CN109067278A - 一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法。由中央处理器、转速给定电路、IGBT驱动电路、功率变换电路、光电传感器、位置反馈电路、霍尔传感器、电流检测电路、过流比较电路、母线电压检测电路、晶振电路、复位电路、按键和LCD显示屏组成。通过设计合适的控制策略，以解决开关磁阻电机的噪声与转矩脉动问题以及复杂环境下精确控制的问题，扩大开关磁阻电机的应用范围。本发明采用直接转矩控制，根据参考磁链、转矩与实际输出的磁链、转矩的差值来调节实现对定子磁链和电机转矩的闭环控制，解决了电机转矩脉动大的问题，可有效减少SRM转矩脉动，提高SRD系统鲁棒性。

Description

一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法。
背景技术
开关磁阻电机是利用磁阻可变设计出的一种新型电机，具有其他种类电机不具有的一些优点。开关磁阻电机的定子和转子设计为双凸极结构，定子凸极上存在线圈绕组，转子仅为导磁金属。这种设计使得开关磁阻电机在一些像高转速、强振动、高温等极端环境下正常工作。与传统的直流电机调速系统、异步电动机变频调速系统相比，开关磁阻电机兼具了两者的优点，既有异步电机变频调速系统的结构简单、牢固可靠的优点，也有直流电机调速系统的高可控性的优点。除此之外还具有两者都不具有的经济耗费低、效率高、适应性强的优点。开关磁阻电机调速系统是应用于现代电机系统的强有力的竞争者。
然而由于开关磁阻电机的定转子双凸极结构特点和开关电源供电通断变换的特点，其具有很强的非线性和强耦合性。输出转矩是关于定子绕组电流和转子所处位置的非线性函数，在正常运行工作中，开关磁阻电机会存在较强的转矩脉动现象，进而产生严重的电机震颤和运行噪声，这大大限制了开关磁阻电机调速系统在伺服化、低噪声化方向的应用。这些特性对于控制策略的选择提出了更高的要求和更精细化的需求。因此，在开关磁阻电机调速系统设计中，采用合适的控制策略，解决SRM的噪声与转矩脉动问题是关键所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法。通过设计合适的控制策略，以解决开关磁阻电机的噪声与转矩脉动问题以及复杂环境下精确控制的问题，扩大开关磁阻电机的应用范围。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置，由中央处理器、转速给定电路、IGBT驱动电路、功率变换电路、光电传感器、位置反馈电路、霍尔传感器、电流检测电路、过流比较电路、母线电压检测电路、晶振电路、复位电路、按键和LCD显示屏组成；
中央处理器采用意法半导体公司的STM32F407VGT6作为核心控制芯片；
转速给定电路通过电位器给定电压的方式对电机进行调速；
IGBT驱动电路将MCU的控制信号转换为驱动IGBT的信号，并起到电气隔离的作用，其输出端与功率变换电路连接；
功率变换电路的输出端分别与电机、霍尔传感器、母线电压检测电路连接，将电源的能量经适当地变换后供给电机，驱动电机运行，采用了典型的直接转矩控制中常用的不对称半桥开关形式；
位置反馈电路将光电传感器输出的不标准方波信号处理成能被控制器AD口接收的标准方波，光电传感器的输入端与电机连接；
电流检测电路将霍尔传感器的输出信号处理成能被控制器AD口接收的电压信号；
过流比较电路与电流检测电路连接，通过电压比较器比较当前检测到的电流和最大电流，过流则输出高电平给控制器，进行软件限流，以防大电流对电机绕组和功率变换器造成伤害；
母线电压检测电路检测电机的母线电压是否在一定电压范围内，在则正常，不在则需将过压信号输出到控制器，进行降压处理；
按键分为正转按键、反转按键和停止按键；
LCD显示屏显示电机正反转、转速、故障信息；
晶振电路、复位电路与中央处理器通过数据总线相连；
LCD显示屏通过SPI总线与中央处理器相连；
过流比较电路、母线电压检测电路和按键接入中央处理器的I/O口；
转速给定电路、IGBT驱动电路、位置反馈电路、电流检测电路接入中央处理器的AD口。
利用上述开关磁阻电机调速装置进行电机调速的方法，步骤如下：
(1)系统初始化；
(2)调用控制器模数转换ADC模块读取给定速度；
(3)检测按键输入，如果正转或反转按键按下，且停止键未按下，开始启动子程序，若停止键按下，则停机制动；
(4)判断运行是否发生故障，故障则执行停止子程序，否则进入控制程序；
