应速度慢的缺点。另一方面，现有的电机转子位置传感器增大了电机的体积和成本，也容易受到外部电磁信号的干扰，因而降低了运行的可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对无刷直流电机的调速系统，将直接转矩控制技术和模糊控制技术相结合，提供一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制器的设计方法。它采用自适应模糊控制器替代了原先的转矩和磁链滞环调节器，并主要利用多目标优化算法来优化其中模糊控制器的结构和参数。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，其包括以下步骤：

步骤1、基于多目标克隆选择算法优化确定无刷直流电机模糊控制器的结构和参数，得到无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制器，其用于控制电压空间矢量及其作用时间；

步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测得到无刷直流电机的三相相电流和三相端电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相相电压值转换为相电压和相电流在两相静止αβ坐标系上的分量，建立对应的αβ坐标系；

步骤3、通过磁链计算单元利用步骤2中确立的αβ坐标系相电压和相电流对应的分量分别计算出无刷直流电机的定子磁链以及转子的实际位置；

步骤4、通过转速传感器（采用增量式光电编码器）得出无刷直流电机的实际转速；

步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算得到的定子磁链和实际转速计算无刷直流电机的实际转矩；

步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用传统的PI控制器（PI控制器为PID控制器的简化版本，运算速度快）计算得出无刷直流电机的给定转矩；

步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的差值计算出转矩偏差；

步骤8、通过步骤3中计算出无刷直流电机的定子磁链和无刷直流电机给定磁链可以计算出对应的磁链偏差；

步骤9、通过步骤3中所确定的电机当前转子位置所在扇区信号、步骤7中得到的转矩偏差信号和步骤8中得到的磁链偏差信号，输入到步骤1得到的直接转矩自适应模糊控制器，确定对应电压空间矢量的占空比（单位采样周期内的作用时间）；

步骤10、通过步骤9中确定的电压空间矢量及其占空比作为逆变器控制单元的输入，确定相应开关管的关断状态及其作用时间，进而可驱动所述无刷直流电机运行。

所述的步骤2中的坐标转换模块为Clarke变换模块。

本发明的有益效果是：基于本发明设计方法所优化得到的直接转矩自适应模糊控制器能够不同的运行状况自适应确定对应电压空间矢量的作用时间，可自适应地调整电机的转矩，可改善无刷直流电机调速系统的动态性能，同时能够在一定程度上抑制无刷直流电机的转矩脉动现象。另外由于利用本发明多目标克隆选择算法来自动确定直接转矩模糊控制器的结构和参数，具有较强的通用性。另一方面本发明没有安装位置传感器(Hall传感器)，因而简化了系统结构，减少了系统的成本，也提高了电机运行的可靠性。

附图说明

图1、本发明实施例的一种基于多目标优化的自适应模糊控制器设计方法的流程图。

图2、本发明实施例的一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法的流程图。

图3、本发明实施例的一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制装置的结构框图。

图4、本发明实施例的一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制装置的结构示意图。

图5、本发明实施例的一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制装置的控制结构图。

图6、本发明实施例的中断控制子程序流程图。

图7、无刷直流电机的电压矢量和扇区分布示意图。

具体实施方式

如图中所示，具体实施方式如下：

一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，包括以下步骤：

步骤1、无刷直流电机的自适应模糊控制器用于替代传统的滞环调节器，通过多目标优化算法确定对应的自适应模糊控制器的最优参数；

步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测并计算无刷直流电机的三相相电流和三相端电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相端电压值转换为两相静止αβ坐标系上的分量，建立对应的αβ坐标系；

步骤3、利用步骤2中确立的αβ坐标系中的相电压和相电流对应的分量，通过磁链计算单元计算出无刷直流电机的定子磁链，并通过反电动势法来确定转子实际位置（所在扇区）；

步骤4、通过转速传感器（采用增量式光电编码器）得出无刷直流电机的实际转速；

步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算的定子磁链和实际转速计算无刷直流电机的实际转矩；

步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用PI控制器计算得出无刷直流电机的给定转矩；

步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的差值计算出转矩偏差；

步骤8、通过步骤3中计算出无刷直流电机的定子磁链和无刷直流电机给定磁链的幅值可以计算出对应的磁链偏差；

步骤9、通过步骤3中确定的电机当前转子位置所在扇区信号、步骤7中得到的转矩偏差和步骤8中得到的磁链偏差，作为步骤1得到的直接转矩自适应模糊控制器的输入信号，输出为对应电压空间矢量的占空比（单位采样周期内的作用时间），进而可确定无刷直流电机对应逆变器的六个开关管的对应状态；

