CN108809192B - 一种参数自整定永磁同步电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参数自整定永磁同步电机控制系统，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述主控制系统分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连，所述主控制系统包括DSP处理模块和参数整定FPGA模块，所述DSP处理模块包括第一核心和第二核心。通过上述方式，本发明所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，通过参数整定FPGA模块每个周期对控制器参数增减行为进行选择，对每次行为选择完成后的控制器性能进行评估，根据每次评估的结果对行为选择模型的参数进行选择，实现对控制器参数最优求解。

Description

一种参数自整定永磁同步电机控制系统

技术领域

本发明涉及机电控制技术领域，特别是涉及一种参数自整定永磁同步电机控制系统。

背景技术

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，作为其他用电器或各种机械的动力来源，也是现代加工技术中最为关键的部件之一。

电机控制器是指通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的位置、方向、速度、角度及响应时间进行工作。专用的电机控制器可以使电机的应用更为广泛，输出效率更高。

目前电机的整体控制方案主要由控制器和驱动器组成。其中控制器通过转子位置传感器、定子电流传感器及电压传感器完成对电机转子位置、电流、电压等信号的采集，根据期望的转矩指令，计算出相应的功率信号，通过特定型号的功率器件进行放大后，输出到电机，实现电机的的驱动与运行，输出期望的速度与转矩，实现电机的控制。

目前恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、智能控制是广泛应用于电机控制领域的控制方法，一般都需要人工用工程经验对控制器参数进行整定：通过不断观察在不同控制参数下的系统运行状况规律来进行对此参数调校，耗费时间长，结果可靠性差，并对整定人员技能有不低的要求，并且在参数整定完成后不能保证在系统参数摄动后的控制效果。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种参数自整定永磁同步电机控制系统，用于解决现有的技术中控制器参数整定困难、效率低、效果不易保证和鲁棒性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种参数自整定永磁同步电机控制系统，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述电机与驱动子系统相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统，分别与所述电机、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统相连，用于将主控制系统的控制信号放大成功率信号并向电机输出；

上位机监控模块，与所述主控制系统相连，用于给主控制系统发送电机控制指令，并实时接收电机的运行状态并显示分析；

编码器脉冲转换模块，分别与所述电机上的编码器以及主控制系统相连，用于将安装于电机上的编码器的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统输出；

故障信号与温度检测脉冲产生模块，分别与所述驱动子系统和主控制系统相连，用于将驱动子系统检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统输送；

主控制系统，包括双核心为主的DSP处理模块和参数整定FPGA模块，所述DSP处理模块包括第一核心和第二核心，主控制系统分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连，用于接收上位机监控模块上监控端用户的特定指令，在主控制系统内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据；向驱动子系统输出，并完成控制器参数自整定；根据给定的转速、电流等参数，实时采集由信号调理模块传输的电机正余弦编码器的信号以及由电流传感器、电压传感器采集的三相电流与母线电压信号，通过参数整定FPGA模块进行参数整定后，通过磁场定向控制算法得出下个控制周期的输出设定，并向驱动子系统输出。

在本发明一个较佳实施例中，所述主控制系统还包括电源管理模块、信号调理模块、三态缓冲模块以及总线通信模块，所述三态缓冲模块连接在DSP处理模块的PWM输出端与编码器脉冲转换模块之间，所述总线通信模块包括CAN总线通信模块、以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块，所述CAN总线通信模块与第一核心的CAN总线控制器相连，所述以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块分别与第一核心的SCIA、SCIB以及SCIC通道相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述电源管理模块将驱动子系统中的整流模块输出电压转换成主控制系统所需的±15V、+3.3V、+1.2V和+1.5V。

在本发明一个较佳实施例中，所述信号调理模块接收驱动子系统中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并将接收到的信号调理成主控制系统中符合DSP处理模块上AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号传递给AD模块，所述信号调理模块中设置有定子电压信号调理电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述定子电压信号调理电路包括滤波电路、电压跟随电路与过压比较电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述定子电压信号调理电路包括滤波电路、绝对值电路、过流比较电路和方向比较电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述AD模块将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给参数整定FPGA模块中的保护模块以及第二核心。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一核心用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心完成初始化，触发第二核心上的电机调速控制服务子程序，定时向上位机监控模块反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据，接收用户指令，所述第二核心进行电机调速控制，根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统的逆变模块的PWM控制信号量，将信号向驱动子系统输出。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一核心和第二核心之间通过共享存储的方式进行通信。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一核心与参数整定FPGA模块之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互。