(5)执行复合模糊控制子程序；
(6)执行直接转矩控制子程序；
(7)位置、速度显示；
(8)检测停止键是否按下，若未按下继续执行控制程序，否则停机制动。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
(1)本发明采用直接转矩控制，根据参考磁链、转矩与实际输出的磁链、转矩的差值来调节实现对定子磁链和电机转矩的闭环控制，解决了电机转矩脉动大的问题，可有效减少SRM转矩脉动，提高SRD系统鲁棒性。
(2)本发明采用自适应模糊PI控制方法，因负载经常变化，常需要相应调整PI参数，因此外环采用自适应模糊控制速度对传统PI速度环进行优化，可实现PI参数的在线调节，动态输出直接转矩控制所需的参考转矩，提高系统动态性能和控制精度，在面对复杂的环境时系统也能得到适合的参考转矩。
附图说明
图1为基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置的系统结构框图。
图2为基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置的控制结构示意图。
图3为基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置的主循环程序流程图。
图4为基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置的直接转矩控制程序流程图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作出进一步的详述。
请参阅图1所示，一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置，由中央处理器101、转速给定电路102、IGBT驱动电路103、功率变换电路104、光电传感器105、位置反馈电路106、霍尔传感器107、电流检测电路108、过流比较电路109、母线电压检测电路110、晶振电路111、复位电路112、按键113和LCD显示屏114组成。
中央处理器101采用意法半导体公司的STM32F407VGT6作为核心控制芯片。
转速给定电路102通过电位器给定电压的方式对电机进行调速。
IGBT驱动电路103将MCU的控制信号转换为驱动IGBT的信号，并起到电气隔离的作用，其输出端与功率变换电路104连接。
功率变换电路104的输出端分别与电机、霍尔传感器107、母线电压检测电路110连接，将电源的能量经适当地变换后供给电机，驱动电机运行，采用了典型的直接转矩控制中常用的不对称半桥开关形式。
位置反馈电路106将光电传感器105输出的不标准方波信号处理成能被控制器AD口接收的标准方波，光电传感器105的输入端与电机连接。
电流检测电路108将霍尔传感器107的输出信号处理成能被控制器AD口接收的电压信号。
过流比较电路109与电流检测电路108连接，通过电压比较器比较当前检测到的电流和最大电流，过流则输出高电平给控制器，进行软件限流，以防大电流对电机绕组和功率变换器造成伤害。
母线电压检测电路110检测电机的母线电压是否在一定电压范围内，在则正常，不在则需将过压信号输出到控制器，进行降压处理。
按键113分为正转按键、反转按键和停止按键。
LCD显示屏114显示电机正反转、转速、故障信息等。
晶振电路111、复位电路112与中央处理器101通过数据总线相连。
LCD显示屏114通过SPI总线与中央处理器101相连。
过流比较电路109、母线电压检测电路110和按键113接入中央处理器101的I/O口。
转速给定电路102、IGBT驱动电路103、位置反馈电路106、电流检测电路108接入中央处理器的AD口。
请一并参阅图2-4，利用上述开关磁阻电机调速装置进行电机调速的方法，步骤如下：
(1)系统初始化。
(2)调用控制器模数转换ADC模块读取给定速度。
(3)检测按键输入，如果正转或反转按键按下，且停止键未按下，开始启动子程序，若停止键按下，则停机制动。
(4)判断运行是否发生故障，故障则执行停止子程序，否则进入控制程序。
(5)执行复合模糊控制子程序，步骤如下：
(5.1)确定论域。
调速目标是500rpm，转速基本论域设定为[-500，500]，输出的转矩的基本论域可取[-15，15]，被控量经过模糊化处理后语言变量在[-6，6]区间内离散化均匀分布。
(5.2)计算转速偏差e和转速偏差变化率ec，作为输入量。