步骤10、通过步骤9中确定的逆变器六个开关管的对应状态作为逆变器控制单元的输入，进而可驱动所述无刷直流电机运行。

所述的步骤2中的坐标转换模块为或Clarke变换模块。

本发明中步骤1中确定自适应模糊控制器参数的步骤如下：

1）根据无刷直流电机自适应模糊控制器的功能，确定模糊控制器的输入变量和输出变量的数目。这里将系统转速偏差和磁链偏差作为两个模糊输入变量，将转子所处扇区信号作为精确输入信号，而将电压空间矢量及其占空比（单位采样周期内的作用时间）作为模糊输出变量。

2）确定所述模糊控制器中所有模糊变量的对应的隶属度函数类型和数目，这里两个模糊输入变量均采用3个模糊语言术语“N（负）、Z（零）、P（正）”，对应3个隶属度函数，

每个模糊输入变量对应的三个隶属度函数对应的参数可仅用一个参数x _i 来进行表示，Xmax和Xmin则分别该输入变量的变化范围。

模糊输出变量为每个电压空间矢量的占空比，可同样采用3个模糊语言术语“S（小）、M（中）、B（大）”，对应3个隶属度函数，具体的形状类似于上述的模糊输入变量，区别在于占空比的取值范围为[0,1]，如下所示：

所述的模糊控制规则表如表1所示。

表1模糊控制规则表

该模糊控制规则表的两个模糊输入信号为系统转速偏差和磁链偏差，同时根据转子位置扇区分布可确定模糊输出信号，即对应电压空间矢量的占空比（单位采样周期内的作用时间），其中R _i 表示第i条规则所对应的模糊输出（对应于3个模糊语言术语“S、M、B”），括弧中的为所对应的电压空间矢量号。表1中无刷直流电机的转子位置扇区分布如图7中的分布示意图所示。

根据步骤2），可确定所述模糊控制器中所包含的模糊规则的数目为42条。

确定待优化的多个优化目标。根据实际应用中的调速系统的额定负载，将系统的基于额定负载的阶跃响应性能中的超调量、上升时间和调节时间作为待优化的优化目标。

确定模糊控制器多目标优化方法中的个体编码形式。将模糊控制器中的所有模糊变量对应的隶属度函数参数以及模糊控制规则的参数进行实数编码，并作为优化方法中的个体。

对于所述的两输入-单输出的模糊控制器而言，其所包含参数总共有42+3个：其中模糊规则表包含42个参数，而3个模糊变量所对应的隶属度函数参数数目为3个。因而优化算法中每个个体可用一个长度为45的实数编码串进行表示。

针对每个个体所对应的模糊控制器参数，计算电机调速系统的多个优化目标，并基于Pareto占优概念对个体进行评价和比较。

选择当前种群中的部分优良个体，实施克隆和变异操作，产生一定数目并发生变异的新个体。

计算新产生个体的超调量、上升时间和调节时间，并再次利用Pareto占优概念对新个体进行比较和选择，确定新一代的种群。

算法终结条件判断，若满足则结束算法的迭代优化过程，否则转到步骤6）继续进行算法的优化过程。

当多目标优化算法结束后，可得到并输出最优的模糊控制器的参数。

本发明实施例的无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法如图2所示，包括如下步骤：

通过电机的预定位方法，得到初始时电机转子相对于三相定子的位置，同时能够确定初始时定子磁链的初始值，如下式所示。

式中表示转子永磁体的磁链幅值，是一个恒定值。和则分别表示定子磁链和转子磁链在两相静止坐标系上的分量。

通过三相端电压和二相相电流可得到估算的电机转矩和磁链，其中定子磁链表示为幅值和相位角的极坐标形式。

通过定子相电压和相电流检测电路，可测得电机定子的三相端电压u _a ,u _b ,u _c 和两相相电流i _a ,i _b 的值，其中第三相的相电流可以通过另外两相得到，它们满足下面公式

假定为三相逆变器的直流侧电压。通过确定三相端电压等于的时刻，可以确定定子三相反电动势的过零时刻，进而可确定转子的实际位置。该功能是通过程序进行实现，如果检测得到的三相端电压与的差值小于某个阈值，则视为两者相等，该时刻即视为该相反电动势的过零时刻。进一步，确定转子的实际位置对应扇区信息的原理如下。

假定电机的三相定子绕组的通电相序为：。如果按照上述的预定位的方法使得转子永磁铁的初始位置滞后于A相绕组角度，则在一个通电周期内会依次检测到6次三相端电压等于的时刻，分别表示为,其中表示三相端电压在该周期内首次等于的时刻，而则三相端电压在该周期内第二次等于的时刻。则转子位置所处扇区的划分方法如下所示：

