CN111654218A - 改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统 - Google Patents

改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统，包括：位置检测模块，改进模糊控制模块，转矩分配函数模块，转矩特性表估算模块，转矩滞环模块，功率变换器模块以及开关磁阻电机。本控制系统外环为改进模糊的控制方法，所述改进模糊控制模块对比例因子Ke和Ku进行自整定，将给定转矩送给转矩分配函数模块，本控制系统内环为转矩分配函数的控制方法，函数本体采用余弦型分配函数，可以让转矩分配函数的开通角大于电机实际开通角，使得在电感变化率变化比较大的时候开始分配转矩，从而实现电机的实际转矩能更好的跟踪给定转矩，本发明可以较快的提高电机的转速响应速度及其运行性能，降低换相期间的转矩脉动，很好的保障了电机的正常运行。

Description

改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统。
背景技术
关于电机控制过程中检索到如下三个专利：
1.一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法(申请号：CN201811111081.7)，在该发明中采用自适应模糊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，即采用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，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。
第二个专利：2.一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法(申请号：CN201910624331.5)，公开的技术方案是：给定转速与实际转速作差构成转速误差信号，该信号及其变化率都做为模糊控制器的输入信号，通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，输出动态参数△Kp和△Ki，这两个参数分别决定分数阶PI控制器模块的控制参数Kp和Ki，得到的参数Kp和Ki直接作用于被控对象，如此实现模糊自适应分数阶PI控制算法，转速误差信号通过模糊自适应分数阶PI控制器输出给定力矩值，与转矩计算模块输出的反馈力矩值经过做差得到力矩误差信号进入PWM模块中，PWM模块输出信号经不对称半桥驱动电路的放大来驱动开关磁阻电机运行。
第三个专利是：3.一种改进PID控制的开关磁阻电机转矩控制系统(申请号：CN201811495606.1)，其中技术方案是：根据单神经元PID和开关磁阻电机特性，采用微分先行代替原有的微分，即微分先行单神经元PID速度控制器；并且引入模糊控制对微分先行单神经元PID的输出增益进行调节，构成模糊—微分先行单神经元PID速度控制器，该控制器根据给定转速和实际转速得到参考转矩，该参考转矩与测量转矩之差为总的转矩偏差接入转矩分配模块，通过转矩分配函数得到开关磁阻电机的各相转矩偏差，送入转矩滞环控制器，由各相转矩偏差得到开关磁阻电机各相的控制信号，各相控制信号作为功率变换器的输入信号，功率变换器对开关磁阻电机的三相输入电流进行控制。
由于开关磁阻电机调速系统兼有直流调速系统的控制电路简单、调速性能好、高效率的特点和交流变频调速系统电机坚固耐用、结构简单的特点，是一种性价比较高的调速系统。然而，开关磁阻电机的双凸极结构和开关供电通断变换方式引起转矩脉动大的特点，限制了其的发展。由于开关磁阻电机高度非线性及变结构、多变量耦合的特点，常规的PID速度控制器结构虽简单，但难以达到好的控制效果。一种基于复合模糊控制的开关磁阻电机调速装置及方法虽然采用了模糊控制，但是其是根据转速差和转速差的变化率而采用固定的模糊控制方法从而输出给定转矩，在实际运行中固定可变参数无法达到理想的控制效果。一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法根据转速差及其变化率动态调整了△Kp和△Ki，但是没有考虑到微分的作用。一种改进PID控制的开关磁阻电机转矩控制系统主要是根据转速差，由神经元PID速度控制器输出转矩信号，模糊控制只是影响神经元PID的输出增益，与本发明有本质区别。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统，具体技术方案包括：
位置检测模块，接收开关磁阻电机传送的转速信息并对其进行处理获取电机转子位置角；
改进模糊控制模块，接收电机的给定转速和实际转速的差值及其变化率、经过处理输出给定转矩；
接收改进模糊控制模块传送的给定转矩以及位置检测模块传送的电机转子位置角的转矩分配函数模块，所述转矩分配函数模块通过转矩分配函数获取三相的给定转矩；
