CN110190785B - 一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法 - Google Patents

一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法，通过检测永磁同步电机的霍尔信号，计算出速度和位置后，获取速度误差和误差变化量并作为模糊逻辑控制器输入，模糊逻辑控制器将转速误差和误差变化率转化为输出量H，作为三态滞环比较器的环宽；三态滞环控制器根据滞环规则将三相电流误差进行调节，输出六路的逆变器控制信号；从而实现六路信号分别控制逆变器六个功率开关管的开断，实现对电机的控制，使得电机稳定运行。本发明与传统方法相比，电流跟踪控制的响应速度和稳态精度较好。

Description

一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法
技术领域
本发明属于电机系统及控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁同步电机的优势在于：效率高、尺寸小、可靠性较强，由于没有直流电机的换向器和电刷，使得应用场合更为广泛，并且我国拥有丰富的稀土资源，能为永磁同步电机的发展提供丰富的物质资源。这些都使得永磁同步电机在多个领域得到快速的应用和发展。
越来越多的国内外学者对永磁同步电机的调速算法进行研究。通常情况下，永磁同步电机驱动控制采用矢量控制或者直接转矩，系统最终通过电压控制逆变器驱动电机。其系统响应速度一般，而且对电流跟踪控制的响应速度和稳态精度并不十分理想。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法，增强系统响应，提高电机电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。
本发明系统采用以下技术方案：
包括直流电源、逆变器、永磁同步电机、转速PI控制器、模糊逻辑控制器、坐标转换模块、三态滞环比较器、电流传感器、霍尔传感器、位置和转速产生单元、速度调节器和电流调节器；其中，直流电源与逆变器的每个桥臂相连，逆变器各桥臂中性点与永磁同步电机相连，永磁同步电机同时与霍尔传感器和电流传感器相连；电流传感器与电流调节器相连；
霍尔传感器连接位置和转速产生单元，位置和转速产生单元同时与速度调节器和坐标转换模块相连，速度调节器同时与转速PI控制器、微分单元以及模糊逻辑控制器相连，转速PI控制器与坐标转换模块相连；坐标转换模块与电流调节器相连，电流调节器和模糊逻辑控制器均与用于输出控制信号的三态滞环比较器相连，三态滞环比较器连接永磁同步电机；
电流传感器用于检测永磁同步电机的三相电流；霍尔传感器用于检测永磁同步电机的霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元计算出速度和位置后，分别送到速度调节器和坐标转换模块；速度调节器用于获取速度误差，微分单元用于根据速度误差获得误差变化量，将速度误差和误差变化量作为模糊逻辑控制器输入，模糊逻辑控制器的输出量H作为环宽输入到三态滞环比较器中；坐标转换模块用于获得三相参考电流，电流调节器用于获得三相电流误差，三态滞环控制器根据输入的三相电流误差和输出量H产生逆变器的控制信号，输入到逆变器，控制永磁同步电机运转。
进一步地，模糊逻辑控制器包括解模糊模块、含有输入输出模糊集的模糊化模块以及含有知识库的模糊推理模块；模糊化模块用于对输入进行模糊化处理，模糊推理模块用于对模糊化处理的结果进行模糊化推理，解模糊模块用于对模糊化推理的输出进行解模糊处理，得到输出量H。
进一步地，知识库包括数据集和规则集。
本发明控制方法，包括以下步骤：
S1、对系统进行初始化，电流传感器和霍尔传感器分别采集永磁同步电机的电机实际电流信号和霍尔信号，霍尔信号送到位置和转速产生单元，解析出永磁同步电机的转子位置信号θ和速度信号ω后分别送到坐标转换模块和速度调节器中；采集到的实际电流信号iA、iB和iC送到电流调节器中；
S2、系统设置的参考速度ω*和反馈的速度信号ω经过速度调节器，得到转速的误差信号E，转速的误差信号E分别经PI控制器得到q轴参考电流
Figure BDA0002091981310000021
经微分得到信号EC，E和EC两路信号一同输入到模糊逻辑控制器；
S3、系统设置d轴参考电流
Figure BDA0002091981310000031
为0，将
Figure BDA0002091981310000032
和
Figure BDA0002091981310000033
一同输入到坐标转换模块，得到永磁同步电机的三相参考电流
Figure BDA0002091981310000034
和
Figure BDA0002091981310000035
S4、步骤S3得到的三相参考电流
Figure BDA0002091981310000036
和
Figure BDA0002091981310000037
与实际电流信号iA、iB和iC经过电流调节器，得到三相电流误差
Figure BDA0002091981310000038
