CN112886888B - 一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法。本发明通过铰链耦合对永磁电机转速进行双轴不解耦的同时控制，通过测量永磁同步电机的转速与期望值的比较得到误差信号，然后采用模糊系统的方法设置模糊概念制定模糊规则，得到模糊控制量与确定控制量同时对电机的两轴施加控制作为，因此双轴的收敛同时进行，从而收敛过程中的误差动态特性能够作为驱动电机转速提供控制力，从而比用单轴电流方式效果更佳。同时该方法的优点在于采用模糊语言与模糊控制的方式，也能更好地描述解决电机控制中的模型不确定与精确建模困难问题。

Description

一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机领域，涉及一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，具体而言，涉及一种采用模糊语言与模糊方法与双轴误差同时反馈实现永磁同步电机转速稳定控制的方法。

背景技术

电机作为电能与机械能转换的重要工具，在国民经济各个领域得到广泛应用。在早期阶段直流电机在传动应用中占据主导地位。目前，高性能的伺服系统大多数都采用永磁同步交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具备了十分优良的性能。永磁同步伺服电机采用永磁体产生机电能量转换所需要的磁场，具有结构简单、运行可靠、重量轻、体积小、节能高效等优点。但目前永磁同步电机的控制中面临的一个问题就是电机精确建模不容易，而且部分状态精确测量不易，以及电机负载难以准确预估，从而导致系统的不确定性问题，使得控制性能难以进一步提升。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为解决现有技术永磁同步电机由于控制过程中不确定性导致的技术问题，本发明的目的在于提供一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，进而克服现有技术采用确定的方法无法处理永磁电机系统的模糊不确定而导致效果不佳的问题。

为实现上述发明目的，技术方案如下：

一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，测量永磁同步电机的转子的位置、转速与三相电流中两相电流，并对两相电流进行Clarke坐标变换；

步骤S20，根据电机任务的需求设定期望的转速信号，然后测量转速信号并与期望转速信号比较得到转速误差并进行积分得到积分信号，然后计算定子电流的确定期望值信号；

步骤S30，根据所述的转速误差设计第一模糊系统计算定子电流的模糊期望值，并与定子电流确定期望值进行组合，得到最终的定子电流期望值；

步骤S40，根据所述的d轴定子电流的期望信号与Park变换后的电流信号进行比较得到定子电流误差信号，对进行非线性积分得到定子电流误差积分信号；

步骤S50，根据所述的d轴定子电流的误差信号与误差非线性积分信号建立第二模糊系统，解算得到q轴的定子电压信号实现d轴定子电流的控制；

步骤S60，根据所述的转速误差与转速误差非线性积分信号设计q轴定子电流的期望值为i_qc，并与Park变换后得到的q轴定子电流进行比较得到q轴定子电流误差信号，再对q轴定子电流误差信号进行非线性变换与积分得到误差非线性积分信号；

步骤S70，对所述的q轴电流误差信号与误差非线性积分信号进行线性组合得到d轴控制电压，对得到的两轴电机的控制电压进行Park逆变换计算得到静止坐标系下控制电压，将控制电压输出给永磁同步电机使得永磁同步电机的转速按照期望转速信号ω_mc输出，实现同步电机的转速控制。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S10，测量永磁同步电机的转子的位置、转速与三相电流中两相电流，并对两相电流进行Clarke坐标变换，包括步骤如下：

其中i_a、i_b为通过霍尔电流传感器检测得到的永磁同步电机三相电流中的两相电流信号信号。

i_α、i_β为对三相电流中的i_a、i_b进行Clarke变换后得到两相静止坐标系中的定子电流，i_d与i_q为i_α、i_β进行Prak变换后得到两相旋转坐标系d、q轴的定子电流。

θ_e由转子位置的测量值θ_m进行变换得到，即θ_e＝p_nθ_m，其中p_n为电机极对数。

θ_m为位置检测传感单元测量永磁同步电机转子的位置信号；

ω_m为速度检测传感单元测量永磁同步电机转子的转速信号。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S20，设定期望的转速信号，然后测量转速信号与期望转速信号比较得到转速误差并进行积分得到积分信号，即得到定子电流的确定期望值信号，包括步骤如下：

e_ω＝ω_m-ω_mc；

i_dc1＝k_a1e_ω+k_a2s₁；

其中，ω_mc为电机的期望转速，ω_m为电机转速的测量值，e_ω为电机转速误差信号。

s₁为转速误差非线性积分信号，dt表示对时间信号积分，ε₁为常值控制参数，

i_dc1为d轴定子电流的确定期望值，k_a1与k_a2为常值控制参数。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S30，根据所述的转速误差设计第一模糊系统并计算定子电流的模糊期望值，然后定子电流的模糊期望值与定子电流确定期望值进行组合得到最终的定子电流期望值，包括步骤如下：

