CN114268263A - 一种电机驱动器双闭环模糊控制方法 - Google Patents

一种电机驱动器双闭环模糊控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，涉及驱动电机技术领域，通过给双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，并建立转速环模糊控制器的数据库，再将传感器测得的实时电机转速与电流值作为转速环模糊控制器的输入，经转速环模糊控制器的处理后对PID参数进行调整，从而适应不同负载下的响应需求；给电流环的最大输出电流引入电流环模糊控制器，把每种电机转速下不同负载的电流值以及目标电机转速与当前电机转速的转速偏差幅度作为数据库，将转速偏差幅度与当前转速作为输入，经电流环模糊控制器推理后得到额定输出电流，在保证对转速环的输出及时响应的基础上又使输出电流可控，从而保护硬件电路不会因为过流造成损坏。

Description

一种电机驱动器双闭环模糊控制方法
技术领域
本发明涉及驱动电机技术领域，具体是一种电机驱动器双闭环模糊控制方法。
背景技术
随着运动控制技术的发展，电机同步控制技术在各个技术领域中得到了越来越多的应用。随之而来的对电机同步控制技术的要求也越来越高；
当控制器驱动电机工作在负载连续突变的工况时，使用转速、电流双环PID控制系统在单一的控制参数无法满足不同负载下响应速度与超调量之间的平衡；使得在小负载下可快速响应的参数在大负载下调节滞后；大负载下快速响应的参数在小负载下大幅超调。
只使用转速环的PID控制系统虽然在单一控制参数下可实现响应与超调量间的平衡，但由于没有电流反馈，在小负载突变成大负载时如果电机转速较低，会使电机通过电流接近短路电流，对控制器开关管和电源端产生冲击，造成硬件损坏。为此，现提供一种电机驱动器双闭环模糊控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机驱动器双闭环模糊控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，包括以下步骤：
步骤一：向双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，并建立转速环模糊控制器的数据库；
步骤二：通过传感器获得电机的实时转速和电流值，并将获得的实时转速和电流值输入至转速环模糊控制器，对PID参数进行调整；
步骤三：向双环PID控制系统中的电流环引入电流环模糊控制器，并建立电流环模糊控制器的数据库；
步骤四：根据转速偏差建立规则库，转速偏差与当前电机转速输入至电流环模糊控制器内得到可允许的输出电流。
进一步的，所述转速环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并根据不同负载分别获取电机对应的全额转速；
记录不同的负载在对应的全额转速下，获得相应的PID参数，并将PID参数进行记录；
获取不同负载在不同的控制电压下，负载电流从零增加至额定电流值时，对应的电机转速，生成转速环模糊控制器的数据库。
进一步的，所述电流环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并获取不同负载在电机的不同转速下的输出电流值；
再获取电机的转速偏差幅度，从而获得电流环模糊控制器的数据库。
进一步的，所述转速偏差幅度的获取过程包括：
设置不同负载下的不同的电流值，并在同一电流值下对电机的转速进行采样，获得n组采样数据，并将每组采样数据对应的电机转速进行标记；
获取转速环模糊控制器的数据库中，与设置的电流值所对应的额定电流值所对应的电机转速，通过上述参数获得电机在不同负载下的转速偏差幅度ZF。
进一步的，对PID参数进行调整的具体过程包括：
通过传感器，获得电机的实时转速以及电流值，并将实时转速与电流值输入至转速环模糊控制器；
根据实时转速与电流值与转速环模糊控制器的数据库中的数据差异，分别获得△Kp、△Ki以及△Kd；
输入目标速度值，并将目标速度值实时转速之间的差值记为EN；
则通过公式EV＝(Kp+△Kp)*EN+(Ki+△Ki)*(EN+ZF)+(Kd+△Kd)*(EN-ZF)获得目标电机输出转速EV，将目标电机输出转速EV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获得对应的额定输出电流。
进一步的，所述△Kp、△Ki以及△Kd分别为比例系数差值、积分系数差值以及微分系数差值，所述Kp、Ki、Kd由实验测试获得，且Kp、Ki、Kd均为常数。
进一步的，在获得额定输出电流后，则根据额定输出电流获得在该额定输出电流下的实际转速偏差幅度，根据目标电机输出转速EV和实际转速偏差获得电机转速BV。
进一步的，将所述电机转速BV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获取BV所对应的额定电流值，并将该额定电流值标记为最大输出电流值；
将所获得的额定输出电流与最大输出电流进行比较，从而获得最佳调节电流，给电流环的最大输出电流引入电流环模糊控制器，把每种电机转速下不同负载的电流值以及目标电机转速与当前电机转速的转速偏差幅度作为数据库，将转速偏差幅度与当前转速作为输入，经电流环模糊控制器推理后得到额定输出电流，在保证对转速环的输出及时响应的基础上又使输出电流可控，从而保护硬件电路不会因为过流造成损坏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过给双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，从而把每种负载下只用转速环对电机全速阈调速的PID参数和不同控制电压下负载电流从零增加至额定值的转速数据作为转速环模糊控制器的数据库，再将传感器测得的实时电机转速与电流值作为转速环模糊控制器的输入，经转速环模糊控制器的处理后对PID参数进行调整，从而适应不同负载下的响应需求；
