CN205584053U - 一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶pi转速控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器，包括用于根据水泵用六相无刷直流电机的给定转速以及实测转速得到转速偏差的第一加法器、用于调整分数阶PI转速控制器的比例参数的比例控制模块、用于调整分数阶PI转速控制器的积分参数的积分控制模块、用于确定分数阶PI转速控制器的积分阶次的零极点增益模块以及第二加法器。本实用新型不仅能够通过改变比例参数和积分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的阶次来调整控制精度，控制精度高；且由于分数阶控制属于非线性控制，相比普通PI控制更能满足水泵用六相无刷直流电机的调速系统的控制需求。本实用新型还提供了一种包括上述分数阶PI转速控制器的水泵用六相无刷直流电机。

Description

一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器

技术领域

本实用新型涉及电机转速控制技术领域，特别是涉及一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器。

背景技术

随着生产技术的迅速发展，水泵用六相无刷直流电机越来越多地应用到生产生活中来，而如今由于工业生产需求的不断提升，人们对水泵用六相无刷直流电机的转速控制的控制精度提出了更高的要求。

目前，水泵用六相无刷直流电机的采用的是普通PI控制器来对转速进行控制，具有结构简单、易于实现等优点。但是，由于PI控制是一种线性控制，而水泵用六相无刷直流电机具有非线性的特点，需要控制的参数很多，PI控制器对转速的控制无法达到要求，控制精度低。

因此，如何提供一种控制精度高的水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器是本领域技术人员目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器，不仅能够通过改变比例参数和积分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的阶次来调整控制精度，控制精度高。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器，包括用于根据所述水泵用六相无刷直流电机的给定转速以及实测转速得到转速偏差的第一加法器、用于调整所述分数阶PI转速控制器的比例参数的比例控制模块、用于调整所述分数阶PI转速控制器的积分参数的积分控制模块、用于确定所述分数阶PI转速控制器的积分阶次的零极点增益模块以及第二加法器；其中：

所述第一加法器的正输入端为所述分数阶PI转速控制器的给定转速输入端，所述第一加法器的负输入端为所述分数阶PI转速控制器的实测转速输入端；所述第一加法器的输出端分别与所述比例控制模块的输入端以及所述积分控制模块的输入端相连；

所述积分控制模块的输出端与所述零极点增益模块的输入端相连；

所述第二加法器的正输入端与所述比例控制模块的输出端相连；所述第二加法器的负输入端与所述零极点增益模块的输出端相连，所述第二加法器的输出端作为所述分数阶PI转速控制器的输出端。

优选地，还包括：

用于对所述分数阶PI转速控制器的输出控制量进行微调的传递函数模块，所述传递函数模块的输入端与所述零极点增益模块的输出端相连，所述传递函数模块的输出端与所述第二加法器的负输入端相连。

优选地，所述比例控制模块与所述积分控制模块为乘法器。

为解决上述技术问题，本实用新型还提供了一种水泵用六相无刷直流电机，包括以上任一项所述的分数阶PI转速控制器。

本实用新型提供了一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器，与普通PI控制在整数阶的层面上仅通过比例参数以及积分参数进行控制相比，本实用新型提供的分数阶PI转速控制器是在分数阶次的层面上对输出控制量进行调整，即本实用新型不仅能够通过改变比例参数和积分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的阶次来调整控制精度，本实用新型中通过零极点增益模块能够得出使输出控制量精度最高的积分阶次，从而提高了控制精度；另外，由于在分数阶次的层面上进行控制属于非线性控制，相比普通PI控制更能满足水泵用六相无刷直流电机的调速系统的控制需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI调速系统的结构示意图；

图3为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI调速系统的仿真模型结构示意图；

其中，图3中：

speed-Fpi—分数阶PI转速控制器、Reference Current—参考电流模块，IGBT inverter—逆变器模块、dianjizhuti—电机主体模块。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器，不仅能够通过改变比例参数和积分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的阶次来调整控制精度，控制精度高。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器，参见图1所示，图1为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器的结构示意图；