接收位置检测模块传送的转子位置角信息以及开关磁阻电机传送的三相电流信息的转矩特性表估算模块，所述转矩特性表估算模块根据开关磁阻电机的三相电流信息以及转子位置角信息、通过电流-角度-转矩特性表进行插值得到实际的三相估算转矩，同时将三相给定转矩与获得的实际的三相估算转矩进行比较；
接收转矩分配函数模块传送的三相的给定转矩和转矩特性表估算模块传送的三相估算转矩的转矩滞环模块，所述转矩滞环模块对接收到的数据进行比较，当偏差超过滞环宽度时，若偏差值为正、则滞环比较器输出为1、使转矩增加；若偏差值为负、滞环比较器输出为0、使转矩减小并输出三相开关信号；
接收转矩滞环模块传送的三相开关信号的功率变换器模块，所述功率变换器模块为开关磁阻电机绕组施加或断开绕组上的电压从而控制电机工作。
进一步的，所述改进模糊控制模块包括选择单元、求导计算单元、四舍五入运算单元、模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II和PID控制单元；
将给定转速和位置检测模块输出的实际转速作差构成转速误差信号e，将转速误差信号e传送至选择单元，当转速误差大于设定值时采用模糊控制方法输出给定转矩，当转速误差小于设定值时切换至PID控制输出给定转矩；
所述求导计算单元接收转速误差信号e、并经过求导运算后输出误差变化率信号ec；
所述四舍五入运算单元将最优常数值和给定转速作除后作为自调整的比例因子Ke，将比例因子Ke和转速误差信号e相乘、将得到的结果传送至四舍五入运算单元进行运算处理从而输出模糊量E，将误差变化率信号ec和比例因子Kec相乘后输入至四舍五入运算单元进行模糊化从而形成模糊量EC；
所述模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II同时接收四舍五入运算单元传送的模糊量E和模糊量EC，其中模糊规则计算单元I将输出的Ku模糊量和K相乘得到模糊自整定转矩比例因子Ku，模糊规则计算单元II将输出的转矩模糊量U和转矩比例因子Ku相乘后作为给定转矩并输出；
当转速误差小于设定值时，PID控制单元接收转速误差信号，经过处理后输出给定转矩。
进一步的，所述转矩分配函数模块采用余弦型分配函数对开关磁阻电机的开通角θ′on和关断角θ′off进行独立控制，具体采用如下方式：
Figure BDA0002533664820000031
其中θ为开关磁阻电机的转子位置角，θ′ov为转矩分配函数给定的相邻两相转矩重叠角度。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统，该控制系统外环使用改进模糊控制模块代替PID速度控制器，给定转速与实际转速作差构成转速误差信号，该信号及其变化率都做为模糊控制器的输入信号，同时在偏差较大时选用分辨率低的隶属函数，即函数斜率较小，而在偏差较小时选用高分辨率隶属函数，即函数斜率较大。
而对于比例因子，当其固定时不能使系统达到理想的控制效果，并且输出给定转矩u是比较重要的，所以对比例因子Ku也采用由转速差及其变化率为输入的模糊控制，但是此时的模糊规则与输出模糊量U的模糊规则有所不同；同时对于给定转速比较高的时候，误差较大，应选取较小的比例因子Ke，而对于给定转速比较小的时候，误差较小，应选取较大的比例因子Ke，所以对比例因子Ke也应该采取自整定的控制方法。
本控制系统内环为转矩分配函数的控制方法，函数本体采用余弦型分配函数，传统的转矩分配函数的开通角和电机给定的开通角严格相同。但是在实际运行中，在电机两相绕组换相的开始阶段，由于开始导通相(TSF上升沿所在相)绕组产生转矩的位置靠近开关磁阻电机定转子不对齐位置，此时实际电机模型中电感升高变化率比较低，该相产生的相转矩会比较低，引起转矩跟踪不足，造成电机总转矩偏低，所以可以让转矩分配函数的开通角大于电机实际开通角，使得在电感变化率变化比较大的时候开始分配转矩，从而实现电机的实际转矩能更好的跟踪给定转矩，从而抑制转矩脉动。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统中改进模糊控制的工作原理图；
图3为本发明系统在工作过程中输入E和EC的隶属函数的示意图；
图4为本发明系统在工作过程中输出Ku的隶属函数的示意图；
图5为本发明系统在工作过程中改进模糊控制转速波形示意图；
图6为本发明系统在工作过程中改进模糊控制转矩波形示意图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统，具体采用如下技术方案，包括：
位置检测模块，接收开关磁阻电机内部计算的转速作为输入数据，经过调理后输出转子位置角给转矩特性表估算模块和转矩分配函数模块，输出换算过的转速和给定转速进行比较，具体方案是：改进模糊控制模块接收转速误差信号并对其进行分析处理获取给定转矩，并将给定转矩传送至转矩分配函数模块得到各相的分配给定转矩，并与转矩特性表估算模块输出的三相估算转矩经过作差得到转矩误差信号，将转矩误差信号传送至转矩滞环模块得到各相1和0的开关信号，信号经过功率变换器模块从而控制开关磁阻电机的运行。
