CN105897072A - 一种九相无刷直流电机、调速系统及分数阶转速控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分数阶转速控制器，包括用于调整比例参数的比例控制模块、用于调整积分参数的积分控制模块、用于调整微分参数的微分控制模块、用于使实际得到的积分阶次逼近给定积分阶次，并按照积分阶次对输入的转速偏差进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于使实际得到的微分阶次逼近给定微分阶次，并按照微分阶次对转速偏差进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块、用于对分数阶积分滤波器模块的输出信号进行微调的积分惯性模块、用于对分数阶微分滤波器模块的输出信号进行微调的微分惯性模块和加法器模块。本发明控制精度高，抗干扰能力强，超调量小。本发明还公开了一种水泵用九相无刷直流电机及其调速系统，包括上述分数阶转速控制器。

Description

一种九相无刷直流电机、调速系统及分数阶转速控制器

技术领域

本发明涉及电机转速控制技术领域，特别是涉及一种分数阶转速控制器，本发明还涉及一种水泵用九相无刷直流电机及其调速系统。

背景技术

随着生产技术的迅速发展，水泵用九相无刷直流电机越来越多地应用到生产生活中来，而如今由于工业生产需求的不断提升，人们对水泵用九相无刷直流电机转速控制的控制精度提出了更高的要求。

目前，水泵用九相无刷直流电机采用的是普通PI控制器来对转速进行控制，具有结构简单、易于实现等优点。但是，由于PI控制是一种线性控制，当外界条件发生变化时，PI控制的比例参数以及积分参数无法相应的发生改变，导致PI控制的控制精度差，抗干扰能力弱；同时，PI控制时产生的超调量大，影响转速控制系统的性能。

因此，如何解决PI控制中的控制精度差、抗干扰能力弱且超调量大的问题是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种分数阶转速控制器，控制精度高，且当外界条件发生变化时，能够通过调整积分阶次以及微分阶次来对转速偏差进行控制，抗干扰能力强，同时还能够减小转速控制时产生的超调量，控制效果好。本发明的另一目的是提供一种包括上述分数阶转速控制器的水泵用九相无刷直流电机及其调速系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分数阶转速控制器，包括用于调整比例参数的比例控制模块、用于调整积分参数的积分控制模块、用于调整微分参数的微分控制模块、用于使实际得到的积分阶次逼近给定积分阶次，并按照所述积分阶次对输入所述分数阶转速控制器的转速偏差进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于使实际得到的微分阶次逼近给定微分阶次，并按照所述微分阶次对所述转速偏差进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块、用于对所述分数阶积分滤波器模块的输出信号进行微调的积分惯性模块、用于对所述分数阶微分滤波器模块的输出信号进行微调的微分惯性模块以及加法器模块；

所述分数阶转速控制器的转速偏差输入端分别与所述比例控制模块的输入端、所述积分控制模块的输入端以及所述微分控制模块的输入端相连；

所述积分控制模块的输出端与所述分数阶积分滤波器模块的输入端相连；所述分数阶积分滤波器模块的输出端与所述积分惯性模块的输入端相连；

所述微分控制模块的输出端与所述分数阶微分滤波器模块的输入端相连，所述分数阶微分滤波器模块的输出端与所述微分惯性模块的输入端相连；

所述加法器模块的第一输入端与所述比例控制模块的输出端相连，所述加法器模块的第二输入端与所述积分惯性模块的输出端相连，所述加法器模块的第三输入端与所述微分惯性模块的输出端相连，所述加法器模块的输出端为所述分数阶转速控制器的输出端。

优选地，还包括：

用于对所述分数阶转速控制器进行整体微调的全局比例放大控制模块，所述全局比例放大控制模块的输入端与所述分数阶转速控制器的转速偏差输入端相连，所述全局比例放大控制模块的输出端分别与所述比例控制模块的输入端、所述积分控制模块的输入端以及所述微分控制模块的输入端相连。

优选地，所述全局比例放大控制模块为乘法器。

优选地，所述比例控制模块、所述积分控制模块以及所述微分控制模块为乘法器。

优选地，所述给定积分阶次的范围为-0.9～-1。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统，所述调速系统包括九相电机主体模块、三个参考电流模块、三个电流滞环控制模块、三个逆变器模块以及三个以上所述的分数阶转速控制器，其中，所述九相电机主体模块的各个输入端分别与三个所述逆变器模块的输出端对应相连。

优选地，所述九相电机主体模块包括核心本体模块、转矩测量模块以及转速测量模块，其中所述核心本体模块包括：

用于分别对应接收所述水泵用九相无刷直流电机的三套线圈绕组的三相线电压并将其转换为相电压的三个线-相电压转换模块、用于确定对应的所述线圈绕组之间的互感和自感的九个互感-自感模块以及用于根据所述线圈绕组的角频率和角位移生成感应电动势的电动势生成模块；其中：

