CN112653363A - 一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，包括如下步骤：S1，对电机系统进行参数标定，根据测试数据，在恒负载下，由当前给定转速确定电机相电流的目标值；S2，将电机相电流目标值与电机相电流实际值的差值、差值变化率均输入模糊控制器；S3，模糊控制器输出直流母线电压的调节值，根据功率匹配原则，通过调节直流母线电压来调整电机相电流；S4，调整电机相电流的大小到合理范围。

Description

一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法。

背景技术

永磁同步电机是一种结构简单、低成本、高效率的电动机，其被广泛应用在如航空航天、数控机床以及电动车辆等工业工程领域中。传统的控制永磁同步电机的方法是使用PI调节器，但现有的技术方案存在的技术问题为：

1.在永磁同步电机直流母线功率过大时，会出现直流母线功率与电机功率不匹配的情况，导致电机电流不断增大，而PI调节器在调正增大的电流时会累积积分误差，而积分误差累积到一定量会使PI调节器失去作用，电流增大到不可控制，进而导致电机转速过大而失控；

2.PI调节器是一种线性控制系统，而永磁同步电机则是一种非线性、多变量、多参数的耦合型系统，在电机控制过程中，PI调节器会持续受到永磁同步电机参数变化与系统扰动的影响，其调节能力与稳定性将下降；

3.在电机运行中，PI调节器利用误差积分调节环节来消除控制系统中的静态误差，该环节会累积积分误差，引起积分饱和现象的出现，当积分饱和现象出现时，控制系统的控制变量进入非线性区间，PI调节器将无法使控制信号跟随给定信号，控制系统的误差增大，控制响应时间大幅度增加，甚至使电机进入失控状态。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，该控制方法解决了永磁同步电机控制系统及其电路中PI调节器会累积积分误差而导致电机相电流出现偏差的问题，该控制方法解决了永磁同步电机控制系统及其电路中因电机相电流出现偏差而导致的电机失控问题。

为抑制或消除积分误差，需要对PI调节器的输出(即电机相电流)进行控制，使其回到或被限制在正确的范围里。由于电机相电流并不容易直接控制，根据功率匹配原则(指系统输入功率、整流后的直流母线功率、逆变部分的逆变功率、电机运行功率四者在不考虑损耗时应该相等)，当系统出现波动时，电机相电流会偏离当前转速所确定的相电流目标值，功率会发生相应改变，此时可以较容易控制直流母线电压，调整功率大小，间接调整电机相电流，使其回到目标值。

本发明采用如下方案实现：一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，包括如下步骤：

S1，采用现有的测试方法对电机系统进行参数标定，根据测试数据，在恒负载下，由当前给定转速确定电机相电流的目标值；

S2，将电机相电流目标值与电机相电流实际值的差值和差值变化率输入模糊控制器；

S3，模糊控制器输出直流母线电压的调节值，根据功率匹配原则，通过调节直流母线电压来调整电机相电流，间接减少乃至消除PI调节器带来的积分误差，减小或消除外部干扰对系统的影响；

S4，调整电机相电流的大小到合理范围，减小或消除PI调节器带来的积分误差。

其中，S4中所记载的“合理范围”应理解为：如果电机系统以当前相对稳定的电机相电流持续运行，会导致PI调节器累积积分误差并最终导致积分饱和，或者相电流出现了较大的波动，导致PI调节器过度响应导致系统出现失控，那么当前的相电流就不在合理范围；电机相电流的合理范围应使得PI调节器能够正确的调节静态误差，不产生并累积积分误差。

电机相电流的“合理范围”通过测试来确定该具体范围。

本发明涉及一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，该方法通过模糊控制的方式，检测相电流的误差和波动，并根据检测到的误差值控制和调节直流母线电压，改变直流母线的功率，间接调整电机相电流，消除PI调节器累积的积分误差，防止因为积分误差的饱和而导致相电流过大、电机失控。

采用现有的测试方法对电机系统进行参数标定，所记载的“测试方法”是现有技术中所公开的应用于检测电机系统参数的技术方法。根据测试结果所得到的电机系统的数据，在恒负载条件下，确定不同转速下的电机相电流值和直流母线电压值，并根据电机系统的性能参数特点，设计模糊控制器，将其配置在电机控制系统中。

永磁同步电机运行时，根据给定转速，确定当前相电流目标值，检测电机相电流实际值。计算实际值和目标值的差值及差值变化率，输入模糊控制器，由模糊控制器输出直流母线电压的调节值。调节直流母线电压会影响直流母线功率，根据功率匹配原则，电机的相电流也会相应改变，从而消除或减小PI调节器输出的积分误差，防止系统受外部干扰而出现积分饱和，进而防止电机因积分饱和导致相电流调节失常进而电机失控。