在本发明一个较佳实施例中，所述主控制系统中设置有电平转换与光耦隔离模块而分别对驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块以及主控制系统进行信号电平的匹配。

在本发明一个较佳实施例中，所述参数整定FPGA模块中设置有粒子群优化模块和控制器行为选择模块，控制器行为选择模块根据电机的运行状况对其调速控制器的参数增减行为进行选择，控制器行为选择模块的输入为粒子群参数优化模块的输出参数，控制器行为选择模块的输出为主控系统模块中第二核心中电机调速控制器的参数，所述粒子群优化模块根据行为控制器行为选择模块的优劣性，通过粒子群优化算法对控制器行为选择模块中参数进行整定，粒子群优化模块的输入为用户设定好的迭代次数，输出为控制器行为选择模块的参数。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种参数自整定永磁同步电机控制系统，在原有电机控制系统的基础上，增加参数自整定的参数整定FPGA模块，通过参数整定FPGA模块每个周期对控制器参数增减行为进行选择，通过参数整定FPGA模块对每次行为选择完成后的控制器性能进行评估，通过参数整定FPGA模块根据每次评估的结果对行为选择模型的参数进行选择，实现对控制器参数最优求解，解决了现有控制器中参数整定困难的缺点，提高了系统的运行效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图，其中：

图1是本发明一种参数自整定永磁同步电机控制系统一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种参数自整定永磁同步电机控制系统，包括：电机6、驱动子系统2、故障信号与温度检测脉冲产生模块5、编码器脉冲转换模块3、主控制系统1和上位机监控模块4，所述电机6与驱动子系统2相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统2，主要由整流逆变电路、电压电流模拟量采集比较电路和温度采集电路构成，分别与所述电机1、故障信号与温度检测脉冲产生模块5、编码器脉冲转换模块3、主控制系统1相连，用于将主控制系统1的控制信号放大成功率信号并向电机6输出；

上位机监控模块4，与所述主控制系统1相连，用于给主控制系统1发送电机控制指令，并实时接收电机6的运行状态并显示分析，上位机监控模块4为安装有专用电机监控软件的PC终端，进行电机6的运行的状态显示，控制灵活；

编码器脉冲转换模块3，分别与所述电机6上的编码器7以及主控制系统1相连，用于将安装于电机6上的编码器7的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统1输出；

故障信号与温度检测脉冲产生模块5，分别与所述驱动子系统2和主控制系统1相连，用于将驱动子系统2检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统1输送；

主控制系统1，分别与所述驱动子系统2、上位机监控模块4、编码器脉冲转换模块3以及故障信号与温度检测脉冲产生模块5相连，用于接收上位机监控模块4上监控端用户的特定指令，在主控制系统1内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据，向驱动子系统2输出，并完成控制器参数自整定；

所述主控制系统1包括DSP处理模块14和参数整定FPGA模块13，所述DSP处理模块14包括第一核心141和第二核心142。所述第一核心141和第二核心142之间通过共享存储的方式进行通信。所述第一核心141与参数整定FPGA模块13之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互。参数整定FPGA模块13用于根据电机的运行状况对调速控制器的参数增减行为进行选择，又根据参数行为选择完成后调速控制器的性能指标对行为选择的模型进行粒子群求解。

所述主控制系统1还包括电源管理模块11、信号调理模块12、三态缓冲模块以及总线通信模块15，所述三态缓冲模块连接在DSP处理模块14的PWM输出端与编码器脉冲转换模块3之间，所述总线通信模块15包括CAN总线通信模块154、以太网接口通信模块153、485通信接口模块152和232通信接口模块151，所述CAN总线通信模块154与第一核心141的CAN总线控制器相连，所述以太网接口通信模块153、485通信接口模块152和232通信接口模块151分别与第一核心141的SCIA、SCIB以及SCIC通道相连。