将转速误差e_ω设定为第一模糊系统的输入，并定义第一模糊系统的输入信号的五个模糊概念NB₁、NM₁、ZO₁、PM₁、PB₁如下，

当e_ω≤-0.6ω_mc时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₁；

当-0.6ω_mc≤e_ω＜-0.3ω_mc时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₁；

当-0.3ω_mc≤e_ω＜0.3ω_mc时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₁；

当0.3ω_mc≤e_ω＜0.6ω_mc时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₁；

当0.6ω_mc≤e_ω时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₁；

定义第一模糊系统的输出量为定子电流的模糊期望值记作i_dc2，并定义第一模糊系统的输出信号的五个模糊概念NB₂、NM₂、ZO₂、PM₂、PB₂如下：

当i_dc2≤-0.6时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₂；

当-0.6≤i_dc2＜-0.3时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₂；

当-0.3≤i_dc2＜0.3时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₂；

当0.3≤i_dc2＜0.6时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₂；

当0.6≤i_dc2时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₂；

然后定义模糊规则如下：

当输入信号为负的很大时，输出信号也为负的很大；

当输入信号为负的中等大小时，输出信号也为负的中等大小；

当输入信号几乎为零时，输出信号也几乎为零；

当输入信号为正的中等大小时，输出信号也为正的中等大小；

当输入信号为正的很大时，输出信号也为正的很大。

然后，根据上述模糊规则建立模糊规则库，并根据输入信号的大小进行模糊运算与反模糊化，即可得到定子电流的模糊期望值。

最后，d轴定子电流的确定期望值与定子电流的模糊期望值进行叠加得到d轴定子电流的期望值记作i_dc，计算方式如下：

i_dc＝i_dc1+i_dc2。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S40，d轴定子电流的期望信号与Park变换后的电流信号进行比较得到定子电流误差信号并进行非线性积分，得到定子电流误差积分信号，包括步骤如下：

e_id＝i_d-i_dc；

其中，i_dc为d轴定子电流的期望值，i_d为经过Park变换后得到的d轴电流信号，e_id为d轴电流误差信号，s_eid为d轴电流误差非线性积分信号，dt表示对时间信号积分，ε₂为常值控制参数。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S50，根据d轴定子电流的误差信号与误差非线性积分信号建立第二模糊系统与模糊规则，解算得到q轴的定子电压信号，包括步骤如下：

首先，设定e_id为第二模糊系统的第一个输入，并定义第二模糊系统的第一个输入信号的五个模糊概念NB₃、NM₃、ZO₃、PM₃、PB₃如下：

当e_id≤-4/3时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₃；

当-4/3≤e_id＜-2/3时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₃；

当-2/3≤e_id＜2/3时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₃；

当2/3≤e_id＜4/3时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₃；

当e_id≥4/3时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₃；

其次，设定s_eid为第二模糊系统的第二个输入，并定义第二模糊系统的第二个输入信号的五个模糊概念NB₄、NM₄、ZO₄、PM₄、PB₄如下：

当s_eid≤-4时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₄；

当-4≤s_eid＜-2时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₄；

当-2≤s_eid＜2时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₄；

当2≤s_eid＜4时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₄；

当s_eid≥4时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₄；

然后，设定u_q为第二模糊系统的输出，并定义第二模糊系统输出信号的五个模糊概念NB₅、NM₅、ZO₅、PM₅、PB₅如下：

当u_q≤-20时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₅；

当-20≤u_q＜-10时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₅；

当-10≤u_q＜10时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₅；

当10≤u_q＜20时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₅；

当20≤u_q时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₅；

在此基础上，建立如下13条模糊规则：

当输入信号e_id为负的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为负的中等大小时，输出信号u_q也为负的中等大小；

当输入信号e_id几乎为零时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id为正的中等大小时，输出信号u_q也为正的中等大小；

当输入信号e_id为正的很大时，输出信号u_q也为正的很大。

当输入信号e_id为负的很大且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为负的很大且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为正的很大且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也为正的很大；

当输入信号e_id为正的很大且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也为正的很大；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也几乎为零。

