CN110266227A - 一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机领域，并公开了一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统。该系统包括：传感器模块、永磁同步电机、模糊滑膜控制器模块、Clark变换模块、Park变换模块、PI控制器模块、dq/αβ转换模块、SVPWM模块和逆变器模块，其中，模糊滑膜控制器模块包括滑膜变结构控制器和模糊控制器，滑膜变结构控制器用于构建指令转速与实际转速之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系，并利用该关系计算获得q轴的额定电流模糊控制器用于实时调节滑膜参数ε，以此提高电机的响应速度。通过本发明，有效提高永磁同步电机的控制性能，减小转速超调，削减滑膜变结构带来的抖振问题，提高系统的自适应能力以及鲁棒性。

Description

一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机领域，更具体地，涉及一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统。

背景技术

永磁同步电机因为其使用方便、可靠性高、性能优越等优点，广泛运用于交流伺服系统中。传统的PID控制算法简单，可靠性高，一定程度上能够满足控制要求，但在外界扰动过大或精度要求高时，难以满足调速要求。

近年来，包活模糊控制、滑模控制在内的许多现代控制理论被逐渐应用到永磁同步电机的调速系统中。其中，滑模变结构控制因具有很强的鲁棒性以及对系统参数要求低等优点得到越来越多学者的关注，并在电机的伺服控制中得到应用。

目前，对永磁同步电机的控制中，存在如下问题：永磁同步伺服系统性能的优劣影响着数控机床的加工质量。永磁同步电机是一个具有强耦合、多变量、非线性特点的复杂控制系统，在运动过程中容易受到内部参数摄动、外界干扰等因素的影响。传统上永磁同步电机一般采用PI控制，PI控制属于线性控制，鲁棒性极差，因此用于永磁同步电机伺服控制效果不佳。基于此，将滑模变结构控制应用于电机伺服控制，该控制方式具有较强鲁棒性，控制效果较好。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，通过将模糊滑膜变结构模块的设计，使得滑膜变结构控制器和模糊控制器相结合，其中通过采用模糊控制器对滑膜控制器参数进行调整，以此对滑膜变结构控制器的输出进行调节，进而提高电机的响应时间，有效提高永磁同步电机的控制性能，减小转速超调，削减滑膜变结构带来的抖振问题，提高系统的自适应能力以及鲁棒性。

实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，该系统包括：传感器模块、永磁同步电机、模糊滑膜控制器模块、Clark变换模块、Park变换模块、PI控制器模块、dq/αβ转换模块、SVPWM模块和逆变器模块，其中：

所述传感器模块与所述永磁同步电机连接，用于检测所述永磁同步电机的三相电流、实际转速ω和转子位置θ；

所述模糊滑膜控制器模块与所述传感器模块连接，用于将预设的永磁同步电机的指令转速ω^*与所述实际转速ω之差转换为q轴的额定电流

所述Clark变换模块用于与所述传感器模块连接，用于将所述永磁同步电机三相电流转换为α轴的电流I_α和β轴的电压I_β；

所述Park变换模块与所述Clark变换模块和传感器模块同时连接，用于接受所述α轴的电流I_α、β轴的电压I_β和转子位置θ转换为q的实际电流i_q和d轴的实际电流i_d；

所述PI控制器同时与所述模糊滑膜控制器模块和Clark和Park变换模块连接，用于将所述q轴的额定电流和实际电流i_q之差，以及d轴的额定电流和实际电流i_d之差分别转化为q的实际电压U_q和d轴的实际电压U_d；

所述dq/αβ转换模块与所述PI控制器模块连接，用于将所述q的实际电压U_q、d轴的实际电压U_d和转子位置θ转换为α轴的电压U_α和β轴的电压U_β；

所述SVPWM模块与所述dq/αβ转换模块连接，用于将α轴的电压U_α、β轴的电压U_β和母线电压转化为六路PWM波；

所述逆变器模块与所述SVPWM模块连接，用于根据接受到的所述六路PWM波对所述六路PWM波中的功率开关进行开或断；

所述永磁同步电机与所述逆变器模块相连，根据所述功率开关的开或断调节所述永磁同步电机的实际电压，进而调节其实际转速，由此，实现对所述永磁同步电机转速的控制。

进一步优选地，所述模糊滑膜控制器模块包括滑膜变结构控制器和模糊控制器，所述滑膜变结构控制器用于构建所述指令转速ω^*与实际转速ω之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系，并利用该关系计算获得所述q轴的额定电流所述模糊控制器用于实时调节滑膜参数ε，以此提高电机的响应速度。

