CN107769660A

CN107769660A - 一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法

Info

Publication number: CN107769660A
Application number: CN201610707285.1A
Authority: CN
Inventors: 李成飞; 吴越嬴; 孙炜; 黄轶群
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-03-06

Abstract

本发明公布了一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，用于实现三相开关磁阻电机的精确控制。系统包括电源、开关磁阻电机、微处理器、PID模块、电流补偿模块、转速和角度估计模块。方法步骤为：由电源向开关磁阻电机控制系统供电，电流传感器实时检测开关磁阻电机的相电流，转矩传感器实时检测电机的输出转矩；在相同转矩水平下比较实时相电流与理论相电流的误差并使用模糊逻辑方法计算补偿电流大小，再反馈给系统完成闭环控制。与其它控制方式相比，本发明提高了开关磁阻电机的控制精度和高速运行时的系统稳定性，并且系统具有精度高，结构简单，计算速度快等特点。

Description

一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相开关磁阻电机系统及其无位置传感器转子控制方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。

技术背景

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)作为一种新型的调速系统，不但兼具交、直流调速的基本优点，而且具备独特的高速性能以及容错能力。这使得它在航空航天以及各种民用制造业的交、直流传动领域得到了广泛的关注，无疑具有很好的应用前景和市场价值。对于开关磁阻电机系统，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性能控制的前提。在目前实际应用中，一般采用轴位置传感器或其他探测式位置检测器来获取位置信息，这不仅增加了系统成本和复杂度，同时降低了整个系统运行的可靠性，尤其在一些高温、高速以及油污环境等苛刻运行条件下的应用，如航空高速起动/发电机、燃油泵电机、压缩机等，传统位置传感器的工作受到限制，从而大大限制了该型电机应用的范围，使得其耐高温、适合高速、强容错等固有性能不能得到充分体现。因此，如何取代位置传感器，克服采用位置传感器带来的不足，探索实用的无位置传感器技术具有十分重要的研究价值。

传统的应用于中高速的无位置传感器方法主要分为两种，一种为采用外部注入激励信号的硬件实现方法，该方法需要人为的外接低幅高频的模拟测试信号，从而产生需要的电流检测量，以得到开关磁阻电机的转子位置信息；另外，借助外部电流和电压传感器，结合智能控制算法，间接检测开关磁阻电机转子位置信息。在实际研究中，前者硬件设计复杂，系统可靠低；后者由于一些学者提出的算法过于复杂，不易在实际应用中实现。在实际中应用较为广泛的是基于电机的磁链或电感特性曲线的一类方法，此类方法根据磁链或电感与转子位置角的非线性关系，通过查表或非线性观测模型的方法获取转子位置信息，或者直接利用磁链或电感阀值的方法直接得到换相信号，从而取代位置传感器。虽然这类方法都是非常经典而有效的方法，但是它们都有一个共同的缺点，即它们都非常依赖于电机本体的相关电磁特性参数，并且对电机的电气对称性要求非常高，角度估计的误差源多。在采用这些方法之前，首先必须对电机进行电感，磁链等电磁特性的测量，而这些参数的测量本身就是很复杂而烦琐，并且精度有限；另外，即使是对同一型号的电机，在控制时软件参数都需要做相应的修改。这些问题必然导致算法的普适性差，直接影响到无位置技术的精确性。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服传统的基于磁链或电感的相关无位置算法误差源多，计算复杂、精确性差等问题，得到一种简单且易于实现的，精确性强的无位置传感器位置估计策略。

本发明提供的具体技术方案是：一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，包括如下步骤：

一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，它的组成包括：电源(1)，功率变换器(2)，三相开关磁阻电机(3)，电流传感器(4)，电压传感器(5)，转矩传感器(6)，PID控制模块(7)，电流补偿模块(8)，位置与速度估算模块(9)，微处理器(10)。其特征包括以下步骤：

步骤1：由电源(1)供电，微处理器(10)向功率变换器(2)的开关管施加占空比不同的脉冲宽度调制信号，控制开关管的开通与否，从而控制三相开关磁阻电机的(3)每相的开通和关断，进而在三相绕组上产生电流；

步骤2：电流传感器(4)采集三相开关磁阻电机绕组中的实时相电流，电压传感器(5)实时采集三相开关磁阻电机绕组的相电压，转矩传感器(6)实时采集三相开关磁阻电机的输出转矩，并反馈给微处理器(10)；

步骤3：微处理器(10)在相同转矩水平下比较相电流误差，并将此信号传输给电流补偿模块(8)；

步骤4：电流补偿模块(8)输出补偿电流信号给位置与速度估算模块(9)，位置与速度估算模块将计算的位置与速度信号传输给微处理器(10)；

步骤5：微处理器(10)应用所述转速信号与位置信号进行矢量变换，在PID模块(7)中进行积分比例运算后，向功率管加载的脉冲宽度调制信号的占空比，并向多个功率管施加脉冲宽度调制信号。