最后，根据上述模糊规则建立模糊规则库，采用计算机根据输入信号的大小进行模糊运算与反模糊化，得到定子电流的控制量u_q。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S60，设计q轴定子电流的期望值为i_qc，并与Park变换后得到的q轴定子电流进行比较得到q轴定子电流误差信号，再对误差信号进行非线性变换与积分得到误差非线性积分信号，包括步骤如下：

i_qc＝k_a3e_ω+k_a4s₁；

e_iq＝i_q-i_qc；

s₂＝∫e_iqdt/(∫e_iqdt|+ε₃)；

其中e_ω为转速误差信号，s₁为转速误差非线性积分信号，i_qc为q轴定子电流的期望值，其中k_a3与k_a4为常值控制参数。

e_iq为q轴电流误差信号，i_q为Park变换后的q轴电流信号，s₂为电流误差非线性积分信号，ε₃为常值控制参数。

在本发明的一种示例实施例中，步骤S70，将q轴电流误差信号与误差非线性积分信号进行线性组合得到d轴控制电压，对两轴电机的控制电压进行Park逆变换计算得到静止坐标系下控制电压，包括步骤如下：

u_d＝k_a5e_iq+k_a6s₂；

其中e_iq为q轴电流误差信号，s₂为非线性积分信号，u_d为d轴控制电压，k_a5和k_a6为常值控制参数。

u_α、u_β为两相静止坐标系中的α、β轴定子电压，θ_e是由转子位置的测量值θ_m进行变换得到。

最后，将u_α、u_β输出给空间矢量脉宽调制与三相逆变器，最终输出给永磁同步电机，控制电机转速达到给得的速度ω_mc。

有关空间矢量脉宽调制与三相逆变器为本专业成熟技术，非本发明保护内容，故在此不详细展开说明。

传统方法往往是完全稳定永磁电机的一轴电流，由另一轴电流来实施转速的控制作用，消除双轴之间的耦合然后通过解耦后的单轴控制实现同步电机的转速跟踪。相比于传统方法，本发明的关键在于通过铰链耦合对永磁电机转速进行双轴不解耦的同时控制，具体的，通过测量永磁同步电机的转速与期望值的比较得到误差信号，然后采用模糊系统的方法设置模糊概念制定模糊规则，得到模糊控制量与确定控制量同时对电机的两轴施加控制作为，最终使得双轴的收敛同时进行，从而收敛过程中的误差动态特性能够作为驱动电机转速提供控制力，因此相比传统用单轴电流的方法效果更佳。同时本发明的优点还在于采用模糊语言与模糊控制的方式，能更好地描述解决电机控制中的模型不确定与精确建模困难问题。

有益效果

本发明一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，其主要优点有如下两点。

其一在于本发明采用模糊语言、模糊概念与模糊系统形成模糊输出的方法，比较准确地描述永磁同步电机系统中的不确定性，并采用模糊规律描述与实施永磁同步电机系统应该遵循的模糊物理机理，从而在逻辑上比采用确定的控制规律来控制模糊的不确定对象具有更好的完备性，同时也能得到更丰富的动态特性与更好的控制效果。

其二在于本发明双轴不解耦的双轴误差同时反馈驱动生成控制量来消除转速误差的方法，相比现有技术中采取的稳定一轴的同时对另一轴误差驱动消除转速误差的方法，能够充分利用双轴之间的耦合能量，因而比现有解耦控制方法具有更直接更优的控制效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明提供的一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法流程图。

图2是本发明实施例所提供方法的电机转速的测量值曲线；

图3是本发明实施例所提供方法的电机转速误差信号曲线；

图4是本发明实施例所提供方法的d轴定子电流的期望值信号曲线；

图5是本发明实施例所提供方法的d轴定子电流误差信号曲线；

图6是本发明实施例所提供方法的q轴的控制电压信号曲线；

图7是本发明实施例所提供方法的q轴定子电流的期望值信号曲线；

图8是本发明实施例所提供方法的q轴定子电流误差信号曲线；

图9是本发明实施例所提供方法的d轴控制电压信号曲线。

具体实施方式

现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本发明提供了一种通过测量永磁同步电机转速与期望转速对比形成误差信号，然后通过误差信号同时作用与永磁同步电机的两轴，并通过误差与误差的积分，作为模糊系统的输入，建立模糊系统，通过建模丰富的模糊规则，来形成模糊控制量，实现消除电机转速误差的目的，实现电机转速的精准快速控制，该方法由于采用了模糊手段，因此对电机模型的精确性要求不高，从而具有很高的工程实用价值。

下面，将结合附图对本发明的一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，进行进一步的解释以及说明。