和
Figure BDA0002091981310000039
三个误差信号
Figure BDA00020919813100000310
和
Figure BDA00020919813100000311
输入到三态滞环比较器中；
S5、根据步骤S2，模糊逻辑控制器获得输出量H并输出到三态滞环比较器，输出量H作为三态滞环比较器的环宽；根据步骤S4得到的电流误差
Figure BDA00020919813100000312
和
Figure BDA00020919813100000313
与环宽对比，根据三态滞环比较器的规则输出六路控制逆变器的信号，控制六个功率开关管的状态，完成永磁同步电机模糊滞环电流控制。
进一步地，步骤S3中，通过坐标转换，得到三相参考电流
Figure BDA00020919813100000314
和
Figure BDA00020919813100000315
如下：
Figure BDA00020919813100000316
其中，θ为永磁同步电机的转子位置信号，io *为永磁同步电机的dqo坐标原点矢量。
进一步地，步骤S4中，永磁同步电机的三个误差信号
Figure BDA00020919813100000317
和
Figure BDA00020919813100000318
为：
Figure BDA00020919813100000319
进一步地，输出量H的获取步骤包括：首先对输入信号进行模糊化处理，然后根据设置的数据集和规则集进行模糊化推理，得到模糊输出量M；最后采用加权平均法对模糊输出量M进行解模糊处理，最终得到输出量H。
进一步地，对输入信号进行模糊化处理的具体步骤是：先将E和EC分别取倒数，输出模糊输入量A和B，A和B的值限定在(-1,1)区间内；定义E和EC以及输出量H的模糊集及其论域，求得E和EC的隶属度函数；
模糊化推理的具体步骤是：根据设定的规则R对模糊输入量A和B进行模糊推理，输出模糊输出量M；其中
Figure BDA0002091981310000041
解模糊处理的具体步骤是：采用加权平均法，对模糊输出量M中各元素及其对应的隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，得到输出量H。
进一步地，H作为步骤S5中三态滞环比较器的环宽值，此时的三态滞环比较器的规则有：
Figure BDA0002091981310000042
其中，j＝A、B、C，
Figure BDA0002091981310000043
为误差信号，kj为电机各相桥臂的开关状态。
进一步地，根据得到的各相桥臂的开关状态，控制各个桥臂上功率开关器件的开通和关断。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于模糊三态滞环电流控制的永磁同步电机调速系统，采用双闭环的方式进行控制，转速PI控制器将转速误差进行调节，输出q轴参考电流，设置d轴电流为0，从而形成旋转坐标系的两相电流；坐标转换模块将两相旋转坐标系的电流转化为三相静止坐标系的电流；模糊逻辑控制器将转速误差和误差变化率转化为输出量H，作为三态滞环比较器的环宽；三态滞环控制器根据滞环规则将三相电流误差进行调节，输出六路的逆变器控制信号；从而实现六路信号分别控制逆变器六个功率开关管的开断，实现对电机的控制；霍尔传感器和电流传感器与电机相连，从而能够较快的获得电流和霍尔信号，较快的反馈到相应模块；霍尔传感器与位置和转速产生单元相连，可以将霍尔信号解析为转速和位置信号，分别送到相应的模块，这样设计增加了系统的稳定性。
本发明还公开了基于模糊三态滞环电流控制的永磁同步电机调速方法，运用模糊控制对三态滞环比较器的环宽值进行调整，模糊控制与滞环控制相结合，可以较好的提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，有效的实现电机的控制，使得电机控制也得到有效改善。本发明采用双闭环控制策略，模糊逻辑控制器控制为前馈控制，两部分组合起来较好的对三态滞环比较器进行调节，增强了系统稳定性和鲁棒性，提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，从而实现对电机的更有效控制。
附图说明
图1为本发明控制方法的系统框图；
图2为本发明三相永磁同步电机逆变器拓扑图；
图3为本发明中总体控制策略流程图；
图4为本发明模糊逻辑控制器组成图；
图5为本发明模糊规则库中输入量E的隶属度函数图；
图6为本发明模糊规则库中输入量EC的隶属度函数图；
图7为本发明模糊规则库中输出量H的隶属度函数图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
请参阅图1，本发明提供了基于模糊三态滞环电流控制的永磁同步电机调速方法，本发明永磁同步电机模糊滞环电流控制系统包括直流电源，逆变器、永磁同步电机、转速PI控制器、模糊逻辑控制器、坐标转换模块、三态滞环比较器、电流传感器、霍尔传感器、位置和转速产生单元、速度调节器和电流调节器等；