该分数阶PI转速控制器包括用于根据水泵用六相无刷直流电机的给定转速以及实测转速得到转速偏差的第一加法器11、用于调整分数阶PI转速控制器的比例参数的比例控制模块12、用于调整分数阶PI转速控制器的积分参数的积分控制模块13、用于确定分数阶PI转速控制器的积分阶次的零极点增益模块14(zero-pole)以及第二加法器15；其中：

第一加法器11的正输入端为分数阶PI转速控制器的给定转速输入端，第一加法器11的负输入端为分数阶PI转速控制器的实测转速输入端；第一加法器11的输出端分别与比例控制模块12的输入端以及积分控制模块13的输入端相连；

积分控制模块13的输出端与零极点增益模块14的输入端相连；

第二加法器15的正输入端与比例控制模块12的输出端相连；第二加法器15的负输入端与零极点增益模块14的输出端相连，第二加法器15的输出端作为分数阶PI转速控制器的输出端。

可以理解的是，分数阶PI转速控制器与整数阶PI转速控制器的控制理论相似，均是通过给定转速和实测转速的差值来进行调节的，是一种有差调节，即这两种控制器均是以转速误差e(t)作为变量的。只是分数阶PI转速控制器可以设置的参数更多。其中，分数阶PI转速控制关系式为：

$U_t=K_{p}e\left(t\right)+K_i{I}_t^{\mathrm{\β}}e\left(t\right)$

U_t为分数阶PI转速控制器的输出控制量，K_p为比例参数，K_i为积分参数，β为积分阶次。

另外，通过实验可知，与普通PI控制相比，本实用新型提供的分数阶PI转速控制能够更早达到稳定状态且超调量更小。

其中，零极点增益模块14在确定积分阶次β时，需要将(β∈[0.1,0.9]，步长为0.1，误差为3db)的逼近关系式分别输入零极点增益模块14，然后通过在相同的条件下比较输出结果的转速和转矩的波形，选择控制精度最高的输出结果所对应的阶次作为分数阶PI转速控制器的积分阶次。例如，β可以为0.8，当然，工作人员可根据实际实验结果得出β的具体数值，本实用新型对此不作特别限定。

其中，逼近关系式为：

$\frac{1}{s^{0.1}}=\frac{1584.8932(s+0.1668)(s+27.83)}{(s+0.1)(s+16.68)(s+2783)}$

$\frac{1}{s^{0.2}}=\frac{79.4328(s+0.05623)(s+1)(s+17.78)}{(s+0.03162)(s+0.5623)(s+10)(s+177.8)}$

$\frac{1}{s^{0.3}}=\frac{39.8107(s+0.0416)(s+0.3728)(s+3.34)(s+29.94)}{(s+0.02154)(s+0.1931)(s+1.73)(s+15.51)(s+138.9)}$

$\frac{1}{s^{0.4}}=\frac{39.4813(s+0.03831)(s+0.261)(s+1.778)(s+12.12)(s+82.54)}{(s+0.01778)(s+0.1212)(s+0.8254)(s+5.623)(s+38.31)(s+261)}$

$\frac{1}{s^{0.5}}=\frac{15.8489(s+0.03831)(s+0.261)(s+1.778)(s+12.12)(s+82.54)}{(s+0.01778)(s+0.1212)(s+0.8254)(s+5.623)(s+38.31)(s+261)}$

$\frac{1}{s^{0.6}}=\frac{10.7978(s+0.04642)(s+0.3162)(s+2.154)(s+14.68)(s+100)}{(s+0.01468)(s+0.1)(s+0.6813)(s+4.642)(s+31.62)(s+215.4)}$

$\frac{1}{s^{0.7}}=\frac{9.3633(s+0.06449)(s+0.578)(s+5.179)(s+46.42)(s+416)}{(s+0.01389)(s+0.1245)(s+1.116)(s+10)(s+89.62)(s+803.1)}$