一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，测量永磁同步电机的转子的位置、转速与三相电流中两相电流，并对两相电流进行坐标变换；

具体的，首先，通过位置/速度检测传感单元测量永磁同步电机转子的位置与转速信号，其中转子位置记为θ_m，转速记为ω_m；

其次，通过霍尔电流传感器检测永磁同步电机三相电流信号，分别记作i_a、i_b、i_c。

然后，对三相电流中的i_a、i_b进行Clarke变换，得到两相静止坐标系中的定子电流i_α、i_β。其中Clarke变换如下：

再次，进行如下的Prak变换得到两相旋转坐标系d、q轴的定子电流i_q与i_d。其中Park变换如下：

其中θ_e由转子位置的测量值θ_m进行变换得到，即θ_e＝p_nθ_m，其中p_n为电机极对数。

步骤S20，根据电机任务的需求设定期望的转速信号，然后测量转速信号并与期望转速信号比较得到转速误差，并进行积分得到积分信号，得到定子电流的确定期望值信号。

具体的，首先，根据电机的任务设定电机的期望转速为ω_mc，然后与电机转速的测量值ω_m进行比较得到电机转速误差信号，记为e_ω，其计算方式如下：e_ω＝ω_m-ω_mc。

其次，根据电机的转速误差信号e_ω，构造如下的转速误差非线性积分信号，记为s₁，其计算方式如下：

其中dt表示对时间信号积分，ε₁为常值控制参数。

最后，根据所述的误差信号与非线性积分信号进行线性组合，计算得到d轴定子电流的确定期望值，记作i_dc1，其计算方式如下：

i_dc1＝k_a1e_ω+k_a2s₁；

其中k_a1与k_a2为常值控制参数。

步骤S30，根据转速误差设计第一模糊系统，计算定子电流的模糊期望值，并与定子电流确定期望值进行组合，得到最终的定子电流期望值。

具体的，首先将转速误差e_ω设定为第一模糊系统的输入，并定义第一模糊系统的输入信号的五个模糊概念NB₁、NM₁、ZO₁、PM₁、PB₁如下：

其中NB₁表示输入信号负的很大、NM₁表示输入信号为负的中等大小、ZO₁表示输入信号几乎为零、PM₁表示输入信号为正的中等大小、PB₁表示输入信号为正的很大。

具体在设计中制定如下的判断方法：

当e_ω≤-0.6ω_mc时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₁；

当-0.6ω_mc≤e_ω＜-0.3ω_mc时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₁；

当-0.3ω_mc≤e_ω＜0.3ω_mc时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₁；

当0.3ω_mc≤e_ω＜0.6ω_mc时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₁；

当0.6ω_mc≤e_ω时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₁；

然后，定义第一模糊系统的输出量为定子电流的模糊期望值，记作i_dc2，并定义模糊系统的输出信号的五个模糊概念NB₂、NM₂、ZO₂、PM₂、PB₂如下：

其中NB₂表示输出信号负的很大、NM₂表示输出信号为负的中等大小、ZO₂表示输出信号几乎为零、PM₂表示输出信号为正的中等大小、PB₂表示输出信号为正的很大。

具体在设计中制定如下的判断方法：

当i_dc2≤-0.6时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₂；

当-0.6≤i_dc2＜-0.3时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₂；

当-0.3≤i_dc2＜0.3时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₂；

当0.3≤i_dc2＜0.6时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₂；

当0.6≤i_dc2时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₂；

在此基础上，定义模糊规则如下：

当输入信号为负的很大时，输出信号也为负的很大；

当输入信号为负的中等大小时，输出信号也为负的中等大小；

当输入信号几乎为零时，输出信号也几乎为零；

当输入信号为正的中等大小时，输出信号也为正的中等大小；

当输入信号为正的很大时，输出信号也为正的很大。

然后，根据上述模糊规则建立模糊规则库，并采用计算机根据输入信号的大小进行模糊运算与反模糊化，即可得到定子电流的模糊期望值。

最后，根据d轴定子电流的确定期望值与所求的定子电流的模糊期望值进行叠加，得到d轴定子电流的期望值，记作i_dc，其计算方式如下：

i_dc＝i_dc1+i_dc2；

步骤S40，d轴定子电流的期望信号与Park变换后的电流信号进行比较得到定子电流误差信号，并进行非线性积分，得到定子电流误差积分信号。

具体的，首先设定d轴定子电流的期望值为i_dc，并与Park变换后得到的i_d值进行比较得到d轴电流误差信号，记作e_id，其计算方式如下：

e_id＝i_d-i_dc；

其次，根据上述d轴电流误差信号e_id设计d轴电流误差非线性积分信号s_eid，其计算如下：

其中dt表示对时间信号积分，ε₂为常值控制参数。

步骤S50，根据d轴定子电流的误差信号与误差非线性积分信号建立第二模糊系统与模糊规则，解算得到q轴的定子电压信号，实现d轴定子电流的控制。

具体的，建立一个两输入一输出的第二模糊系统。

将上述定子电流误差信号与误差非线性积分信号作为第二模糊系统的输入信号，以第二模糊系统的输出信号作为解算的定子电压信号。

首先，设定e_id为第二模糊系统的第一个输入，并定义第二模糊系统的第一个输入信号的五个模糊概念NB₃、NM₃、ZO₃、PM₃、PB₃如下：