每个所述线-相电压转换模块的三个输出端分别与三个所述互感-自感模块的输入端对应相连，其中，各个所述线-相电压转换模块分别与不同的三个所述互感-自感模块相连；每个所述互感-自感模块的输出端作为对应的电机绕组的对应相上的线电流输出端；

所述电动势生成模块包括转子旋转角速度输入端以及转子位置角输入端，所述电动势生成模块的输出端分别与三个所述线-相电压转换模块的电动势输入端相连。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种水泵用九相无刷直流电机，包括以上所述的调速系统。

本发明提供了一种分数阶转速控制器，与普通PID控制在整数阶的层面上仅通过比例参数、积分参数以及微分参数进行控制相比，本发明是在分数阶次的层面上对输出控制量进行调整，即本发明不仅能够通过改变比例参数、积分参数以及微分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的积分阶次以及微分阶次来调整控制精度，控制精度高，且当外界条件发生变化时，本发明能够通过调整积分阶次以及微分阶次来对转速偏差进行控制，抗干扰能力强，同时还能够减小转速控制时产生的超调量，控制效果好。本发明还提供了一种包括上述分数阶转速控制器的水泵用九相无刷直流电机及其调速系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种分数阶转速控制器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种分数阶转速控制器的仿真结构示意图；

图3为本发明提供的一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统的仿真结构示意图；

图4为本发明提供的一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统中的九相电机主体模块中的核心本体模块的仿真结构示意图；

其中，图2-图4中：

In1—转速偏差输入端、Gain—全局比例放大控制模块、Gain1—比例控制模块、Gain2—积分控制模块、Gain3—微分控制模块、Transfer Fcn—积分惯性模块、Transfer Fcn1—分数阶积分滤波器模块、Transfer Fcn2—微分惯性模块、Transfer Fcn3—分数阶微分滤波器模块、Add—加法器模块、Out1—输出端、speed-pi，speed-pi1，speed-pi2—分数阶转速控制器、Reference Current，ReferenceCurrent1，Reference Current2—参考电流模块、Current Controller，CurrentController1，Current Controller2—电流滞环控制模块、IGBT inverter，IGBTinverter1，IGBT inverter2—逆变器模块、dianjizhuti—九相电机主体模块、LV-PV1～LV-PV3—线-相电压转换模块、SI-MI1～SI-MI9—互感-自感模块、ua～uc—第一套线圈绕组的三相线电压输入端、ux～uz—第二套线圈绕组的三相线电压输入端、ul～un—第三套线圈绕组的三相线电压输入端、w—转子旋转角速度输入端、pos—转子位置角输入端、la～lc—第一套线圈绕组的三相线电流输出端、lx～lz—第二套线圈绕组的三相线电流输出端、ll～ln—第三套线圈绕组的三相线电流输出端、ea～ec—电动势生成模块生成的第一套线圈绕组的感应电动势、ex～ez—电动势生成模块生成的第二套线圈绕组的感应电动势、el～en—电动势生成模块生成的第三套线圈绕组的感应电动势、emf—电动势生成模块。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种分数阶转速控制器，控制精度高，且当外界条件发生变化时，能够通过调整积分阶次以及微分阶次来对转速偏差进行控制，抗干扰能力强，同时还能够减小转速控制时产生的超调量，控制效果好。本发明的另一核心是提供一种包括上述分数阶转速控制器的水泵用九相无刷直流电机及其调速系统。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种分数阶转速控制器，参见图1所示，图1为本发明提供的一种分数阶转速控制器的结构示意图；

该分数阶转速控制器包括用于调整比例参数的比例控制模块11、用于调整积分参数的积分控制模块12、用于调整微分参数的微分控制模块13、用于使实际得到的积分阶次逼近给定积分阶次，并按照积分阶次对输入分数阶转速控制器的转速偏差进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块14、用于使实际得到的微分阶次逼近给定微分阶次，并按照微分阶次对转速偏差进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块15、用于对分数阶积分滤波器模块14的输出信号进行微调的积分惯性模块17、用于对分数阶微分滤波器模块15的输出信号进行微调的微分惯性模块18以及加法器模块16；