同时通过所述的三相相电压和三相相电流，通过坐标变换可得到它们在两相静止坐标系上的分量,和,。

定子磁链计算公式如下

式中，表示定子磁链的幅值，R _s 为定子每一相的相电阻，而T _s 为系统的采样时间。即利用上一采样时刻的定子电压、电流以及磁链来计算当前时刻的定子磁链。

接下来可计算电机的实际转矩。首先利用已知的定子磁链得到转子磁链的计算公式：

式中L _s 为电机定子的自感系数。利用无刷直流电机的转子磁链、定子电流和测得的电机转速可得到电机转矩的计算公式：

其中电机的转速是通过转速传感器（采用增量式光电编码器），检测得出的电机实际转速。

由电机的给定转速和实际转速，可得到的速度偏差e和单位采样周期内速度偏差的变化率ec，然后利用常规的PI控制器可计算得出无刷直流电机的给定转矩。PI控制器的初始参数是通过工程上常用的试凑法进行确定。

通过上述确定的电机转子位置所在的扇区信号、电机给定转矩和实际转矩的偏差和电机给定磁链和实际磁链的偏差，作为优化得到的直接转矩自适应模糊控制器的输入信号，输出为对应电压空间矢量的占空比（单位采样周期内的作用时间），进而可确定无刷直流电机对应逆变器的六个开关管的对应状态；

其中表1所示的六个电压矢量以及转子位置的扇区的分布如图7所示。

根据所述逆变器开关管的状态来控制逆变器输出电压，进而可驱动所述无刷直流电机运行。

本发明实施例的一种无刷直流电机的自适应模糊控制装置的结构如图3所示。

采用图3所示的控制装置时，可将该装置细分为无刷直流电机的三相定子相电流和相电压检测电单元、转速检测单元、转矩计算单元、磁链计算单元、转子位置估算单元以及自适应模糊控制器单元、开关管状态选择单元和逆变器控制单元。

三相定子相电流和相电压检测电单元用于检测和计算无刷直流电机的三相相电流和相电压，具体包括相电流和相电压检测单元和坐标变换单元。通过检测电路得到的电机的定子三相相电流和相电压，并分别通过坐标变换模块最终得到相电压和相电流在两相静止坐标系上的分量。

转速检测单元是通过转速传感器（增量式光电编码器）来检测无刷直流电机的实际转速。

转矩计算单元利用所述的坐标系上电机定子电流、转子磁链以及测得的电机转速，来计算电机的电磁转矩。

转子位置估算单元是利用检测得到的三相端电压来估算转子的实际位置以及所处的扇区信息。

磁链计算单元同样利用所述的坐标系上电机定子的相电压、相电流以及相电阻来计算电机的实际定子磁链。

利用电机给定转速和实际转速的偏差信号作为PI控制器的输入，可得到电机的给定转矩。

利用给定转矩和实际转矩可得到转矩偏差信号，同时利用给定磁链和实际磁链幅值可得到磁链偏差信号。

根据转矩偏差信号、磁链偏差信号以及转子位置所在扇区三个信号，通过查表1所对应的逆变器开关管状态表可确定开关管的状态。

根据所述逆变器开关管的状态来作为逆变器控制单元的输入，进而可驱动所述无刷直流电机运行。

本发明实施例的一种无刷直流电机的自适应模糊控制装置的具体结构如图4所示。

首先将单相工频交流电源通过单相桥式整流电路和电容滤波电路，得到直流电压源，再通过电压型逆变器可将该直流电源进一步逆变为三相交流电源，对所述的无刷直流电机进行供电。具体的控制方法为：

检测无刷直流电机的定子三相端电压和两相相电流，可采用满足精度要求的电压表和电流表来进行测量，其中定子第三相的相电流可通过另外检测两相得到，因而只需得到其中任意两相即可。

通过采用增量式光电编码器作为电机的测速传感器，通过ARM芯片中的计数模块可得出无刷直流电机的实际转速。

对于检测到的相电压和相电流通过接口电路输入到ARM中，利用其中的坐标变换模块可得到坐标系下的相应分量，进一步可计算电机的磁链和转矩，同时还可以利用电机的相电压和实际转速来估算转子的实际位置以及所处的扇区信息。

根据电机的给定转速和实际转速得到的速度偏差e及速度偏差的变化率ec，并将其作为ARM中PI控制算法的输入，可得到控制系统的给定转矩。

计算所述的实际转矩和给定转矩的偏差，以及所述的实际磁链和给定磁链的偏差，并结合转子位置所在扇区信息，通过查表1所对应的逆变器开关管状态表可确定开关管的状态，并通过驱动电路作用于逆变器上，从而可驱动电机运行。