其中NB₃表示输入信号负的很大、NM₃表示输入信号为负的中等大小、ZO₃表示输入信号几乎为零、PM₃表示输入信号为正的中等大小、PB₃表示输入信号为正的很大。

具体在设计中制定如下的判断方法：

当e_id≤-4/3时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₃；

当-4/3≤e_id＜-2/3时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₃；

当-2/3≤e_id＜2/3时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₃；

当2/3≤e_id＜4/3时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₃；

当e_id≥4/3时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₃；

其次，设定s_eid为第二模糊系统的第二个输入，并定义第二模糊系统的第二个输入信号的五个模糊概念NB₄、NM₄、ZO₄、PM₄、PB₄。

具体在设计中制定如下的判断方法：

当s_eid≤-4时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₄；

当-4≤s_eid＜-2时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₄；

当-2≤s_eid＜2时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₄；

当2≤s_eid＜4时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₄；

当s_eid≥4时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₄；

然后，设定u_q为第二模糊系统的输出，并定义第二模糊系统输出信号的五个模糊概念NB₅、NM₅、ZO₅、PM₅、PB₅。

在具体在设计中制定如下的判断方法：

当u_q≤-20时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₅；

当-20≤u_q＜-10时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₅；

当-10≤u_q＜10时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₅；

当10≤u_q＜20时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₅；

当20≤u_q时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₅；

在此基础上，根据定子电流误差信号误差越大，定子电流误差信号非线性积分越大，则控制量越大；定子电流误差信号误差越小，定子电流误差信号非线性积分越小，则控制量越小；定子电流误差信号误差越小，定子电流误差信号非线性积分越大，则控制量越小的思想，建立如下13条模糊规则：

当输入信号e_id为负的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为负的中等大小时，输出信号u_q也为负的中等大小；

当输入信号e_id几乎为零时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id为正的中等大小时，输出信号u_q也为正的中等大小；

当输入信号e_id为正的很大时，输出信号u_q也为正的很大。

当输入信号e_id为负的很大且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为负的很大且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也为负的很大；

当输入信号e_id为正的很大且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也为正的很大；

当输入信号e_id为正的很大且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也为正的很大；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为负的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

当输入信号e_id几乎为零且输入信号s_eid为正的很大时，输出信号u_q也几乎为零；

最后根据上述模糊规则建立模糊规则库，尤其是加大最后8条规则的权值，采用计算机根据输入信号的大小进行模糊运算与反模糊化，即可得到定子电流的控制量u_q。

步骤S60，根据转速误差与转速误差非线性积分信号设计q轴定子电流的期望值为i_qc，并与Park变换后得到的q轴定子电流进行比较得到q轴定子电流误差信号，再对误差信号进行非线性变换与积分得到误差非线性积分信号。

具体的，首先转速误差信号e_ω与转速误差非线性积分信号s₁进行线性组合，得到q轴定子电流的期望值，记作i_qc，其设计如下：

i_qc＝k_a3e_ω+k_a4s₁；

其中k_a3与k_a4为常值控制参数。

其次，根据Park变换后得到的i_q值与上述q轴定子电流的期望值i_qc进行比较得到q轴电流误差信号，记作e_iq，

e_iq＝i_q-i_qc。

最后，对q轴电流误差信号e_iq进行非线性积分得到q轴电流误差非线性积分信号，记作s₂，其计算如下：

s₂＝∫e_iqdt/(|∫e_iqdt|+ε₃)；

其中ε₃为常值控制参数。

步骤S70，q轴电流误差信号与误差非线性积分信号进行线性组合得到d轴控制电压，再对两轴电机的控制电压进行Park逆变换得到静止坐标系下控制电压，并输出给同步电机实现同步电机的转速控制。