2、给电流环的最大输出电流引入电流环模糊控制器，把每种电机转速下不同负载的电流值以及目标电机转速与当前电机转速的转速偏差幅度作为数据库，将转速偏差幅度与当前转速作为输入，经电流环模糊控制器推理后得到额定输出电流，在保证对转速环的输出及时响应的基础上又使输出电流可控，从而保护硬件电路不会因为过流造成损坏。
附图说明
图1为本发明的原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，包括以下步骤：
步骤一：向双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，并建立转速环模糊控制器的数据库；
步骤二：通过传感器获得电机的实时转速和电流值，并将获得的实时转速和电流值输入至转速环模糊控制器，对PID参数进行调整；
步骤三：向双环PID控制系统中的电流环引入电流环模糊控制器，并建立电流环模糊控制器的数据库；
步骤四：根据转速偏差建立规则库，转速偏差与当前电机转速输入至电流环模糊控制器内得到可允许的输出电流。
所述转速环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并根据不同负载分别获取电机对应的全额转速；
记录不同的负载在对应的全额转速下，获得相应的PID参数，并将PID参数进行记录；
获取不同负载在不同的控制电压下，负载电流从零增加至额定电流值时，对应的电机转速；
将上述数据进行保存，生成转速环模糊控制器的数据库，并上传至转速环模糊数据库进行保存。
所述电流环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并获取不同负载在电机的不同转速下的输出电流值；
再获取电机的转速偏差幅度，从而获得电流环模糊控制器的数据库。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述转速偏差幅度的获取过程具体包括：
设置不同负载下的不同的电流值，并在同一电流值下对电机的转速进行采样，获得n组采样数据，并将每组采样数据对应的电机转速标记为YVi；i＝1，2，……，n，n为整数；
获取转速环模糊控制器的数据库中，与设置的电流值所对应的额定电流值所对应的电机转速，并将电机转速记为BV；
则通过公式
Figure BDA0003436462500000051
获得电机在不同负载下的转速偏差幅度ZF。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，电机在运行过程中，由于负载的种类不同，导致负载与负载之间存在差异，如重量、形状等，这些差异会在电机进行转动的过程中，对电机产生不同的阻力，从而使得电机在安装不同的负载时，使得负载达到同一标准的转速往往需要不同的输入功率，同时也会使得实际转速与理论转速之间存在偏差。
所述步骤二中，对PID参数进行调整的具体过程包括：
通过传感器，获得电机的实时转速以及电流值，并将实时转速与电流值输入至转速环模糊控制器；
根据实时转速与电流值与转速环模糊控制器的数据库中的数据差异，分别获得△Kp、△Ki以及△Kd；所述△Kp、△Ki以及△Kd分别为比例系数差值、积分系数差值以及微分系数差值；
输入目标速度值，并将目标速度值标记为MV，则将目标速度值MV与实时转速之间的差值记为EN；
则通过公式EV＝(Kp+△Kp)*EN+(Ki+△Ki)*(EN+ZF)+(Kd+△Kd)*(EN-ZF)获得目标电机输出转速EV，将目标电机输出转速EV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获得对应的额定输出电流I额定；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，所述Kp、Ki、Kd由实验测试获得，且Kp、Ki、Kd均为常数；
通过给双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，从而把每种负载下只用转速环对电机全速阈调速的PID参数和不同控制电压下负载电流从零增加至额定值的转速数据作为转速环模糊控制器的数据库，再将传感器测得的实时电机转速与电流值作为转速环模糊控制器的输入，经转速环模糊控制器的处理后对PID参数进行调整，从而适应不同负载下的响应需求。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，在获得额定输出电流I额定后则根据额定输出电流I额定获得在该额定输出电流I额定下的实际转速偏差幅度SP，则实际转速偏差幅度SP＝EV-MV；
根据目标电机输出转速EV和实际转速偏差SP获得电机转速BV，需要进一步说明的是，BV＝EV-SP；
根据所获取到的BV的值，将BV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获取BV所对应的额定电流值，并将该额定电流值标记为最大输出电流值；
将所获得的额定输出电流I额定与最大输出电流进行比较，若额定输出电流I额定＜最大输出电流时，则通过调节PID参数中的△Kp、△Ki以及△Kd，从而减小实际转速偏差幅度SP；当SP＝0时，且额定输出电流I额定＜最大输出电流时，则将此时的额定输出电流I额定设置为最佳调节电流；