(5.3)输入精确量模糊化，根据转速偏差e和转速偏差变化率ec的大小，可以将e和ec的差值描述为正/零/负、大/中/小，具体情况如下表：
e/ec 正大 正中 正小 零 负小 负中 负大
语言变量 PB PM PS ZE NS NM NB
采用三角函数作为隶属函数。
(5.4)建立、查找模糊控制规则表。
根据实际电机运行的规律，可以总结出下面三点规则：
i.当传感器测得电机转速低于设定转速，需要增加转矩输出使电机加速运转。转矩增加越多，那么转速可以越快的达到目标转速。
ii.当传感器测得实际转速和目标转速一致，那么，维持转矩输出不变就能使转速一直维持。
iii.当实际转速高于设定转速，需要降低转矩输出。转矩降低越多，转速越快减小到目标转速。
可以得到下表：
(5.5)输出模糊量精确化，即使用解模糊关系式(1)，输出最终的转矩：
(5.6)将PI控制器设置好PI参数后与模糊控制器并联使用，输出最终的参考转矩。
(6)执行直接转矩控制子程序，步骤如下：
(6.1)建立电压矢量开关表。
(6.1.1)采用三相不对称半桥式功率变换器，每相由两个功率开关和两个续流二极管组成，故变换器有三种工作状态：
当源电压正向加在绕组上，桥臂上的两个开关管同时导通，绕组上所受电压为+Vdc。电机加速度为正方向，电机工作在正向电动或反向制动状态，此工作状态用状态1表示。
当绕组上所受电压为零，由于绕组电感的存在，开关管两端维持一定的压降，能够导通且通过续流二极管自然续流，这种状态用状态0表示。
当开关管两端受负电压，两个开关管均关断无法导通，定子绕组通过两个正向导通的二极管将能量反馈到电源，这种状态用-1表示。
故SRM三相绕组共有27种合成电压状态。
(6.1.2)定义三个电压空间矢量，(1，0，0)、(0，1，1)、(0，0，1)，其分别对应A、B、C三相均是正电压的“1”状态。“-1”状态分别为“0”状态的电压矢量为0。
(6.1.3)选取一组电压矢量 作为基本向量组，以为例，由把定子坐标空间均分成N1～N6六个区间。
(6.1.4)在电流很小忽略绕组压降的情况下，某一相的磁链可以表示为电压矢量的积分，于是磁链可以近似看作：
ψ＝∫Udt (6)
用微元法看磁链在很小的时间ΔT内，可以认为与电压成线性关系：
Δψ＝UΔT (7)
所以，
ψi+1＝ψi+Δψ (8)
显然，任意时刻矢量变化量Δψ方向都是由电压矢量U所决定的，且幅值大小与变化时间ΔT成正比。在电机运行的不同磁链区选择特定的电压矢量可以控制转矩和磁链的变化，得到以下电压矢量开关表：
(6.2)对转矩、磁链进行估算得到电机瞬时转矩和磁链。
(6.2.1)电机的定子绕组电压与磁链之间存在关系：
式(1)中：
Us是定子绕组三相电压的合成空间矢量；
Is是定子绕组三相电流的合成空间矢量；
ψs是定子绕组三相磁链的合成空间矢量；
根据式(1)，定子磁链可表示为绕组电压和电流的函数：
ψ＝∫(U-Rsi)dt (2)
由此建立出电机定子磁链计算部分的模型，经磁链变换后得出瞬时磁链的幅值|ψ|和磁链角δ。
SRM三相定子坐标系A轴正向与空间矢量a轴一致时，用坐标变换把三相坐标变换成两相坐标系，变换公式为：
根据式(3)推出磁链幅值|ψ|、磁链角δ：
(6.2.2)根据准线性电磁转矩模型中的电磁转矩计算公式(5)，每一相绕组都可以根据位置角信号θ和电流i计算得到瞬时电磁转矩：
对得到的各相转矩求和，求出SRM总的瞬时转矩。
(6.3)磁链区域判断。
由式(4)可得磁链角δ，扇区便根据δ的大小对应判断出磁链矢量所在区域，根据三相开关磁阻电机空间矢量分布，若δ∈(0°～60°)，则磁链矢量位于区域N1。若δ∈(60°～120°)，则磁链矢量位于N2区域。若δ∈(120°～180°)，则磁链矢量位于N3区域。若δ∈(180°～240°)，则磁链矢量位于N4区域。若δ∈(240°～300°)，则磁链矢量位于N5区域。若δ∈(300°～360°)，则磁链矢量位于N6区域。
(6.4)转矩、磁链滞环控制及换相逻辑组合。
滞环的宽度直接影响SRM转矩脉动的波动范围。当偏差超出滞环限值宽度时，若偏差值为正，则需增大反馈磁链值，滞环比较器输出为1。若偏差值为负，则需减小反馈磁链值，滞环比较器输出为0，同理得出转矩调节滞环部分。磁链、转矩滞环宽度分别取0.01、0.1，把偏差限值在设定滞环宽度里。
(6.5)查找电压矢量开关表，选择所需的电压矢量。
(6.6)将电压矢量与IGBT触发脉冲对应，驱动功率变换器，对电机进行控制。