其中，电源两端与逆变器两端相连，具体是直流电源与逆变器的三个桥臂相连；三相永磁同步电机与逆变器各桥臂中性点相连，如图2所示；速度调节器与模糊逻辑控制器、微分单元、位置和转速产生单元以及转速PI控制器相连，转速PI控制器与坐标转换模块相连，坐标转换模块与电流调节器、位置和转速产生单元相连，同时模糊逻辑控制器、三态滞环比较器与逆变器相连，位置和转速产生单元与霍尔传感器相连，霍尔传感器和电流传感器均与永磁同步电机相连。
用电流传感器来检测永磁同步电机的三相电流；用霍尔传感器来检测电机的霍尔信号送到位置和转速产生单元。位置和转速产生单元计算出速度和角度后，分别送到速度调节器和坐标转换模块。模糊逻辑控制器的输出量H输入到三态滞环比较器中，输出量H为三态滞环比较器的环宽。
可选的，逆变器根据三态滞环比较器输出的信号控制功率开关管的开关状态，根据三态滞环比较器的规则产生三种不同的输出信号，每种输出信号组成的拓扑结构对应双永磁同步电机的一种工作模式，每种工作模式所表示永磁同步电机运行时的工作状态；
根据工作需要输入给定速度，与反馈回路的反馈速度对比后，经过转速PI调节器，输出q轴的参考电流，同时速度误差E与速度误差求导后EC输入到模糊逻辑控制器中，输出信号H来调节三态滞环比较器的环宽；
然后设置d轴参考电流为0，q轴参考电流和d轴参考电流经坐标转换单元得到三相参考电流，三相参考电流分别与反馈回路的三相电流经过电流比较模块，产生三相电流误差，输入到滞环控制器中，根据三态滞环比较器的规则产生的六路逆变器的控制信号，分别控制逆变器中的六个功率开关管，从而控制永磁同步电机正常运转。
可选的，用电流传感器来检测永磁同步电机的三相电流；用霍尔传感器来检测电机的霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元计算出速度和角度后，分别送到速度调节器和坐标转换模块；
模糊逻辑控制器的输出量H输入到三态滞环比较器中，输出量H为三态滞环比较器的环宽。此时滞环比较器可以输出三种信号：(1)上桥臂关断，下桥臂开通；(2)上桥臂开通，下桥臂关断；(3)上桥臂关断，下桥臂关断。所以三态滞环控制器根据输入的三路电流参考信号和实际电流信号可以产生六路逆变器的控制信号，输入到逆变器从而控制永磁同步电机运转。
基于模糊三态滞环电流控制的永磁同步电机调速方法，利用永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，将速度误差和误差变化量作为模糊逻辑控制器输入，输出量H作为环宽应用在三态滞环比较器中，与滞环控制器输出信号匹配，控制PWM产生相应占空比的六路PWM信号，控制逆变器的六个功率开关管，控制电机稳定运行，本发明与传统方法相比，电流跟踪控制的响应速度和稳态精度较好。
具体的工作原理如下：
S1、对系统进行初始化，电流传感器和霍尔传感器分别采集三相永磁同步电机PMSM的电机实际电流信号和霍尔信号，霍尔信号送到位置和转速产生单元，解析出PMSM的转子位置信号θ和速度信号ω后分别送到坐标转换模块和速度调节器中；采集到的实际电流信号iA、iB、iC送到电流调节器中；
S2、系统设置的参考速度ω*和反馈速度ω经过速度调节器，得到转速的误差信号E，速度误差分别经PI控制器得到q轴参考电流
Figure BDA0002091981310000071
误差信号E经微分得到信号EC，E和EC两路信号一同输入到模糊逻辑控制器；
S3、系统设置d轴参考电流
Figure BDA0002091981310000072
为0，dq轴电流
Figure BDA0002091981310000073
和
Figure BDA0002091981310000074
一同输入到坐标转换模块，通过坐标转换，得到PMSM的三相参考电流
Figure BDA0002091981310000075
Figure BDA0002091981310000076
S4、步骤S3得到的三相参考电流
Figure BDA0002091981310000077
与反馈回路的三相电流iA、iB、iC经过电流调节器，得到三相电流误差
Figure BDA0002091981310000078
三相永磁同步电机M1支路的三个误差信号
Figure BDA0002091981310000079
Figure BDA00020919813100000710
输入到三态滞环比较器中；
Figure BDA0002091981310000081
S5、根据步骤S2，模糊逻辑控制器输出信号H到三态滞环比较器，输出量H作为滞环比较器的环宽。根据步骤S4得到的电流误差
Figure BDA0002091981310000082
与环宽对比，根据滞环比较器的规则输出六路控制逆变器的信号。
根据S2中模糊推理后得到H作为S5中滞环比较器的环宽值，此时的三态滞环比较器的规则有：
Figure BDA0002091981310000083
其中，j＝A、B、C，
Figure BDA0002091981310000084
为误差信号，kj为电机各相桥臂的开关状态。
S6、根据得到的各相桥臂的开关状态，控制各个桥臂上功率开关器件的开通和关断。即根据六路控制逆变器的信号，从而控制六个功率开关管的状态，使得永磁同步电机正常运转，以上可以总结出图3所示的总体控制流程图。