进一步优选地，所述指令转速ω^*与实际转速ω之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系优选按照下列表达式：

其中，D是常量，s是滑膜切换函数，x₂是中间变量，x₂＝d(ω^*-ω)/dt，c是滑模面系数，ε是指数趋近率系数，k是指数趋近率系数，t是采样时间，τ是积分变量。

进一步优选地，所述常量D优选按照下列表达式进行：

其中，p_n是极对数，是磁链系数，J是转动惯量。

进一步优选地，所述滑膜切换函数s优选按照下列表达式进行：

s＝cx₁+x₂

其中，x₁＝ω^*-ω，x₁、x₂是系统变量，c是滑模参数。

进一步优选地，所述模糊控制器优选设置为两个输入，一个输出，其中输入为滑膜切换函数s和其对时间的微分ds/dt，输出为滑膜参数ε。

进一步优选地，所述d轴的额定电流为0。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方

案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过模糊滑膜控制器模块的设计，有效的将模糊控制器和滑膜变结构控制器结构，其中通过模糊控制器对滑膜参数的实时优化，使得滑膜变结构控制器能快速的对电机状态变化发生响应，减小转速超调，并削减单独采用滑膜变结构控制器带来的抖振问题，有效提高永磁同步电机的控制性能，提高系统的自适应能力以及鲁棒性；

2、本发明中提供的基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，整体结构简单，模糊滑膜控制器模块的设计过程简单但效果明显，使得电机即便添加负载之后仍具有很强的鲁棒性,能快速恢复到指令转速，稳定性强。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机矢量控制系统结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的模糊滑膜变结构控制模块的原理图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的模糊控制器的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的滑膜变结构控制器的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的滑膜切换函数和切换函数导数的隶属度函数；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的Δε隶属度函数；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的模糊控制器输入输出的3D效果图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的模糊滑膜变结构控制输出ε；

图9是按照本发明的优选实施例所构建的传统PI控制与模糊变结构控制转速波形图；

图10是按照本发明的优选实施例所构建的模糊变结构控制与变结构控制转速波形图；

图11是按照本发明的优选实施例所构建的模糊变结构控制与PI控制在突加负载时转速波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，该系统包括：传感器模块、永磁同步电机、模糊滑膜控制器模块、Clark变换模块、Park变换模块、PI控制器模块、dq/αβ转换模块、SVPWM模块和逆变器模块，其中：

所述传感器模块与所述永磁同步电机连接，用于检测所述永磁同步电机的三相电流、实际转速ω和转子位置θ；

所述模糊滑膜控制器模块与所述传感器模块连接，用于将预设的永磁同步电机的指令转速ω^*与所述实际转速ω之差转换为q轴的额定电流

所述Clark变换模块用于与所述传感器模块连接，用于将所述永磁同步电机三相电流转换为α轴的电流I_α和β轴的电压I_β；

所述Park变换模块与所述Clark变换模块和传感器模块同时连接，用于接受所述α轴的电流I_α、β轴的电压I_β和转子位置θ转换为q的实际电流i_q和d轴的实际电流i_d；

所述PI控制器同时与所述模糊滑膜控制器模块和Clark和Park变换模块连接，用于将所述q轴的额定电流和实际电流i_q之差，以及d轴的额定电流和实际电流i_d之差分别转化为q的实际电压U_q和d轴的实际电压U_d；