本发明实施例的一种基于多目标优化的无刷直流电机的自适应模糊控制装置的控制结构如图5所示，其中电机的相电压和相电流的坐标变换模块、转子位置估算模块、转矩计算模块、磁链计算模块、自适应模糊控制器模块以及逆变器的开关管状态选择模块，全都集成到所采用NXP公司的型号为NPC1768的ARM芯片中，并采用软件的方法来实现，其中通过定时中断来检测电机的相电压、相电流和转速信号，来实现系统的控制功能。本发明中控制中断子程序的流程图如图6所示。

保护现场操作包括暂存中断子程序中所用到的寄存器，保存其中的数据不被覆盖，并在控制程序运行完后重新恢复这些寄存器的内容，使得主程序中的相关数据和标志位不会出现冲突或丢失现象。

转子位置估算子程序是利用检测得到的三相端电压，并且结合预定位方法通过软件编程，来估算转子的实际位置以及其所处的扇区信息。

定子磁链的计算子程序是通过对检测得到的定子三相端电压和相电流，并利用电机本身的相电阻参数可计算得到电机的实际磁链。同时结合用户所给出的给定值后，可得到定子磁链实际值与给定值之间的偏差信号。

转矩计算子程序是在得到电机的磁链数值后，利用电机本身的电感参数、坐标系上的定子电流以及所测得的电机转速，可进一步计算得到电机的实际输出电磁转矩。同时根据外环速度PI控制器得到的给定转矩，可得到转矩偏差信号。

结合所述的定子磁链偏差信号、转矩偏差信号和转子位置所在扇区信号，通过查询表1所示的逆变器开关状态表可确定不同时刻的逆变器开关状态以及每个开关信号的作用时间，进一步驱动电机运行。

由以上实施例可以看出，本发明可基于多目标优化算法来自动确定最优的模糊控制器参数，克服了人为方法进行确定的不足；所设计的自适应模糊控制方法能够不同的运行状况自适应确定电机转矩的给定值，可改善无刷直流电机系统的动态和稳态性能，同时能够在一定程度上抑制无刷直流电机的转矩脉动现象。另一方面本发明通过检测电机的定子端电压的方法来确定转子位置，省去了电机位置传感器，因而简化了系统结构，减少了系统的成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员能够在不脱离本发明技术原理的前提下，可以适当做出一些改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、基于多目标克隆选择算法优化确定无刷直流电机模糊控制器的结构和参数，得到无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制器，其用于控制电压空间矢量及其作用时间；

步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测得到无刷直流电机的三相相电流和三相端电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相相电压值转换为相电压和相电流在两相静止αβ坐标系上的分量，建立对应的αβ坐标系；

步骤3、通过磁链计算单元利用步骤2中确立的αβ坐标系相电压和相电流对应的分量分别计算出无刷直流电机的定子磁链以及转子的实际位置，定子磁链计算公式如下：

式中，表示定子磁链的幅值，R_s为定子每一相的相电阻，而T_s为系统的采样时间；即利用上一采样时刻的定子电压、电流以及磁链来计算当前时刻的定子磁链；

步骤4、通过转速传感器得出无刷直流电机的实际转速；

步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算得到的定子磁链和实际转速计算无刷直流电机的实际转矩；实际转矩计算公式如下：首先根据步骤3中的定子磁链得到转子磁链，如下计算公式：

式中L _s 为电机定子的自感系数；利用无刷直流电机的转子磁链、定子电流和测得的电机转速可得到电机转矩的计算公式：

；

步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用传统的PI控制器计算得出无刷直流电机的给定转矩；

步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的差值计算出转矩偏差；

步骤8、通过步骤3中计算出无刷直流电机的定子磁链和无刷直流电机给定磁链可以计算出对应的磁链偏差；

步骤9、通过步骤3中所确定的电机当前转子位置所在扇区信号、步骤7中得到的转矩偏差信号和步骤8中得到的磁链偏差信号，输入到步骤1得到的直接转矩自适应模糊控制器，确定对应电压空间矢量的占空比；

步骤10、通过步骤9中确定的电压空间矢量及其占空比作为逆变器控制单元的输入，确定相应开关管的关断状态及其作用时间，进而可驱动所述无刷直流电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，其特征在于：所述的步骤2中的坐标转换模块为Clarke变换模块。

3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，其特征在于：所述的步骤4中的转速传感器采用增量式光电编码器。

4.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机自适应模糊控制方法，其特征在于：所述的步骤9中的占空比为单位采样周期内的作用时间。