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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
模糊逻辑控制器
模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller—FLC)也称为模糊控制器(FuzzyController—FC)，原理图参照图4，包含模糊化模块，模糊推理模块，解模糊模块和知识库。模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为基础的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。首先需要对输入进行模糊化处理，然后根据设置的数据集和规则集进行模糊化推理，最后通过解模糊模块把输出进行解模糊处理，最终得到控制量的输出信号。
(1)定义输入输出模糊集
首先将参考速度
Figure BDA0002091981310000091
与实际速度ω1差值为E、差值变化率EC按下列公式取倒数，输出模糊输入量A和B，将其值限定在(-1,1)区间内。
Figure BDA0002091981310000092
设模糊逻辑控制器输入量E和EC及输出量H的模糊集及其论域定义如下：
E、EC和G的模糊集均为：{NB,NS,Z,PS,PB}，对应的物理状态分别是{远低于设定范围下限，微低于设定范围下限，在设定范围内，微高于设定范围上限，远高于设定范围上限}。E’、EC’的论域均为：{-1，-0.5，0，0.5，1}。得速度误差E、误差变化EC的隶属度见表1：
表1电压误差E、误差变化EC、输出量H的隶属度
Figure BDA0002091981310000093
本发明采用正态形隶属度函数作为模糊控制系统子集的隶属度函数，它曲线形状平缓，其控制性能也比较平缓，系统稳定性较好，其数学表达式为：
Figure BDA0002091981310000101
根据以上规则画出模糊控制器输入E、EC和输出量的各个隶属度函数在MATLAB分布分别如图5、图6和图7所示。
(2)本发明采用的模糊推理方法Mamdani推理法，Mamdani是模糊控制中普遍使用的方法，其本质是一种合成推理方法，规则库中第i条规则表示为
Ri：“If E is A and EC is B,then U is C.”
其中C为模糊输出量。蕴含的模糊关系为
Ri＝(Ai×Bi)×Ci
控制规则库中规则之间可以看做是“或”，也就是“求并”的关系，则整个规则库蕴含的模糊关系为：
Figure BDA0002091981310000102
根据现场实际操作经验制定的模糊控制规则见表2，共25条。
表2模糊控制规则
Figure BDA0002091981310000103
根据输入量进行模糊推理，根据公式
Figure BDA0002091981310000104
(3)输出模糊输出量M，对模糊输出量M进行解模糊处理，采用加权平均法，对模糊输出量中各元素及其对应的隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，来得到精确输出控制量H。经过模糊控制器得到的精确输出量H，与滞环控制器的环宽进行匹配，根据滞环规则输出相应六路逆变器控制信号，从而控制六个功率开关管。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，其特征在于；包括以下步骤：
S1、对系统进行初始化，电流传感器和霍尔传感器分别采集永磁同步电机的电机实际电流信号和霍尔信号，霍尔信号送到位置和转速产生单元，解析出永磁同步电机的转子位置信号θ和速度信号ω后分别送到坐标转换模块和速度调节器中；采集到的实际电流信号iA、iB和iC送到电流调节器中；
S2、系统设置的参考速度ω*和反馈的速度信号ω经过速度调节器，得到转速的误差信号E，转速的误差信号E分别经PI控制器得到q轴参考电流
Figure FDA0002780498020000011
经微分得到信号EC，E和EC两路信号一同输入到模糊逻辑控制器；
S3、系统设置d轴参考电流
Figure FDA0002780498020000012
为0，将
Figure FDA0002780498020000013
和
Figure FDA0002780498020000014
一同输入到坐标转换模块，得到永磁同步电机的三相参考电流
Figure FDA0002780498020000015
和
Figure FDA0002780498020000016
通过坐标转换，得到三相参考电流
Figure FDA0002780498020000017
和
Figure FDA0002780498020000018
如下：
Figure FDA0002780498020000019
其中，θ为永磁同步电机的转子位置信号，io *为永磁同步电机的dqo坐标原点矢量；
S4、步骤S3得到的三相参考电流
Figure FDA00027804980200000110
和
Figure FDA00027804980200000111