(7)位置、速度显示。
(8)检测停止键是否按下，若未按下继续执行控制程序，否则停机制动。
在本发明的基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法中，外环使用复合模糊控制方法，在运用模糊控制器的基础上，为了在稳态时达到更好的稳态性能而采用PI控制与模糊控制相结合的控制策略。它的基本思想是在转矩误差比较大时采用模糊控制快速减小误差，当误差进入一定的误差带之后，采用模糊控制和PI控制相结合的思想来消除稳态误差，最后达到无静差运行。内环采用直接转矩控制，通过磁链和转矩调节器实现对定子磁链和电机转矩的闭环控制，可有效减少SRM转矩脉动，提高SRD系统鲁棒性。本发明提出的基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法，解决了开关磁阻电机的噪声与转矩脉动问题以及复杂环境下精确控制的问题，扩大了开关磁阻电机的应用范围。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置，其特征在于，由中央处理器(101)、转速给定电路(102)、IGBT驱动电路(103)、功率变换电路(104)、光电传感器(105)、位置反馈电路(106)、霍尔传感器(107)、电流检测电路(108)、过流比较电路(109)、母线电压检测电路(110)、晶振电路(111)、复位电路(112)、按键(113)和LCD显示屏(114)组成；
中央处理器(101)采用意法半导体公司的STM32F407VGT6作为核心控制芯片；
转速给定电路(102)通过电位器给定电压的方式对电机进行调速；
IGBT驱动电路(103)将MCU的控制信号转换为驱动IGBT的信号，并起到电气隔离的作用，其输出端与功率变换电路(104)连接；
功率变换电路(104)的输出端分别与电机、霍尔传感器(107)、母线电压检测电路(110)连接，将电源的能量经适当地变换后供给电机，驱动电机运行，采用了典型的直接转矩控制中常用的不对称半桥开关形式；
位置反馈电路(106)将光电传感器(105)输出的不标准方波信号处理成能被控制器AD口接收的标准方波，光电传感器(105)的输入端与电机连接；
电流检测电路(108)将霍尔传感器(107)的输出信号处理成能被控制器AD口接收的电压信号；
过流比较电路(109)与电流检测电路(108)连接，通过电压比较器比较当前检测到的电流和最大电流，过流则输出高电平给控制器，进行软件限流，以防大电流对电机绕组和功率变换器造成伤害；
母线电压检测电路(110)检测电机的母线电压是否在一定电压范围内，在则正常，不在则需将过压信号输出到控制器，进行降压处理；
按键(113)分为正转按键、反转按键和停止按键；
LCD显示屏(114)显示电机正反转、转速、故障信息；
晶振电路(111)、复位电路(112)与中央处理器(101)通过数据总线相连；
LCD显示屏(114)通过SPI总线与中央处理器(101)相连；
过流比较电路(109)、母线电压检测电路(110)和按键(113)接入中央处理器(101)的I/O口；
转速给定电路(102)、IGBT驱动电路(103)、位置反馈电路(106)、电流检测电路(108)接入中央处理器的AD口。
2.利用如权利要求1所述开关磁阻电机调速装置进行电机调速的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)系统初始化；
(2)调用控制器模数转换ADC模块读取给定速度；
(3)检测按键输入，如果正转或反转按键按下，且停止键未按下，开始启动子程序，若停止键按下，则停机制动；
(4)判断运行是否发生故障，故障则执行停止子程序，否则进入控制程序；
(5)执行复合模糊控制子程序；
(6)执行直接转矩控制子程序；
(7)位置、速度显示；
(8)检测停止键是否按下，若未按下继续执行控制程序，否则停机制动。
3.如权利要求2所述的电机调速方法，其特征在于，步骤(5)中执行复合模糊控制子程序步骤如下：
(1)确定论域；
调速目标是500rpm，转速基本论域设定为[-500，500]，输出的转矩的基本论域可取[-15，15]，被控量经过模糊化处理后语言变量在[-6，6]区间内离散化均匀分布；
(2)计算转速偏差e和转速偏差变化率ec，作为输入量；
(3)输入精确量模糊化，根据转速偏差e和转速偏差变化率ec的大小，可以将e和ec的差值描述为正/零/负、大/中/小，具体情况如下表：