分数阶转速控制器的转速偏差输入端分别与比例控制模块11的输入端、积分控制模块12的输入端以及微分控制模块13的输入端相连；

积分控制模块12的输出端与分数阶积分滤波器模块14的输入端相连，分数阶积分滤波器模块14的输出端与积分惯性模块17的输入端相连；

微分控制模块13的输出端与分数阶微分滤波器模块15的输入端相连，分数阶微分滤波器模块15的输出端与微分惯性模块18的输入端相连；

加法器模块16的第一输入端与比例控制模块11的输出端相连，加法器模块16的第二输入端与积分惯性模块17的输出端相连，加法器模块16的第三输入端与微分惯性模块18的输出端相连，加法器模块16的输出端为分数阶转速控制器的输出端。

其中，分数阶积分滤波器模块14以及分数阶微分滤波器模块15的滤波器阶次可以设置为7阶，当然，本发明对此不作限定，工作人员可根据实际情况设置以上两个模块的滤波器阶次。

需要注意的是，参见图2所示，图2为本发明提供的一种分数阶转速控制器的仿真结构示意图；积分惯性模块17与分数阶积分滤波器模块14集成于同一个模块内，该模块为积分滤波模块，微分惯性模块18与分数阶微分滤波器模块15集成于同一个模块内，该模块为微分滤波模块。

另外，通过实验可知，与普通PID控制相比，本发明提供的分数阶转速控制能够更早达到稳定状态且超调量更小。

作为优选地，该分数阶转速控制器还包括：

用于对分数阶转速控制器进行整体微调的全局比例放大控制模块，全局比例放大控制模块的输入端与分数阶转速控制器的转速偏差输入端相连，全局比例放大控制模块的的输出端分别与比例控制模块11的输入端、积分控制模块12的输入端以及微分控制模块13的输入端相连。

其中，这里的全局比例放大控制模块为乘法器。乘法器内设置的量化因子的数值可以为1，即此时不对分数阶转速控制器进行整体微调，若该种情况下，分数阶转速控制器的控制效果没有达到预期效果的话，则可以根据实际情况适当调整全局比例放大控制模块内的量化因子的数值，当然，本发明对该量化因子的数值大小不做具体限定。

可以理解的是，通过全局比例放大控制模块对分数阶转速控制器的输出进行整体微调，可以进一步提高分数阶转速控制器的控制精度，同时，在当受到外界影响时，可以通过适当调整全局比例放大控制模块内的量化因子来尽可能避免输出结果受到干扰。

进一步可知，这里的比例控制模块11、积分控制模块12以及微分控制模块13为乘法器。

可以理解的是，乘法器的作用是使控制量与乘法器内预设的量化因子相乘，从而达到调制分数阶转速控制器的输出控制量的目的。其中，比例控制模块11内预设的量化因子为比例参数，比例参数可以设置为0.14，积分控制模块12内预设的量化因子为积分参数，积分参数可以是设置为0.00185，微分控制模块13内预设的量化因子为微分参数，微分参数可以设置为0。当然，比例参数、积分参数以及微分参数的具体数值由实验计算得出，本发明对此不作限定。

其中，这里的给定积分阶次的范围为-0.9～-1。例如，可以设置给定积分阶次为-0.985，此时，分数阶积分滤波器会使实际得到的积分阶次逼近-0.985。

可以理解的是，通过实验可以得出给定积分阶次的有效范围为-0.66～-1.1，只有在该范围内才能保证分数阶转速控制器的正常控制；进一步的，为了保证该分数阶转速控制器的控制精度高，需要使给定积分阶次在-0.9～-1的范围内。其中，给定积分阶次可以根据实际情况选择上述范围内的任意数值，本发明对此不作限定。另外，工作人员可根据试验得出给定积分阶次的范围，本发明对此也不作限定。

另外，这里的给定微分阶次可以设置为0.985，给定微分阶次的大小取给定积分阶次的大小的绝对值。当然，工作人员可根据试验情况得到合适的给定微分阶次的范围，并从该范围内选定合适的给定微分阶次，本发明对此不作限定。

本发明提供了一种分数阶转速控制器，与普通PID控制在整数阶的层面上仅通过比例参数、积分参数以及微分参数进行控制相比，本发明是在分数阶次的层面上对输出控制量进行调整，即本发明不仅能够通过改变比例参数、积分参数以及微分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的积分阶次以及微分阶次来调整控制精度，控制精度高，且当外界条件发生变化时，本发明能够通过调整积分阶次以及微分阶次来对转速偏差进行控制，抗干扰能力强，同时还能够减小转速控制时产生的超调量，控制效果好。

本发明还提供了一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统，该调速系统包括九相电机主体模块、三个参考电流模块、三个电流滞环控制模块、三个逆变器模块以及三个上述分数阶转速控制器，其中，九相电机主体模块的各个输入端分别与三个逆变器模块的输出端对应相连。参见图3所示，图3为本发明提供的一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统的仿真结构示意图。