具体的，首先根据所述q轴电流误差信号e_iq与非线性积分信号s₂组成d轴控制电压，记作u_d，其计算方式如下：

u_d＝k_a5e_iq+k_a6s₂；

其中k_a5和k_a6为常值控制参数。

然后，对设计的q轴定子电压u_q与d轴定子电压u_d进行Park逆变换如下

其中u_α、u_β为两相静止坐标系中的α、β轴定子电压，

最后将u_α、u_β输出给空间矢量脉宽调制与三相逆变器，最终输出给永磁同步电机，控制电机转速达到给得的速度ω_mc。

有关空间矢量脉宽调制与三相逆变器为本专业成熟技术，非本发明保护内容，故在此不详细展开说明。

案例实施与计算机仿真模拟结果分析：

本案例是在选取永磁同步电机负载转矩T_l＝1N m，电机极对数选取p_n＝2。

步骤S10的测量过程与坐标变换过程与前文描述相同，在此不再重复。

在步骤S20与步骤S30中设定ε₁＝0.5，k_a1＝-80，k_a2＝-5，得到电机转速信号的测量值如图2所述，转速误差信号如图3所示，得到d轴定子电流的期望值如图4所示。

在步骤S40与步骤S50中，设定ε₂＝1.5，得到的d轴定子电流误差信号如图5所示，得到q轴的控制电压信号如图6所示。

在步骤S60中，选取k_a3＝-120，k_a4＝-20，ε₃＝2，得到q轴定子电流的期望值信号如图7所示，q轴定子电流误差信号如图8所示。

在步骤S70中，选取k_a5＝-15和k_a6＝-5，得到d轴控制电压如图9所示。

由图2与图3可以看出，本发明所提供方法能够对永磁同步电机的给定转速进行快速稳定的跟踪，响应时间大约为2s左右，而且最终没有静差，速度控制非常准确。由图5与图8可以看出，两个轴向的电流误差都能快速收敛到零，说明时间电流能够跟踪所设计的电流期望值。由图4与图7给出的两个轴向电流的期望值，显示本发明的方法设计合理，电流期望值没有出现过大情况。图6与图9给出了两个轴向的控制电压均没有超过20在合理范围内。而且，图2至图9中的显示的毛刺特性是由于模糊规则所带来的非线性特性引起的，而毛刺带来的优点类似于滑模控制的切换特性能够提高系统抗干扰与抵抗电机模型本身与负载不确定性带来的不良影响，也是传统常规PID控制以及其它线性控制所不具有的优点，即本发明所提供方法能够使得永磁同步电动机的转速控制具有很好的快速性、精准性，尤其是具有很好的抗干扰能力。

相比传统方法是消除双轴之间的耦合，然后通过解耦后的单轴控制实现同步电机的转速跟踪，本发明采用误差以及误差积分的模糊反馈，尤其是双轴同时反馈的方法实现同步电机的转速精准快速控制，因此，本发明采用的双轴同时控制消除误差的方法能够有效利用双轴之间的耦合能量为转速控制这一公共目标而服务。而且，由上述案例可以看出本发明所设计的模糊系统与模糊规则是有效的，能够合理地处理永磁同步电机中的不确定性，使得整个永磁同步电机转速控制的效果非常理想，从而也使得本发明具有很高的工程应用价值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这类的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未指明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (1)

1.一种模糊误差反馈的永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，测量永磁同步电机的转子的位置、转速与三相电流中两相电流，并对两相电流进行Clarke坐标变换；

步骤S20，根据电机任务需求设定期望的转速信号，然后测量转速信号并与期望转速信号比较得到转速误差并进行积分得到积分信号，然后计算定子电流的确定期望值信号；

步骤S30，根据所述的转速误差设计第一模糊系统计算定子电流的模糊期望值，然后定子电流的模糊期望值与定子电流确定期望值进行叠加得到最终的d轴定子电流的期望信号；

步骤S40，根据所述的d轴定子电流的期望信号与Park变换后的电流信号进行比较得到定子电流误差信号，对定子电流误差信号进行非线性积分得到定子电流误差积分信号；

步骤S50，根据所述的d轴定子电流的误差信号与误差非线性积分信号建立第二模糊系统，解算得到q轴的定子电压信号实现d轴定子电流的控制；

步骤S60，根据所述的转速误差与转速误差非线性积分信号设计q轴定子电流的期望值，并与Park变换后得到的q轴定子电流进行比较，得到q轴定子电流误差信号，再对q轴定子电流误差信号进行非线性变换与积分得到误差非线性积分信号；