所述dq/αβ转换模块与所述PI控制器模块连接，用于将所述q的实际电压U_q、d轴的实际电压U_d和转子位置θ转换为α轴的电压U_α和β轴的电压U_β；

所述SVPWM模块与所述dq/αβ转换模块连接，用于将α轴的电压U_α、β轴的电压U_β和母线电压转化为六路PWM波；

所述逆变器模块与所述SVPWM模块连接，用于根据接受到的所述六路PWM波对所述六路PWM波中的功率开关进行开或断；

所述永磁同步电机与所述逆变器模块相连，根据所述功率开关的开或断调节所述永磁同步电机的实际电压，进而调节其实际转速，由此，实现对所述永磁同步电机转速的控制。

进一步地，所述d轴的额定电流为0。

进一步地，所述模糊滑膜控制器模块包括滑膜变结构控制器和模糊控制器，所述滑膜变结构控制器用于构建所述指令转速ω^*与实际转速ω之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系，并利用该关系计算获得所述q轴的额定电流所述模糊控制器用于实时调节滑膜参数ε，以此提高电机的响应速度。

对于所述滑膜变结构控制器，其具体设置过程如下：

PMSM的dq轴数学模型为：

式中：u_d、u_q、i_d、i_q分别为定子电压、电流交直轴分量；R为定子绕组电阻；ω_m是机械角度；L_d、L_q分别为定子绕组直轴、交轴电感；L_s为定子电感；为永磁体磁链；p_n为极对数；J为转动惯量；T_L为负载转矩。

考虑到一般情况下的非线性系统

其中，x∈Rⁿ，u∈R^m分别为系统的状态和控制变量。

确定滑膜面函数

s(x，t)，s∈R^m (3)

求解控制器函数

其中使得:(1)滑动模态存在；(2)满足可达性条件，在滑膜面s(x，t)＝0以外的运动点都将在有限的事件内达到滑膜面，即(3)保证滑膜运动的稳定性；(4)到达控制系统的动态品质要求。

采用矢量控制策略，i_d＝0，由(1)可得

选取PMSM系统的状态变量，

其中ω^*为电机的参考转速，通常为一常量；ω为实际转速。根据方程式(5)和(6)可得PMSM的状态方程为

令u＝di_q/dt，则式(7)可变为

定义滑膜面函数为

s＝cx₁+x₂ (9)

其中，c>0为待设计参数。

对(9)式求导，可得

采用指数趋近率

由式(8)和式(9)和式(11)可得控制器的表达式为

所以q轴额定电流可以表示为

在本实施例中，永磁同步电机的参数设置如下：J＝8×10-5，p_n＝4，c＝1370，ε＝261，k＝9。

对于所述模糊控制器而言，其具体的设置过程如下：

将滑膜切换函数s及其导数ds/dt最为模糊控制器的输入，将滑膜控制器的参数ε作为模糊控制器的输出，选择模糊控制器的模糊化变量，定义模糊集和论域，设计为二输入(s,ds/dt)单输出(ε)的模糊控制器；

通过专家经验法确定模糊控制器的模糊控制规则，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊值。

本实施例中，定义输出变化范围为[-3，3]；

模糊集为：PB＝正大PM＝正中PS＝正小NS＝负小NM＝负中NB＝负大，则：

s＝{NB NM NS ZO PS PM PB}

Δε＝{NB NM NS ZO PS PM PB}

相应的论域为：

s＝{-3-2-10+1+2+3}

Δε＝{-3-2-10+1+2+3}

模糊变化量均选择三角形隶属度函数，确定模糊控制器的模糊控制规则，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊值，模糊控制规则的思想是使滑膜控制器稳定，即成立，根据这个思想涉及的模糊控制规则表如表一。

表一模糊控制规则

模糊控制器的输入和输出的隶属度函数如图5和6所示:均为三角形隶属度函数。

模糊控制器输入输出的3D效果图，如图7所示,可以清楚的看到其中的对应关系。当系统状态点距离滑膜面近时，为了削减抖振,使得ε小；距离滑模面远时，使ε大，使其快点趋近滑模面。