相对于现有技术，本发明能达到的有益效果是：本发明提供的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，该控制方法消除或减小PI调节器输出的积分误差，从而防止系统受外部干扰而出现积分饱和，从而防止电机因积分饱和导致相电流调节失常进而电机失控。

下面结合具体实施例进行说明。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种电机系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例中一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法的流程示意图。

其中，附图标记为：1.模糊控制器；2.直流母线；3.逆变电路；4.永磁同步电机。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种电机系统，包括模糊控制器1、直流母线2、逆变电路3和永磁同步电机4，直流母线2的输出端分别电性连接模糊控制器1和逆变电路3的输入端，逆变电路3的输出端和永磁同步电机4电性连接。

如图2所示，本实施例提供一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，该控制方法特别适用于于永磁同步电机4。该控制方法首先需要确定电机系统匹配的负载转矩，在该转矩条件下，经由大量的电机系统测试，获得在不同给定转速条件下，电机系统对应的目标电机相电流值I^*、直流母线2目标电压U^* _dc。电机系统在给定转速下正常运行时，检测实际电机相电流对目标值的差值和电机相电流差值的变化率，将其输入至模糊控制器1。模糊控制器1通过对相电流差值和差值变化率的计算和判断，输出直流母线2电压的变化值，调整直流母线2电压，进而调整直流母线2功率，并根据功率匹配原则，间接调整电机相电流。

本实施例中，通过电机系统测试来确定电机系统匹配的负载转矩，具体为：需要有确定的电机负载，确定不变的电机负载可以得到恒定的转矩，根据式(4)和式(5)，即功率匹配原则，通过改变电机的运行转速，来改变电机的输出电压、输出电流和直流母线2电压，测试主要记录在恒负载转矩下，电机在不同转速稳定运行时的不同输出电压、输出电流值以及直流母线2电压值，这些值将会用于模糊控制器1的参数设置。根据电机系统的测试结果来设置模糊控制器1的各项参数，包括输入输出论域、模糊子集及隶属度函数，建立适当的解模糊方式，完成模糊控制器1。模糊控制器1采用双输入单输出，以相电流差值和相电流差值变化率为输入，输出为直流母线2电压的变化值。

根据不同的给定转速，设置不同的相电流目标值。电机系统运行时采样以下参数：1.电机的实时相电流I；2.通过频率信号给出的电机给定转速w。根据给定转速w，确定电机相电流的标准值I^*和直流母线2目标电压U^* _dc。将实时相电流I和目标相电流值I^*的差值和差值变化率作为模糊控制器1的输入值。

计算出输入相电流的差值和相电流差值变化率并分别记为I_e和I_ec。I_ec可以是相邻两次采样下I_e的变化速度，也可以是经过某一段时间T后I_e的变化速度。若计算得到的I_e值一直为零，则不开启之后的模糊控制器1。将某时刻的实际电流值记为I_n，一段时间T后的实际电流值记为I_n+1。I^*、I_ec、I_e、I_n、I_n+1和T满足以下关系：

I_e1＝I_n-I^* (1)

I_e2＝I_n+1-I^* (2)

I_ec＝(I_e2-I_e1)/T (3)

根据建立模糊控制器1的参数，经由模糊控制器1判断I_e和I_ec所决定的输出(直流母线2电压的变化值U_dce)的大小，将直流母线2的电压调整至当前给定转速决定的目标直流母线2电压U^* _dc。

对于电机系统，其转矩T_e是固定的，给定不同的转速w，电机系统的功率P会有变化，P、T_e和w之间满足：

同时根据电机系统的功率P和直流母线2功率相等的条件，不同的转速w下直流母线2会有不同的电压U_dc和电流I_dc，P、U_dc和I_dc之间满足：

P＝U_dc×I_dc (5)

在电机系统稳定运行的情况下得出各个转速w下对应的目标相电流值I^*、目标直流母线2电压U^* _dc。

根据各个转速w下对应的目标相电流值I^*、目标直流母线2电压U^* _dc来设计模糊控制器1，模糊控制器1的参数包括控制器结构、输入输出论域、模糊子集及隶属度函数、解模糊方法。其中，控制器结构就是确定模糊控制器1的输入输出量，这里使用I_e和I_ec作为输入量，U_dce作为输出量。