与实际电流信号iA、iB和iC经过电流调节器，得到三相电流误差
Figure FDA00027804980200000112
和
Figure FDA00027804980200000113
三个误差信号
Figure FDA00027804980200000114
和
Figure FDA00027804980200000115
输入到三态滞环比较器中，永磁同步电机的三个误差信号
Figure FDA00027804980200000116
和
Figure FDA00027804980200000117
为：
Figure FDA00027804980200000118
S5、根据步骤S2，模糊逻辑控制器获得输出量H并输出到三态滞环比较器，输出量H作为三态滞环比较器的环宽；根据步骤S4得到的电流误差
Figure FDA00027804980200000119
和
Figure FDA00027804980200000120
与环宽对比，根据三态滞环比较器的规则输出六路控制逆变器的信号，控制六个功率开关管的状态，完成永磁同步电机模糊滞环电流控制；
输出量H的获取步骤包括：首先对输入信号进行模糊化处理，然后根据设置的数据集和规则集进行模糊化推理，得到模糊输出量M；最后采用加权平均法对模糊输出量M进行解模糊处理，最终得到输出量H。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，其特征在于；对输入信号进行模糊化处理的具体步骤是：先将E和EC分别取倒数，输出模糊输入量A和B，A和B的值限定在(-1,1)区间内；定义E和EC以及输出量H的模糊集及其论域，求得E和EC的隶属度函数；
模糊化推理的具体步骤是：根据设定的规则R对模糊输入量A和B进行模糊推理，输出模糊输出量M；其中
Figure FDA0002780498020000021
解模糊处理的具体步骤是：采用加权平均法，对模糊输出量M中各元素及其对应的隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，得到输出量H。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，其特征在于；H作为步骤S5中三态滞环比较器的环宽值，此时的三态滞环比较器的规则有：
Figure FDA0002780498020000022
其中，j＝A、B、C，
Figure FDA0002780498020000023
为误差信号，kj为电机各相桥臂的开关状态。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，其特征在于；根据得到的各相桥臂的开关状态，控制各个桥臂上功率开关器件的开通和关断。
5.一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，其特征在于：利用权利要求1所述的一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，包括直流电源、逆变器、永磁同步电机、转速PI控制器、模糊逻辑控制器、坐标转换模块、三态滞环比较器、电流传感器、霍尔传感器、位置和转速产生单元、速度调节器和电流调节器；其中，直流电源与逆变器的每个桥臂相连，逆变器各桥臂中性点与永磁同步电机相连，永磁同步电机同时与霍尔传感器和电流传感器相连；电流传感器与电流调节器相连；
霍尔传感器连接位置和转速产生单元，位置和转速产生单元同时与速度调节器和坐标转换模块相连，速度调节器同时与转速PI控制器、微分单元以及模糊逻辑控制器相连，转速PI控制器与坐标转换模块相连；坐标转换模块与电流调节器相连，电流调节器和模糊逻辑控制器均与用于输出控制信号的三态滞环比较器相连，三态滞环比较器连接永磁同步电机；
电流传感器用于检测永磁同步电机的三相电流；霍尔传感器用于检测永磁同步电机的霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元计算出速度和位置后，分别送到速度调节器和坐标转换模块；速度调节器用于获取速度误差，微分单元用于根据速度误差获得误差变化量，将速度误差和误差变化量作为模糊逻辑控制器输入，模糊逻辑控制器的输出量H作为环宽输入到三态滞环比较器中；坐标转换模块用于获得三相参考电流，电流调节器用于获得三相电流误差，三态滞环控制器根据输入的三相电流误差和输出量H产生逆变器的控制信号，输入到逆变器，控制永磁同步电机运转。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，其特征在于：模糊逻辑控制器包括解模糊模块、含有输入输出模糊集的模糊化模块以及含有知识库的模糊推理模块；模糊化模块用于对输入进行模糊化处理，模糊推理模块用于对模糊化处理的结果进行模糊化推理，解模糊模块用于对模糊化推理的输出进行解模糊处理，得到输出量H。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，其特征在于：知识库包括数据集和规则集。
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