转矩特性表估算模块，将位置检测模块输出的电机转子位置角和开关磁阻电机的三相电流作为输入信息，通过电流-角度-转矩特性表进行插值得到实际的三相估算转矩和转矩分配函数模块输出的三相给定转矩分别进行比较。
改进模糊控制模块，将电机的给定转速和实际转速的差值及其变化率作为输入数据，经过处理计算后输出给定转矩给转矩分配函数模块。
转矩分配函数模块，将改进模糊控制模块输出的给定转矩和位置检测模块输出的电机转子位置角作为输入信息，通过转矩分配函数输出三相的给定转矩。
转矩滞环模块，将转矩分配函数模块输出的三相给定转矩与转矩特性表估算模块输出的三相估算转矩进行比较作为输入信息，当偏差超过滞环宽度时，若偏差值为正，滞环比较器输出为1，使转矩增加；若偏差值为负，滞环比较器输出为0，使转矩减小，输出三相开关信号给功率变换器模块。
功率变换器模块，将转矩滞环模块输出的三相开关信号作为输入信息，从而给各相绕组施加或断开电压来控制电机工作。
进一步的，转速误差信号输入给改进模糊控制模块，经过处理计算后输出给定转矩，给定转矩送入转矩分配函数模块得到各相的分配给定转矩，与转矩特性表估算模块输出的三相估算转矩经过作差得到转矩误差信号，转矩误差信号经过转矩滞环模块得到各相1和0的开关信号，信号经过功率变换器模块从而控制开关磁阻电机的运行。
进一步的，所述改进模糊控制模块包括选择单元、求导计算单元、四舍五入运算单元、模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II和PID控制单元。
进一步的，将给定转速和位置检测模块输出的实际转速作差构成转速误差信号e，转速误差信号e经过求导计算模块后输出误差变化率信号ec，误差变化率信号ec经过比例因子Kec，四舍五入运算模块模糊化后形成模糊量EC。具体采用如下方式：
将给定转速和位置检测模块输出的实际转速作差构成转速误差信号e，将转速误差信号e传送至选择单元，当转速误差大于设定值时采用模糊控制方法输出给定转矩，当转速误差小于设定值时切换至PID控制输出给定转矩；
所述求导计算单元接收转速误差信号e、并经过求导运算后输出误差变化率信号ec；
所述四舍五入运算单元将最优常数值和给定转速作除后作为自调整的比例因子Ke，将比例因子Ke和转速误差信号e相乘、将得到的结果传送至四舍五入运算单元进行运算处理从而输出模糊量E，将误差变化率信号ec和比例因子Kec相乘后输入至四舍五入运算单元进行模糊化从而形成模糊量EC；
所述模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II同时接收四舍五入运算单元传送的模糊量E和模糊量EC，其中模糊规则计算单元I将输出的Ku模糊量和K相乘得到模糊自整定转矩比例因子Ku，模糊规则计算单元II将输出的转矩模糊量U和转矩比例因子Ku相乘后作为给定转矩并输出；
当转速误差小于设定值时，PID控制单元接收转速误差信号，经过处理后输出给定转矩。
进一步的，而对于转速误差信号e，其比例因子是根据转速决定的，对于给定转速比较高的时候，误差较大，应选取较小的比例因子Ke，而对于给定转速比较小的时候，误差较小，应选取较大的比例因子Ke，因此采用一个经过大量仿真得出的一个最优常数和给定转速作除作为转速误差信号e的比例因子Ke，转速误差信号e经过自整定的Ke和四舍五入模块模糊化后形成模糊量E。同时在偏差较大时选用分辨率低的隶属函数，即函数斜率较小，而在偏差较小时选用高分辨率隶属函数，即函数斜率较大，E和EC均选取{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}分别对应于负大，负中，负小，零，正小，正中和正大，E和EC的隶属度函数如图3所示。E和EC经过转矩模糊规则计算模块进行模糊推理运算输出转矩模糊量U，转矩模糊规则计算模块的输出模糊量U的子集选取与E和EC相同。E和EC也经过比例因子Ku模糊规则计算模块进行模糊推理运算输出比例因子Ku，其输出子集为{S，M，B，H}分别对应于小，中，大和极大，其中输出比例因子Ku的隶属度函数采用高斯函数，如图4所示，比例因子Ku的模糊规则如表1所示，模糊量U和比例因子Ku相乘输出给定转矩信号。但是模糊控制有控制盲区，在实际运行中会有稳态转速误差，因此引入PID控制模块，当转速误差信号e小于3r/min时，切换到PID控制，e大于3r/min时切换到模糊控制。
表1：比例因子Ku模糊规则表
Figure BDA0002533664820000071
改进模糊控制模块输出的给定转矩送入转矩分配函数模块，转矩分配函数模块输出三相给定转矩，转矩分配函数为余弦型分配函数，如下所示：
Figure BDA0002533664820000072