步骤S70，根据所述的q轴定子电流误差信号与误差非线性积分信号进行线性组合得到d轴控制电压，再对所设计的两轴电机的控制电压进行Park逆变换得到静止坐标系下控制电压，并输出给永磁同步电机实现对永磁同步电机的转速控制；

其中，步骤S10如下：

1.1)测量永磁同步电机的转子的位置、转速与三相电流中两相电流，

其中，i_a、i_b为测量的永磁同步电机三相电流中的两相电流信号，θ_m为测量的永磁同步电机转子的位置信号，ω_m为测量的永磁同步电机转子的转速信号；

1.2)对两相电流进行Clarke坐标变换：

其中，i_α、i_β为三相电流中的i_a、i_b进行Clarke变换后得到两相静止坐标系中的定子电流，

i_d与i_q为i_α、i_β进行Prak变换后得到两相旋转坐标系d、q轴的定子电流，

θ_e＝p_nθ_m，θ_e由转子位置的测量值θ_m进行变换得到，其中，p_n为电机极对数；

其中，步骤S20如下：

2.1)根据永磁同步电机的任务需求设定期望的转速信号，即设定ω_mc为永磁同步电机的期望转速；

2.2)然后永磁同步电机的测量转速信号ω_m与期望转速信号ω_mc比较得到转速误差e_ω，并进行积分得到积分信号s₁，

e_ω＝ω_m-ω_mc；

其中，ω_mc为电机的期望转速，e_ω为电机转速误差信号，

s₁为转速误差非线性积分信号，dt表示对时间信号积分，ε₁为常值控制参数，

2.3)然后计算d轴定子电流的确定期望值信号i_dc1，

i_dc1＝k_a1e_ω+k_a2s₁

i_dc1为d轴定子电流的确定期望值，k_a1与k_a2为常值控制参数；

其中，步骤S30如下：

3.1)设计第一模糊系统

3.11)将转速误差e_ω设定为第一模糊系统的输入，并定义第一模糊系统的输入信号的五个模糊概念NB₁、NM₁、ZO₁、PM₁、PB₁如下，

当e_ω≤-0.6ω_mc时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₁；

当-0.6ω_mc≤e_ω＜-0.3ω_mc时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₁；

当-0.3ω_mc≤e_ω＜0.3ω_mc时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₁；

当0.3ω_mc≤e_ω＜0.6ω_mc时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₁；

当0.6ω_mc≤e_ω时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₁；

3.12)定义第一模糊系统的输出量为定子电流的模糊期望值记作i_dc2，并定义第一模糊系统的输出信号的五个模糊概念NB₂、NM₂、ZO₂、PM₂、PB₂如下：

当i_dc2≤-0.6时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₂；

当-0.6≤i_dc2＜-0.3时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₂；

当-0.3≤i_dc2＜0.3时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₂；

当0.3≤i_dc2＜0.6时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₂；

当0.6≤i_dc2时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₂；

3.13)然后定义模糊规则如下：

当输入信号e_ω为NB₁时，输出信号i_dc2为NB₂；

当输入信号e_ω为NM₁时，输出信号i_dc2为NM₂；

当输入信号e_ω为ZO₁时，输出信号i_dc2为ZO₂；

当输入信号e_ω为PM₁时，输出信号i_dc2为PM₂；

当输入信号e_ω为PB₁时，输出信号i_dc2为PB₂；

3.14)根据3.13)的模糊规则建立模糊规则库，并将输入信号按照3.13)的模糊规则进行输出，即得到定子电流的模糊期望值i_dc2；

3.2)d轴定子电流的确定期望值与定子电流的模糊期望值进行叠加，得到d轴定子电流的期望信号记作i_dc，计算方式如下：

i_dc＝i_dc1+i_dc2；

其中，步骤S40如下：

4.1)d轴定子电流的期望信号i_dc与Park变换后的电流信号i_d进行比较得到定子电流误差信号e_id，

e_id＝i_d-i_dc；

其中，e_id为d轴电流误差信号，

4.2)对d轴电流误差信号进行非线性积分得到定子电流误差积分信号s_eid，

e_id＝i_d-i_dc；

其中，s_eid为d轴电流误差非线性积分信号，dt表示对时间信号积分，ε₂为常值控制参数；