假设根据测试数据的结论，I_e的波动量一般不会超过±1A，T取100ms(毫秒)时，I_ec的值在±5A/100ms之间，U_dc的变化量在±5V，这就确定了输入输出论域，之后建立合适的模糊子集及隶属度函数。为了得到较好的控制效果和控制精度，两个输入的模糊子集均采用三角形子集：{NB,NS,ZO,PS,PB}。输出U_dc的模糊子集也采用三角形子集。NB表示实际值与目标值相差较大，NS表示相差较小，ZO表示几乎没有误差，PS表示相差较小，PB表示相差较大。

由于输入量的取值范围是一段连续的实数域，而模糊化之后需要将输入对应到离散的模糊子集，就需要通过隶属度函数将输入的值对应到模糊子集上。用I_e说明隶属度函数：

NB＝(-0.5-x)/0.5，-1≤x＜-0.5

PB＝(x-0.5)/0.5，0.5≤x≤1

隶属度表示出某元素属于模糊集的程度。依据上式，若I_e＝0.6，在PS集、PB集都有定义，分别计算得出隶属度PS(0.6)＝0.8，PB(0.6)＝0.2。

当两个输入都进行了模糊化处理后，就可以根据模糊控制规则进行模糊化输出。一个输入量模糊化后对应到了两个模糊子集，那么双输入的模糊控制器对输入量模糊化后，再对结果两两搭配，会出现四种适用的模糊规则。如下表所示为模糊规则表：

根据四种模糊控制的计算结果，选择一种解模糊方式。

输出也有相似的隶属度函数，但是输出是先有模糊量，需要进行解模糊才能转为精确值进行输出。

本实施例中w为50Hz，T＝100ms，对应的I^*是1.0A，U^* _dc是311V。电机系统正常运行，I_e的值和I_ec一直为0。出现扰动使得I_e变为0.2A，记录为I_e1；100ms后，I_e变为0.9A，记为I_e2。开始计算I_ec，I_ec为0.7A/100ms。将I_e2和I_ec输入模糊控制器1，模糊化为PB、PS和ZO、PS，根据模糊控制规则，找到对应的四个模糊规则，进行计算。

U_dce根据四个模糊规则将有四个范围，假设我们采用最大隶属度平均值法解模糊，将会得到U_dce的精准值。

输出解模糊，I_e2对PB隶属度为0.8，对PS隶属度为0.2；I_ec对ZO隶属度为0.72，对PS隶属度为0.28。通过模糊控制算法可以得到输出的模糊量为0.72NS，0.72NS有两个值，一个为-3.2，一个为-1.8，求得两者的平均值为-2.5，此时输出U_dce的清晰值就为-2.5，表示将U_dc调整至比当前值小-2.5V。重复该流程，不断进行直流母线2电压控制。

被控制的直流母线2电压会改变直流母线2功率，根据功率匹配原则，电机相电流也会发生改变。从而减小或消除PI调节器带来的积分误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，对电机系统进行参数标定，根据测试数据，在恒负载下，由当前给定转速确定电机相电流的目标值；

S2，将电机相电流目标值与电机相电流实际值的差值、差值变化率均输入模糊控制器；

S3，所述模糊控制器输出直流母线电压的调节值，根据功率匹配原则，通过调节直流母线电压来调整电机相电流；

S4，调整电机相电流的大小到合理范围。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，所述测试数据包括在恒负载转矩下，电机在不同转速稳定运行时的不同输出电压、输出电流值以及直流母线电压值。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，由当前给定所述转速对应的所述电机相电流目标值和所述直流母线电压目标值来设计所述模糊控制器。

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，所述模糊控制器采用双输入单输出，以电机相电流目标值与电机相电流实际值的差值、差值变化率为输入，输出为所述直流母线电压的调节值。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，所述电机相电流的目标值为I^*，所述电机相电流目标值与电机相电流实际值的差值为I_e，所述差值变化率为I_ec，将某时刻的所述电机相电流实际值记为I_n，一段时间T后的所述电机相电流实际值记为I_n+1，I^*、I_ec、I_e、I_n、I_n+1和T满足以下关系：

I_e1＝I_n-I^* (1)

I_e2＝I_n+1-I^* (2)

I_ec＝(I_e2-I_e1)/T (3)。

6.根据权利要求5所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，若I_e值一直为零，则不开启所述模糊控制器。

7.根据权利要求6所述的一种基于模糊控制的永磁同步电机直流母线电压控制方法，其特征在于，所述模糊控制器的参数包括输入输出量、输入输出论域、模糊子集及隶属度函数、解模糊方法。

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