其中θ对应于开关磁阻电机的位置角，θ′on，θ′off和θ′ov分别对应转矩分配函数给定的开通角，断开角和相邻两相转矩重叠角度。转矩分配函数模块的给定开通角θ′on和关断角θ′off与电机的实际开通角和关断角不一样，也就是说可以对转矩分配函数模块的开通角θ′on和关断角θ′off进行独立控制。
(1)由转矩分配函数模块输出的三相给定转矩和转矩估算模块输出的三相实际转矩作差得到转矩偏差，转矩偏差送入转矩滞环模块，偏差超过滞环宽度时，若偏差值为正，滞环比较器输出为1，使转矩增加；若偏差值为负，滞环比较器输出为0，使转矩减小。
(2)转矩滞环模块输出开断信号送入功率变换器模块，功率变换器模块根据转矩滞环模块的输出从而给各相绕组施加或断开绕组上的电压来控制电机工作。
(3)开关磁阻电机输出的转速信号通过位置检测模块可以得到转子的位置角。通过检测得到的开关磁阻电机三相电流和上述检测得到的转子位置角送入转矩估算模块，通过电流-角度-转矩特性表进行插值得到三相实际的转矩，以此构成转矩内环
(4)最后开关磁阻电机经转速计算模块得到实际的反馈转速值送至与给定转速作差，构成转速外环。
(5)图5为本系统开关磁阻电机的转速波形，其初始给定转速为200r/min，负载转矩为10N·m，在0.04s时候改变给定转速为300r/min，图6为本系统开关磁阻电机的转矩波形。
仿真结果表明，采用本系统提出的改进型模糊控制方法，可以较快的提高电机的转速响应速度及其运行性能，降低换相期间的转矩脉动，很好的保障了电机的正常运行。
本系统对开关磁阻电机的速度PID控制器进行了改进，采用了模糊控制器并对其进行了相应的改进，同时对转矩分配函数的开通角进行独立控制，提高了开关磁阻电机的运行性能和响应速度，降低了转矩脉动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改进模糊控制的开关磁阻电机转矩分配函数控制系统，其特征在于包括：
位置检测模块，接收开关磁阻电机传送的转速信息并对其进行处理获取电机转子位置角；
改进模糊控制模块，接收电机的给定转速和实际转速的差值及其变化率、经过处理输出给定转矩；
接收改进模糊控制模块传送的给定转矩以及位置检测模块传送的电机转子位置角的转矩分配函数模块，所述转矩分配函数模块通过转矩分配函数获取三相的给定转矩；
接收位置检测模块传送的转子位置角信息以及开关磁阻电机传送的三相电流信息的转矩特性表估算模块，所述转矩特性表估算模块根据开关磁阻电机的三相电流信息以及转子位置角信息、通过电流-角度-转矩特性表进行插值得到实际的三相估算转矩，同时将三相给定转矩与获得的实际的三相估算转矩进行比较；
接收转矩分配函数模块传送的三相的给定转矩和转矩特性表估算模块传送的三相估算转矩的转矩滞环模块，所述转矩滞环模块对接收到的数据进行比较，当偏差超过滞环宽度时，若偏差值为正、则滞环比较器输出为1、使转矩增加；若偏差值为负、滞环比较器输出为0、使转矩减小并输出三相开关信号；
接收转矩滞环模块传送的三相开关信号的功率变换器模块，所述功率变换器模块为开关磁阻电机绕组施加或断开绕组上的电压从而控制电机工作。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述改进模糊控制模块包括选择单元、求导计算单元、四舍五入运算单元、模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II和PID控制单元；
将给定转速和位置检测模块输出的实际转速作差构成转速误差信号e，将转速误差信号e传送至选择单元，当转速误差大于设定值时采用模糊控制方法输出给定转矩，当转速误差小于设定值时切换至PID控制输出给定转矩；
所述求导计算单元接收转速误差信号e、并经过求导运算后输出误差变化率信号ec；
所述四舍五入运算单元将最优常数值和给定转速作除后作为自调整的比例因子Ke，将比例因子Ke和转速误差信号e相乘、将得到的结果传送至四舍五入运算单元进行运算处理从而输出模糊量E，将误差变化率信号ec和比例因子Kec相乘后输入至四舍五入运算单元进行模糊化从而形成模糊量EC；
所述模糊规则计算单元I和模糊规则计算单元II同时接收四舍五入运算单元传送的模糊量E和模糊量EC，其中模糊规则计算单元I将输出的Ku模糊量和K相乘得到模糊自整定转矩比例因子Ku，模糊规则计算单元II将输出的转矩模糊量U和转矩比例因子Ku相乘后作为给定转矩并输出；
当转速误差小于设定值时，PID控制单元接收转速误差信号，经过处理后输出给定转矩。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述转矩分配函数模块采用余弦型分配函数对开关磁阻电机的开通角θo′n和关断角θo′ff进行独立控制，具体采用如下方式：
Figure FDA0002533664810000021
其中θ为开关磁阻电机的转子位置角，θo′v为转矩分配函数给定的相邻两相转矩重叠角度。
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