其中，步骤S50如下：

根据所述的d轴定子电流的误差信号e_id与误差非线性积分信号s_eid建立第二模糊系统与模糊规则，解算得到q轴的定子电压信号，步骤如下：

5.1)设定e_id为第二模糊系统的第一个输入，并定义第二模糊系统的第一个输入信号的五个模糊概念NB₃、NM₃、ZO₃、PM₃、PB₃如下：

当e_id≤-4/3时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₃；

当-4/3≤e_id＜-2/3时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₃；

当-2/3≤e_id＜2/3时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₃；

当2/3≤e_id＜4/3时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₃；

当e_id≥4/3时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₃；

5.2)设定s_eid为第二模糊系统的第二个输入，并定义第二模糊系统的第二个输入信号的五个模糊概念NB₄、NM₄、ZO₄、PM₄、PB₄如下：

当s_eid≤-4时，定义输入信号为负的很大，设定为NB₄；

当-4≤s_eid＜-2时，定义输入信号为负的中等大小，设定为NM₄；

当-2≤s_eid＜2时，定义输入信号几乎为零，设定为ZO₄；

当2≤s_eid＜4时，定义输入信号为正的中等大小，设定为PM₄；

当s_eid≥4时，定义输入信号为正的很大，设定为PB₄；

5.3)设定u_q为第二模糊系统的输出，并定义第二模糊系统输出信号的五个模糊概念NB₅、NM₅、ZO₅、PM₅、PB₅如下：

当u_q≤-20时，定义输出信号为负的很大，设定为NB₅；

当-20≤u_q＜-10时，定义输出信号为负的中等大小，设定为NM₅；

当-10≤u_q＜10时，定义输出信号几乎为零，设定为ZO₅；

当10≤u_q＜20时，定义输出信号为正的中等大小，设定为PM₅；

当20≤u_q时，定义输出信号为正的很大，设定为PB₅；

5.4)建立如下13条模糊规则：

当输入信号e_id为NB₃时，输出信号u_q为NB₅；

当输入信号e_id为NM₃时，输出信号u_q为NM₅；

当输入信号e_id为ZO₃时，输出信号u_q为ZO₅；

当输入信号e_id为PM₃时，输出信号u_q为PM₅；

当输入信号e_id为PB₃时，输出信号u_q为PB₅；

当输入信号e_id为NB₃且输入信号s_eid为NB₄时，输出信号u_q为NB₅；

当输入信号e_id为NB₃且输入信号s_eid为PB₄时，输出信号u_q为NB₅；

当输入信号e_id为PB₃且输入信号s_eid为NB₄时，输出信号u_q为PB₅；

当输入信号e_id为PB₃且输入信号s_eid为PB₄时，输出信号u_q为PB₅；

当输入信号e_id为ZO₃且输入信号s_eid为NB₄时，输出信号u_q为ZO₅；

当输入信号e_id为ZO₃且输入信号s_eid为PB₄时，输出信号u_q为ZO₅；

当输入信号e_id为ZO₃且输入信号s_eid为NB₄时，输出信号u_q为ZO₅；

当输入信号e_id为ZO₃且输入信号s_eid为PB₄时，输出信号u_q为ZO₅；

5.5)根据5.4)的模糊规则建立模糊规则库，并将输入信号按照5.4)的模糊规则进行输出，即得到定子电流的控制量u_q；

其中，步骤S60如下：

6.1)设计q轴定子电流的期望值为i_qc，

i_qc＝k_a3e_ω+k_a4s₁，

其中，i_qc为q轴定子电流的期望值，k_a3、k_a4为常值控制参数；

6.2)q轴定子电流的期望值为i_qc与Park变换后得到的q轴定子电流进行比较得到q轴定子电流误差信号，再对误差信号进行非线性变换与积分得到误差非线性积分信号包括：

e_iq＝i_q-i_qc；

s₂＝∫e_iqdt/(|∫e_iqdt|+ε₃)；

其中，e_iq为q轴定子电流误差信号，s₂为电流误差非线性积分信号，ε₃为常值控制参数；

其中，步骤S70如下：

7.1)根据所述的q轴定子电流误差信号与误差非线性积分信号线性组合设计d轴控制电压u_d，

u_d＝k_a5e_iq+k_a6s₂；

其中，u_d为d轴控制电压，k_a5、k_a6为常值控制参数；

7.2)对两轴电机的控制电压u_d、u_q进行Park逆变换，计算得到静止坐标系下控制电压u_α、u_β，

其中，u_α、u_β为两相静止坐标系中的α、β轴定子电压，

7.3)将u_α、u_β输出给空间矢量脉宽调制与三相逆变器最终输出给永磁同步电机，进而使得永磁同步电机的转速按照期望转速信号ω_mc输出。

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