进一步可知，这里的九相电机主体模块包括核心本体模块、转矩测量模块以及转速测量模块，参见图4所示，图4为本发明提供的一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统中的九相电机主体模块中的核心本体模块的仿真结构示意图；其中，核心本体模块包括：

用于分别对应接收水泵用九相无刷直流电机的三套线圈绕组的三相线电压并将其转换为相电压的三个线-相电压转换模块、用于确定对应的线圈绕组之间的互感和自感的九个互感-自感模块以及用于根据线圈绕组的角频率和角位移生成感应电动势的电动势生成模块；其中：

每个线-相电压转换模块的三个输出端分别与三个互感-自感模块的输入端对应相连，其中，各个线-相电压转换模块分别与不同的三个互感-自感模块相连；每个互感-自感模块的输出端作为对应的电机绕组的对应相上的线电流输出端；

电动势生成模块包括转子旋转角速度输入端以及转子位置角输入端，电动势生成模块的输出端分别与三个线-相电压转换模块的电动势输入端相连。

本发明还提供了一种水泵用九相无刷直流电机，包括上述调速系统。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种分数阶转速控制器，其特征在于，包括用于调整比例参数的比例控制模块、用于调整积分参数的积分控制模块、用于调整微分参数的微分控制模块、用于使实际得到的积分阶次逼近给定积分阶次，并按照所述积分阶次对输入所述分数阶转速控制器的转速偏差进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于使实际得到的微分阶次逼近给定微分阶次，并按照所述微分阶次对所述转速偏差进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块、用于对所述分数阶积分滤波器模块的输出信号进行微调的积分惯性模块、用于对所述分数阶微分滤波器模块的输出信号进行微调的微分惯性模块以及加法器模块；

所述分数阶转速控制器的转速偏差输入端分别与所述比例控制模块的输入端、所述积分控制模块的输入端以及所述微分控制模块的输入端相连；

所述积分控制模块的输出端与所述分数阶积分滤波器模块的输入端相连；所述分数阶积分滤波器模块的输出端与所述积分惯性模块的输入端相连；

所述微分控制模块的输出端与所述分数阶微分滤波器模块的输入端相连，所述分数阶微分滤波器模块的输出端与所述微分惯性模块的输入端相连；

所述加法器模块的第一输入端与所述比例控制模块的输出端相连，所述加法器模块的第二输入端与所述积分惯性模块的输出端相连，所述加法器模块的第三输入端与所述微分惯性模块的输出端相连，所述加法器模块的输出端为所述分数阶转速控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的分数阶转速控制器，其特征在于，还包括：

用于对所述分数阶转速控制器进行整体微调的全局比例放大控制模块，所述全局比例放大控制模块的输入端与所述分数阶转速控制器的转速偏差输入端相连，所述全局比例放大控制模块的输出端分别与所述比例控制模块的输入端、所述积分控制模块的输入端以及所述微分控制模块的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的分数阶转速控制器，其特征在于，所述全局比例放大控制模块为乘法器。

4.根据权利要求3所述的分数阶转速控制器，其特征在于，所述比例控制模块、所述积分控制模块以及所述微分控制模块为乘法器。

5.根据权利要求1所述的分数阶转速控制器，其特征在于，所述给定积分阶次的范围为-0.9～-1。

6.一种水泵用九相无刷直流电机的调速系统，其特征在于，所述调速系统包括九相电机主体模块、三个参考电流模块、三个电流滞环控制模块、三个逆变器模块以及三个如权利要求1-5中任一项所述的分数阶转速控制器，其中，所述九相电机主体模块的各个输入端分别与三个所述逆变器模块的输出端对应相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述九相电机主体模块包括核心本体模块、转矩测量模块以及转速测量模块，其中所述核心本体模块包括：

用于分别对应接收所述水泵用九相无刷直流电机的三套线圈绕组的三相线电压并将其转换为相电压的三个线-相电压转换模块、用于确定对应的所述线圈绕组之间的互感和自感的九个互感-自感模块以及用于根据所述线圈绕组的角频率和角位移生成感应电动势的电动势生成模块；其中：

每个所述线-相电压转换模块的三个输出端分别与三个所述互感-自感模块的输入端对应相连，其中，各个所述线-相电压转换模块分别与不同的三个所述互感-自感模块相连；每个所述互感-自感模块的输出端作为对应的电机绕组的对应相上的线电流输出端；

所述电动势生成模块包括转子旋转角速度输入端以及转子位置角输入端，所述电动势生成模块的输出端分别与三个所述线-相电压转换模块的电动势输入端相连。

8.一种水泵用九相无刷直流电机，其特征在于，包括如权利要求6-7中任一项所述的调速系统。