$\frac{1}{s^{0.8}}=\frac{5.3088(s+0.1334)(s+2.371)(s+42.17)(s+749.9)}{(s+0.01778)(s+0.1212)(s+0.8254)(s+5.623)(s+38.31)(s+261)}$

$\frac{1}{s^{0.9}}=\frac{2.2675(s+1.292)(s+215.4)}{(s+0.01292)(s+2.154)(s+359.4)}$

作为优选地，该分数阶PI转速控制器还包括：

用于对分数阶PI转速控制器的输出控制量进行微调的传递函数模块16(Transfer Fcn)，传递函数模块16的输入端与零极点增益模块14的输出端相连，传递函数模块16的输出端与第二加法器15的负输入端相连。

可以理解的是，通过传递函数模块16对零极点增益模块14的输出结果进行微调，能够对信号进行增强，使得输出的信号波形更符合要求。

其中，这里的比例控制模块12与积分控制模块13为乘法器。

可以理解的是，乘法器的作用是使控制量与乘法器内预设的量化因子相乘，从而达到调制分数阶PI转速控制器的输出控制量的目的。其中，比例控制模块12内预设的量化因子为比例参数，积分控制模块13内预设的量化因子为积分参数，比例参数和积分参数的具体数值由实验计算得出，本实用新型对此不作限定。

本实用新型提供了一种水泵用六相无刷直流电机及其分数阶PI转速控制器，与普通PI控制在整数阶的层面上仅通过比例参数以及积分参数进行控制相比，本实用新型提供的分数阶PI转速控制器是在分数阶次的层面上对输出控制量进行调整，即本实用新型不仅能够通过改变比例参数和积分参数来调整输出控制量，还能够改变分数阶的阶次来调整控制精度，本实用新型中通过零极点增益模块能够得出使输出控制量精度最高的积分阶次，从而提高了控制精度；另外，由于在分数阶次的层面上进行控制属于非线性控制，相比普通PI控制更能满足水泵用六相无刷直流电机的调速系统的控制需求。

本实用新型还提供了一种水泵用六相无刷直流电机，包括以上分数阶PI转速控制器。

可以理解的是，本实用新型中的分数阶PI转速控制器是设置于水泵用六相无刷直流电机的调速系统中的，故该调速系统为分数阶PI调速系统，参见图2和图3所示，图2为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI调速系统的结构示意图；图3为本实用新型提供的一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI调速系统的仿真模型结构示意图；。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种水泵用六相无刷直流电机的分数阶PI转速控制器，其特征在于，包括用于根据所述水泵用六相无刷直流电机的给定转速以及实测转速得到转速偏差的第一加法器、用于调整所述分数阶PI转速控制器的比例参数的比例控制模块、用于调整所述分数阶PI转速控制器的积分参数的积分控制模块、用于确定所述分数阶PI转速控制器的积分阶次的零极点增益模块以及第二加法器；其中：

所述第一加法器的正输入端为所述分数阶PI转速控制器的给定转速输入端，所述第一加法器的负输入端为所述分数阶PI转速控制器的实测转速输入端；所述第一加法器的输出端分别与所述比例控制模块的输入端以及所述积分控制模块的输入端相连；

所述积分控制模块的输出端与所述零极点增益模块的输入端相连；

所述第二加法器的正输入端与所述比例控制模块的输出端相连；所述第二加法器的负输入端与所述零极点增益模块的输出端相连，所述第二加法器的输出端作为所述分数阶PI转速控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的分数阶PI转速控制器，其特征在于，还包括：

用于对所述分数阶PI转速控制器的输出控制量进行微调的传递函数模块，所述传递函数模块的输入端与所述零极点增益模块的输出端相连，所述传递函数模块的输出端与所述第二加法器的负输入端相连。

3.根据权利要求1所述的分数阶PI转速控制器，其特征在于，所述比例控制模块与所述积分控制模块为乘法器。

4.一种水泵用六相无刷直流电机，其特征在于，包括如权利要求1-3中任一项所述的分数阶PI转速控制器。