所述电源管理模块11将驱动子系统2中的整流模块输出电压转换成主控制系统1所需的±15V、+3.3V、+1.2V和+1.5V。

所述信号调理模块接收驱动子系统2中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并将接收到的信号调理成主控制系统1中符合DSP处理模块14上AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号传递给AD模块，所述信号调理模块12中设置有定子电压信号调理电路。所述定子电压信号调理电路包括滤波电路、电压跟随电路、过压比较电路、绝对值电路、过流比较电路和方向比较电路。

所述AD模块将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给参数整定FPGA模块13中的保护模块以及第二核心142。

所述第一核心141用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心142完成初始化，触发第二核心142上的电机调速控制服务子程序，定时向上位机监控模块4反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据，接收用户指令，所述第二核心142进行电机6的调速控制，根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统2的逆变模块的PWM控制信号量，将信号向驱动子系统2输出。

所述主控制系统1中设置有电平转换与光耦隔离模块而分别对驱动子系统2、故障信号与温度检测脉冲产生模块5以及主控制系统1进行信号电平的匹配。

所述参数整定FPGA模块13中设置有粒子群优化模块131和控制器行为选择模块132，控制器行为选择模块132根据电机6的运行状况对其调速控制器的参数增减行为进行选择，控制器行为选择模块132的输入为粒子群参数优化模块131的输出参数，控制器行为选择模块132的输出为主控系统模块中第二核心142中电机调速控制器的参数，所述粒子群优化模块131根据行为控制器行为选择模块132的优劣性，通过粒子群优化算法对控制器行为选择模块132中参数进行整定，粒子群优化模块131的输入为用户设定好的迭代次数，输出为控制器行为选择模块132的参数。

具体地，所述参数自整定永磁同步电机控制系统工作原理如下：

步骤S1：

第一核心141、第二核心142、参数整定FPGA模块13初始化。

具体地，参数整定FPGA模块13通过初始化读取外部存储器指令，实现参数整定FPGA模块13上电主动配置；第一核心141进行系统初始引导，系统初始化；第二核心142进行系统初始引导，系统初始化。

步骤S2：

第二核心142使能编码器脉冲转换模块3，对编码器脉冲转换模块3进行脉冲捕捉计数得到转子速度与转子位置信号。

步骤S3：

第二核心142根据上位机监控模块4发送的给定转速信号，步骤S2得到的转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角结合永磁同步电机数学模型进行直接转矩控制，输出6路PWM控制信号至驱动子系统2。

步骤S4:

驱动子系统2接收步骤S3中输出的6路PWM控制信号，从而控制功率器件的导通与关断，实现将直流电逆变成三相交流电输出到电机定子侧。

步骤S6:

在参数整定FPGA模块13中的粒子群优化模块131构建粒子群搜索模型，确定数量种群N，粒子速度和位置。

包括：

1)初始化N数量种群的粒子，包括其速度和位置。

其中第i个粒子在D维解空间的位置可以表示为：

x_i＝(x_i1,x_i2,...x_iD)

其中第i个粒子在D维解空间的速度可以表示为：

v_i＝(v_i1,v_i2,...v_iD)

粒子的速度表征的是每次粒子群最优迭代的过程中粒子的移动距离。每个粒子在迭代过程中得到的局部最优解可以表示为：

p_g＝(p_g1,p_g2,...p_gD)

2)构建粒子下次迭代的速度

粒子i在第d维的子空间移动速度为：

v^k+1 _id＝w*v^k _id+c₁*rand()*p^k _id-x^k _id+c₂*rand()*p^k _gd-x^k _gd

其中，w表征惯性权重，c₁，c₂为常数参数，rand()为0-1随机数，p_id为当前粒子最优位置，p_gd为整个种群最优位置。

步骤S7:

在参数整定FPGA模块13中的行为选择模块132构建控制器行为选择模型，包括：

1)定义行为选择控制器的具体行为，根据驱动控制器的具体结构与控制策略定义行为选择器在行为选择完成后可能会出现的具体行为。进一步的，定义选择控制器的四项行为可以分别为：调速控制器比例系数增加、调速控制器比例系数减小、调速控制器积分系数增加和调速控制器积分系数减小。