当额定输出电流I额定≥最大输出电流时，则将额定输出电流I额定设置为最大输出电流值，则将最大输出电流值设置有最佳调节电流。
根据所获得的最佳调节电流，获得电机的控制电压，将控制电压设置为电机的输入电压，从而完成电机的转速调整。
给电流环的最大输出电流引入电流环模糊控制器，把每种电机转速下不同负载的电流值以及目标电机转速与当前电机转速的转速偏差幅度作为数据库，将转速偏差幅度与当前转速作为输入，经电流环模糊控制器推理后得到额定输出电流，在保证对转速环的输出及时响应的基础上又使输出电流可控，从而保护硬件电路不会因为过流造成损坏。
工作原理：用户在输入目标电机转速后，电机的实际转速与目标转速往往存在偏差，则通过获取电机的实际转速以及电流值，并将实际转速和电流值输入至转速环模糊控制器内，转速环模糊控制器内建立有一个数据库，且数据库内不同的电机转速对应有相应的PID算法的比例系数、积分系数、微分系数，根据所获得的电机的实际转速和电流值，获得转速偏差幅度，然后获得相应的比例系数差值、积分系数差值以及微分系数差值；则根据将获得的比例系数差值、积分系数差值以及微分系数差值对实际转速和电流值进行调整，从而获得新的电机转速，并将新的电机转速与目标电机转速相比获得新的转速偏差幅度，同时获得电机的最大可允许输出电流值，将得到的新的电流值与最大可允许电流值进行比较，使得在保证新的电流值不会超过最大可允许电流值情况下，最大限度的减小转速偏差幅度，从而使得在保证对转速环的输出及时响应的基础上又使输出电流可控，从而保护硬件电路不会因为过流造成损坏。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (8)

1.一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：向双环PID控制系统中的转速环引入转速环模糊控制器，并建立转速环模糊控制器的数据库；
步骤二：通过传感器获得电机的实时转速和电流值，并将获得的实时转速和电流值输入至转速环模糊控制器，对PID参数进行调整；
步骤三：向双环PID控制系统中的电流环引入电流环模糊控制器，并建立电流环模糊控制器的数据库；
步骤四：根据转速偏差建立规则库，转速偏差与当前电机转速输入至电流环模糊控制器内得到可允许的输出电流。
2.根据权利要求1所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，所述转速环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并根据不同负载分别获取电机对应的全额转速；
记录不同的负载在对应的全额转速下，获得相应的PID参数，并将PID参数进行记录；
获取不同负载在不同的控制电压下，负载电流从零增加至额定电流值时，对应的电机转速，生成转速环模糊控制器的数据库。
3.根据权利要求1所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，所述电流环模糊控制器的数据库的建立过程具体包括：
选择电机不同的负载，并获取不同负载在电机的不同转速下的输出电流值；
再获取电机的转速偏差幅度，从而获得电流环模糊控制器的数据库。
4.根据权利要求3所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，所述转速偏差幅度的获取过程包括：
设置不同负载下的不同的电流值，并在同一电流值下对电机的转速进行采样，获得n组采样数据，并将每组采样数据对应的电机转速进行标记；
获取转速环模糊控制器的数据库中，与设置的电流值所对应的额定电流值所对应的电机转速，通过上述参数获得电机在不同负载下的转速偏差幅度ZF。
5.根据权利要求4所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，对PID参数进行调整的具体过程包括：
通过传感器，获得电机的实时转速以及电流值，并将实时转速与电流值输入至转速环模糊控制器；
根据实时转速与电流值与转速环模糊控制器的数据库中的数据差异，分别获得△Kp、△Ki以及△Kd；
输入目标速度值，并将目标速度值实时转速之间的差值记为EN；
则通过公式EV＝(Kp+△Kp)*EN+(Ki+△Ki)*(EN+ZF)+(Kd+△Kd)*(EN-ZF)获得目标电机输出转速EV，将目标电机输出转速EV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获得对应的额定输出电流。
6.根据权利要求5所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，所述△Kp、△Ki以及△Kd分别为比例系数差值、积分系数差值以及微分系数差值，所述Kp、Ki、Kd由实验测试获得，且Kp、Ki、Kd均为常数。
7.根据权利要求6所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，在获得额定输出电流后，则根据额定输出电流获得在该额定输出电流下的实际转速偏差幅度，根据目标电机输出转速EV和实际转速偏差获得电机转速BV。
8.根据权利要求7所述的一种电机驱动器双闭环模糊控制方法，其特征在于，将所述电机转速BV输入至转速环模糊控制器的数据库内，从而获取BV所对应的额定电流值，并将该额定电流值标记为最大输出电流值；
将所获得的额定输出电流与最大输出电流进行比较，从而获得最佳调节电流。
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