e/ec 正大 正中 正小 零 负小 负中 负大 语言变量 PB PM PS ZE NS NM NB
采用三角函数作为隶属函数；
(4)建立、查找模糊控制规则表；
根据实际电机运行的规律，可以总结出下面三点规则：
i.当传感器测得电机转速低于设定转速，需要增加转矩输出使电机加速运转；转矩增加越多，那么转速可以越快的达到目标转速；
ii.当传感器测得实际转速和目标转速一致，那么，维持转矩输出不变就能使转速一直维持；
iii.当实际转速高于设定转速，需要降低转矩输出；转矩降低越多，转速越快减小到目标转速；
可以得到下表：
(5)输出模糊量精确化，即使用解模糊关系式(1)，输出最终的转矩：
(6)将PI控制器设置好PI参数后与模糊控制器并联使用，输出最终的参考转矩。
4.如权利要求2所述的电机调速方法，其特征在于，步骤(6)中执行直接转矩控制子程序步骤如下：
(1)建立电压矢量开关表；
(2)对转矩、磁链进行估算得到电机瞬时转矩和磁链；
(2.1)电机的定子绕组电压与磁链之间存在关系：
式(1)中：
Us是定子绕组三相电压的合成空间矢量；
Is是定子绕组三相电流的合成空间矢量；
ψs是定子绕组三相磁链的合成空间矢量；
根据式(1)，定子磁链可表示为绕组电压和电流的函数：
ψ＝∫(U-Rsi)dt (2)
由此建立出电机定子磁链计算部分的模型，经磁链变换后得出瞬时磁链的幅值|ψ|和磁链角δ；
SRM三相定子坐标系A轴正向与空间矢量a轴一致时，用坐标变换把三相坐标变换成两相坐标系，变换公式为：
根据式(3)推出磁链幅值|ψ|、磁链角δ：
(2.2)根据准线性电磁转矩模型中的电磁转矩计算公式(5)，每一相绕组都可以根据位置角信号θ和电流i计算得到瞬时电磁转矩：
对得到的各相转矩求和，求出SRM总的瞬时转矩；
(3)磁链区域判断；
由式(4)可得磁链角δ，扇区便根据δ的大小对应判断出磁链矢量所在区域，根据三相开关磁阻电机空间矢量分布，若δ∈(0°～60°)，则磁链矢量位于区域N1；若δ∈(60°～120°)，则磁链矢量位于N2区域；若δ∈(120°～180°)，则磁链矢量位于N3区域；若δ∈(180°～240°)，则磁链矢量位于N4区域；若δ∈(240°～300°)，则磁链矢量位于N5区域；若δ∈(300°～360°)，则磁链矢量位于N6区域；
(4)转矩、磁链滞环控制及换相逻辑组合；
滞环的宽度直接影响SRM转矩脉动的波动范围；当偏差超出滞环限值宽度时，若偏差值为正，则需增大反馈磁链值，滞环比较器输出为1；若偏差值为负，则需减小反馈磁链值，滞环比较器输出为0，同理得出转矩调节滞环部分；磁链、转矩滞环宽度分别取0.01、0.1，把偏差限值在设定滞环宽度里；
(5)查找电压矢量开关表，选择所需的电压矢量；
(6)将电压矢量与IGBT触发脉冲对应，驱动功率变换器，对电机进行控制。
5.如权利要求4所述的电机调速方法，其特征在于，步骤(1)中建立电压矢量开关表步骤如下：
(1.1)采用三相不对称半桥式功率变换器，每相由两个功率开关和两个续流二极管组成，故变换器有三种工作状态：
当源电压正向加在绕组上，桥臂上的两个开关管同时导通，绕组上所受电压为+Vdc；电机加速度为正方向，电机工作在正向电动或反向制动状态，此工作状态用状态1表示；
当绕组上所受电压为零，由于绕组电感的存在，开关管两端维持一定的压降，能够导通且通过续流二极管自然续流，这种状态用状态0表示；
当开关管两端受负电压，两个开关管均关断无法导通，定子绕组通过两个正向导通的二极管将能量反馈到电源，这种状态用-1表示；
故SRM三相绕组共有27种合成电压状态；
(1.2)定义三个电压空间矢量，其分别对应A、B、C三相均是正电压的“1”状态；“‐1”状态分别为“0”状态的电压矢量为0；
(1.3)选取一组电压矢量 作为基本向量组，以为例，由把定子坐标空间均分成N1～N6六个区间；
(1.4)在电流很小忽略绕组压降的情况下，某一相的磁链可以表示为电压矢量的积分，于是磁链可以近似看作：
ψ＝∫U dt (6)
用微元法看磁链在很小的时间ΔT内，可以认为与电压成线性关系：
Δψ＝UΔT (7)
所以，
ψi+1＝ψi+Δψ (8)
显然，任意时刻矢量变化量Δψ方向都是由电压矢量U所决定的，且幅值大小与变化时间ΔT成正比；在电机运行的不同磁链区选择特定的电压矢量可以控制转矩和磁链的变化，得到以下电压矢量开关表：
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