2)确定选择通道数量。

3)建立行为通道的数学模型。

4)校正通道模型参数。

步骤S8:

设计综合控制器性能指标作为粒子群适应度函数。进一步的，系统的控制动态能指标主要有超调量，调节时间，上升时间，峰值时间，稳态性能指标主要有稳态误差。具体为构建一种时间绝对偏差乘积积分方程为粒子群适应度函数：

步骤S9:

初始化粒子群搜索模型，控制器行为选择模型，ASR速度控制器，ACR电流控制器参数，并人工整定ACR电流控制器参数。

步骤S10:

根据控制器行为选择模型对ASR速度控制器参数进行重新设定。

步骤S11:

根据控制器性能更新粒子群模型中粒子速度与位置，从而更新控制器行为选择模型中的输入权重。重复步骤五、步骤六，直到满足粒子群搜索终止条件。

综上所述，本发明指出的一种参数自整定永磁同步电机控制系统，可以实现控制器参数的自整定，提高了系统运行效率，实现对控制器参数的最优求解，解决了现有控制器中参数整定困难的缺点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述电机与驱动子系统相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统，分别与所述电机、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统相连，用于将主控制系统的控制信号放大成功率信号并向电机输出；

上位机监控模块，与所述主控制系统相连，用于给主控制系统发送电机控制指令，并实时接收电机的运行状态并显示分析；

编码器脉冲转换模块，分别与所述电机上的编码器以及主控制系统相连，用于将安装于电机上的编码器的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统输出；

故障信号与温度检测脉冲产生模块，分别与所述驱动子系统和主控制系统相连，用于将驱动子系统检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统输送；

主控制系统，分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连，用于接收上位机监控模块上监控端用户的特定指令，在主控制系统内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据，向驱动子系统输出，并完成控制器参数自整定；

所述主控制系统包括DSP处理模块和参数整定FPGA模块，所述DSP处理模块包括第一核心和第二核心，所述参数整定FPGA模块中设置有粒子群优化模块和控制器行为选择模块；

所述控制器行为选择模块根据电机的运行状况对其调速控制器的参数增减行为进行选择，控制器行为选择模块的输入为粒子群参数优化模块的输出参数，控制器行为选择模块的输出为主控系统模块中第二核心中电机调速控制器的参数，所述粒子群优化模块根据行为控制器行为选择模块的优劣性，通过粒子群优化算法对控制器行为选择模块中参数进行整定，粒子群优化模块的输入为用户设定好的迭代次数，输出为控制器行为选择模块的参数。

2.根据权利要求1所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述主控制系统还包括电源管理模块、信号调理模块、三态缓冲模块以及总线通信模块，所述三态缓冲模块连接在DSP处理模块的PWM输出端与编码器脉冲转换模块之间，所述总线通信模块包括CAN总线通信模块、以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块，所述CAN总线通信模块与第一核心的CAN总线控制器相连，所述以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块分别与第一核心的SCIA、SCIB以及SCIC通道相连。

3.根据权利要求2所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述电源管理模块将驱动子系统中的整流模块输出电压转换成主控制系统所需的±15V、＋3.3V、＋1.2V和＋1.5V。

4.根据权利要求2所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述信号调理模块接收驱动子系统中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并将接收到的信号调理成主控制系统中符合DSP处理模块上AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号传递给AD模块。

5.根据权利要求4所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述AD模块将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给参数整定FPGA模块中的保护模块以及第二核心。

6.根据权利要求1所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第一核心用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心完成初始化，触发第二核心上的电机调速控制服务子程序，定时向上位机监控模块反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据，接收用户指令，所述第二核心进行电机调速控制，根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统的逆变模块的PWM控制信号量。

7.根据权利要求1所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第一核心和第二核心之间通过共享存储的方式进行通信。

8.根据权利要求1所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第一核心与参数整定FPGA模块之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互。

9.根据权利要求1所述的参数自整定永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述主控制系统中设置有电平转换与光耦隔离模块而分别对驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块以及主控制系统进行信号电平的匹配。

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