进一步的，步骤3中所述的转矩比较时电流参考值i_kest由实验测得。

进一步的，步骤4中所述的补偿电流由以下步骤求得：

步骤41：微处理器(10)将实时电流与参考电流差值信号e_k＝i_k-i_kest传输给模糊逻辑判断模块(11)。

步骤42：由模糊逻辑判断模块(11)判据计算补偿电流大小，实际电流i_kcomp经补偿后其数学公式为：

elsif：i_kcomp＝i_k

进一步的，步骤41所述的模糊逻辑判断模块(11)，其特征在于：

411.逻辑输入一为电流误差e_k，逻辑输入二为电流误差的微分逻辑输出为补偿电流

412.逻辑输入一、逻辑输入二、逻辑输出包含有五个逻辑变量NB，NS，Z，PS，PB

进一步的，步骤5所述的位置和转速估计模块(9)的输出信号由以下数学公式求得：

该新型三相开关磁阻电机控制系统相比于传统开关磁阻电机的控制系统具有以下优势：

1.该系统不依赖于电机位置与速度传感器来检测电机转子位置；

2.该系统采用的控制算法精度高，相比于基于外部电流或电压注入的无传感器控制算法结构简单，不需要添加额外的硬件，从而提高了系统可靠性；

3.该系统采用的是基于转矩的无传感器算法，相比于基于磁链或者电感的算法其参数获得较为简单，降低了对电机本体机电参数测试的要求；

4.该系统采用的模糊逻辑算法计算速度快，相对于传统无位置策略更具有专业领域适用性。

附图说明

图1为本发明的三相开关磁阻电机调速系统硬件结构框图；

图2为本发明的三相开关磁阻电机调速系统算法结构框图；

图3为补偿电流计算模块内部结构图；

图4为模糊逻辑模块输入输出图。

图中，1为电源，2为功率变换器，3为三相开关磁阻电机，4为电流传感器，5为电压传感器，6为转矩传感器，7为PID控制模块，8为电流补偿模块，9为位置与速度估算模块，10为微处理器，11为模糊逻辑判断模块。

具体实施方式

本发明利用转矩估计方法，通过模糊逻辑控制算法对相电流误差进行判断、对比、补偿，最后运用补偿后的精确相电流计算磁链，实现无传感器控制。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为开关磁阻电机调速系统硬件结构框图。开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机(SRM)、功率变换器、控制系统(DSP+CPLD)、位置传感器以及电压电流检测和保护电路等组成。其中微处理器是系统的核心，对检测信号进行采集、计算和处理，完成相关的控制算法，从而输出相应的控制信号。本发明中的无位置传感器技术的算法由微处理器来完成，无需添加额外硬件。相电流和相绕组电压由电压、电流传感器(LEM)来检测。

三相开关磁阻调速系统的电气和力学方程为：

总机械转矩方程为：

且其中：

图2为三相开关磁阻电机调速系统算法结构框图，控制系统通过PID模块向三相开关磁阻电机输入控制电流，同时由转矩传感器实时检测电机输出转矩，并由数学公式计算得到该转矩水平下电机转子位置与实时转速，并反馈给三相开关磁阻电机。将电机实际电流与通过实验测试获得的理论值进行比较，通过电流补偿模块计算得到补偿后电流，并由此查表得到实验测试时该电流水平下的理论转矩。最后，通过理论转矩由数学公式计算得到转速与转子位置，并反馈给PID模块形成一个完整的闭环控制。

通过转矩计算转速与位置的数学公式为：

图3为基于模糊逻辑算法的补偿电流输出系统框图。该模块将电流误差与电流误差的微分作为模糊逻辑模块的输入进行计算补偿电流的大小。模糊逻辑具体规则如图4所示。

其中定义每相电流误差为：

e_k＝i_k-i_kest (9)

逻辑判断判据为：

elsif：i_kcomp＝i_k (12)

且其中：

-β＜e_k＜β (13)

图4为判断逻辑输入输出图。

输入1：μ_i1(x)＝{0，1} (15)

输入2：μ_i2(x)＝{0，1} (16)

输出：μ_o(x)＝{0，1} (17) 。

Claims

1.一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，它的组成包括：电源(1)，功率变换器(2)，三相开关磁阻电机(3)，电流传感器(4)，电压传感器(5)，转矩传感器(6)，PID控制模块(7)，电流补偿模块(8)，位置与速度估算模块(9)，微处理器(10)，。其特征包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，其特征在于：所述的转矩比较时电流参考值i_kest由实验测得。

3.根据权利要求1所述的一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，其特征在于：所述的补偿电流由以下步骤求得：

elsif：i_kcomp＝i_k。

4.根据权利要求3所述的模糊逻辑判断模块(11)，其特征在于：

412.逻辑输入一、逻辑输入二、逻辑输出包含有五个逻辑变量NB，NS，Z，PS，PB 。

5.根据权利要求1所述的一种自适应和模糊逻辑的三相开关磁阻电机系统及控制方法，其特征在于：所述的位置和转速估计模块(9)的输出信号由以下数学公式求得：

。