ε的输出变化情况如图8所示，可以发现在模糊控制作用下,ε根据情况实时调节,起到最佳控制效果。

采用重心法将推论所得的模糊值转换为明确的控制信号，即滑膜参数ε的精确值，作为滑膜变结构控制器的输入，重心法的公式为：

其中，f(k)为转换后明确的控制信号值，n为模糊控制规则的条数，u(i)为第i条模糊控制规则的隶属度，x_i为第i条模糊控制规则下的模糊值。

以下对本实施例进行了实验验证，实验条件给定转速1000r/min，负载转矩为0启动，在0.1s时突施加转矩0.2N*m，仿真时间为0.2s，图9是传统PI控制与本实施例方法控制下的转速波形图；图10是变结构控制与本实施例方法控制下的转速波形图；图11是在突然施加转矩的情形下PI控制与本实施例方法控制下的转速图。从图9和图10中对比可以看出，基于本实施例的控制方法，可以有效的降低转速的超调量，转速几乎无超调。从图11可以看出基于本实施例方法控制下的永磁同步电机对于负载扰动及转速变化具有很好的鲁棒性，系统具有较高的稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，该系统包括：传感器模块、永磁同步电机、模糊滑膜控制器模块、Clark变换模块、Park变换模块、PI控制器模块、dq/αβ转换模块、SVPWM模块和逆变器模块，其中：

所述传感器模块与所述永磁同步电机连接，用于检测所述永磁同步电机的三相电流、实际转速ω和转子位置θ；

所述模糊滑膜控制器模块与所述传感器模块连接，用于将预设的永磁同步电机的指令转速ω^*与所述实际转速ω之差转换为q轴的额定电流

所述Clark变换模块用于与所述传感器模块连接，用于将所述永磁同步电机三相电流转换为α轴的电流I_α和β轴的电压I_β；

所述Park变换模块与所述Clark变换模块和传感器模块同时连接，用于接受所述α轴的电流I_α、β轴的电压I_β和转子位置θ转换为q的实际电流i_q和d轴的实际电流i_d；

所述PI控制器同时与所述模糊滑膜控制器模块和Clark和Park变换模块连接，用于将所述q轴的额定电流和实际电流i_q之差，以及d轴的额定电流和实际电流i_d之差分别转化为q的实际电压U_q和d轴的实际电压U_d；

所述dq/αβ转换模块与所述PI控制器模块连接，用于将所述q的实际电压U_q、d轴的实际电压U_d和转子位置θ转换为α轴的电压U_α和β轴的电压U_β；

所述SVPWM模块与所述dq/αβ转换模块连接，用于将α轴的电压U_α、β轴的电压U_β和母线电压转化为六路PWM波；

所述逆变器模块与所述SVPWM模块连接，用于根据接受到的所述六路PWM波对所述六路PWM波中的功率开关进行开或断；

所述永磁同步电机与所述逆变器模块相连，根据所述功率开关的开或断调节所述永磁同步电机的实际电压，进而调节其实际转速，由此，实现对所述永磁同步电机转速的控制。

2.如权利要求1所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述模糊滑膜控制器模块包括滑膜变结构控制器和模糊控制器，所述滑膜变结构控制器用于构建所述指令转速ω^*与实际转速ω之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系，并利用该关系计算获得所述q轴的额定电流所述模糊控制器用于实时调节滑膜参数ε，以此提高电机的响应速度。

3.如权利要求2所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述指令转速ω^*与实际转速ω之差、滑膜参数ε以及q轴的额定电流之间的关系优选按照下列表达式：

其中，D是常量，s是滑膜切换函数，x₂是中间变量，x₂＝d(ω^*-ω)/dt，c是滑模面系数，ε是指数趋近率系数，k是指数趋近率系数，t是采样时间，τ是积分变量。

4.如权利要求3所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述常量D优选按照下列表达式进行：

其中，p_n是极对数，是磁链系数，J是转动惯量。

5.如权利要求3所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述滑膜切换函数s优选按照下列表达式进行：

s＝cx₁+x₂

其中，x₁＝ω^*-ω，x₁、x₂是系统变量，c是滑模面系数。

6.如权利要求2所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述模糊控制器优选设置为两个输入，一个输出，其中输入为滑膜切换函数s和其对时间的微分ds/dt，输出为滑膜参数ε。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于模糊滑膜变结构的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述d轴的额定电流为0。