基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法与流程

本发明涉及一种内置式永磁同步电机全速域控制方法。特别是涉及一种基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法。

背景技术：

由于内置式永磁同步电机(interiorpermanentmagnetsynchronousmachine，ipmsm)具有高功率密度、高可靠性、高效率、结构简单、造价低等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。为了提高电机运行效率，在基速以下通常采用最大转矩电流比(maximumtorqueperampere，mtpa)控制算法。在实际系统控制系统中逆变器的容量是一定的，随着电机转速的不断升高直至达到电机的基速点，此时电机定子电压达到逆变器的最大输出电压值，若要继续升高电机转速，则会出现电机反电势大于电机输出电压的情况，而永磁同步电机的转子磁场由永磁体产生，因此无法通过调整转子磁场来降低电机反电势，只能通过间接调整定子电流矢量的方法，达到升高电机转速而电机反电势保持不变的目的。所以，永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求，在基速以下采用最大转矩电流比控制算法实现恒转矩输出，在基速以上采用弱磁控制算法实现恒功率输出。

传统全速域控制策略通常是基于pi控制器的，具有结构简单，易于调节，易实现等优点，但存在以下几方面的问题：(1)传统固定参数的pi控制器不具备实时调节参数的能力，满足不了在线调节参数的要求，无法实现内置式永磁同步电机高精度、高稳定性弱磁需求。(2)ipmsm具有多变量、非线性、强耦合等特点，难以建立起其准确的数学模型，这使得采用pi控制容易受到系统内部参数变化和外部扰动等因素的影响，系统鲁棒性不强。(3)在电动汽车应用中，ipmsm经常处于过载或者高速弱磁状态，电枢反应强，电机参数变化较大，如果不考虑参数变化对控制系统的影响，将会导致电机输出转矩下降、恒功率区变窄、电机效率下降等问题。针对以上问题，需要对基于pi控制器的传统全速域控制策略进行改进，使控制系统在电机参数变化或者负载扰动具有动态响应快、抗干扰能力和鲁棒性强等优点。模糊控制器具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、对模型精度要求不高、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点，成为提高内置式永磁同步电机动态响应和鲁棒性的有效手段之一。

因此，传统基于pi控制器的全速域控制策略在电机参数变化或负载扰动的情况下，往往难以取得令人满意的控制效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提高内置式永磁同步电机性能的基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法，包括如下步骤：

1)采集内置式永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic，并进行坐标变换，得到定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq；通过安装在电机上的编码器采集脉冲信号，并将脉冲信号转换为电机的转子位置角θ和机械转速ωr；

2)将转速设定值ωr^*与所述的机械转速ωr做差，得到转速设定值与机械转速之间的转速差值e，并对转速差值e求微分得到转速差值微分量δe；将转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe作为模糊控制器的输入，经过模糊控制器处理，得到定子电流直轴分量参考值id^*和定子电流交轴分量参考值iq^*；将定子电流直轴分量参考值id^*减去定子电流直轴分量id得到定子电流直轴分量误差值，将定子电流交轴分量参考值iq^*减去定子电流交轴分量iq得到定子电流交轴分量误差值，将定子电流直轴分量误差值和定子电流交轴分量误差值分别经过pi控制器得到定子电压直轴分量参考值ud^*和定子电压交轴分量参考值uq^*，再经过反park变换后得到定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*；

3)将步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*作为电压空间矢量脉宽调制方法的输入，采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路pwm脉冲触发信号，控制电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

步骤2)中所述的模糊控制器处理包括：

(1)将输入的转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe分别经过各自设定的量化因子ke、kωr和kδe由物理论域转化到模糊论域中；

(2)根据转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe各自的隶属度函数，把转化到模糊论域中的输入量模糊化，再利用模糊规则和定子电流交轴分量参考值iq^*的隶属度函数得到输出量的模糊值，利用重心法对模糊量进行清晰化处理；

(3)将第(2)步的结果与对转速差值e积分得到的值相加，得到定子电流交轴分量参考值初值iq0^*，根据机械转速ωr判断电机所在运行区域，选择对应的恒转矩区算法或恒功率区算法计算出定子电流直轴分量参考值初值id0^*；

(4)将定子电流交轴分量参考值初值iq0^*和定子电流直轴分量参考值初值id0^*经过各自设定的比例因子kq、kd把输出量由模糊论域转化到物理论域中，得到定子电流交轴分量参考值iq^*和定子电流直轴分量参考值id^*。

第(1)步中所述的量化因子ke、kωr和kδe的设定表达式如下：

假设输入量的物理论域为[-a，a]，模糊论域为[-b，b]，则所述量化因子的表达式如下：

式中，ki为第i个量化因子，a为输入量的物理论域的上限值，b为输入量的模糊论域的上限值。

第(2)步所述的隶属度函数包括：

所述转速差值e的隶属度函数的表达式如下：

式中，nh(x)为负向大偏差，nl(x)为负向小偏差，ze(x)为无偏差，pl(x)为正向小偏差，ph(x)为正向大偏差；

所述机械转速ωr的隶属度函数的表达式如下：

式中，mtpa(y)为转速小输入，fw1(y)为转速中输入，fw2(y)为转速大输入；

所述转速差值微分量δe的隶属度函数的表达式如下：

ni(z)＝-z，-1≤z≤0

pi(z)＝z，0≤z≤1

式中，ni(z)为负向偏差，pi(z)为正向偏差；

所述定子电流交轴分量参考值iq^*的隶属度函数的表达式如下：

式中，nh(t)为负向大输出，nl(t)为负向小输出，ze(t)为输出保持不变，pl(t)为正向小输出，ph(t)为正向大输出。

第(2)步所述的模糊规则如下：

(2.1)如果转速差值e为正向大偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向大输出；

(2.2)如果转速差值e为正向小偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出；

(2.3)如果转速差值e为无偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为输出保持不变；

(2.4)如果转速差值e为负向小偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向小输出；

(2.5)如果转速差值e为负向大偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向大输出；

(2.6)如果转速差值e为无偏差且转速差值微分量δe为正向偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出；

(2.7)如果转速差值e为无偏差且转速差值微分量δe为负向偏差，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向小输出；

(2.8)如果机械转速ωr为转速中输入，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出；

(2.9)如果机械转速ωr为转速大输入，则定子电流交轴分量参考值iq^*为输出保持不变。

第(2)步所述的利用重心法对模糊量进行清晰化处理公式如下：

式中，u为经过解模糊得到的清晰量，uj为第j组元素的权重，a(uj)为uj处的隶属度。

第(3)步所述的电机的运行区域包括恒转矩区和恒功率区，

在恒转矩区，定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值；

利用泰勒级数将公式展开，忽略对系统影响很小的高次项，得到简化后的恒转矩区定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

在恒功率区，定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

式中，usmax为逆变器能够输出的电压最大值，ωr为机械转速；

利用泰勒级数将公式展开，忽略对系统影响很小的高次项，得到简化后的恒功率区定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

第(4)步所述的比例因子kq、kd的设定表达式如下：

假设输出量的模糊论域为[-c，c]，物理论域为[-d，d]，所述比例因子的表达式如下：

式中，ko为第o个比例因子，c为输出量的模糊论域的上限值，d为输出量的物理论域的上限值。

本发明的基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法，实现简单，对于负载扰动具有较好的鲁棒性和快速性，能够有效提高内置式永磁同步电机在全速域的控制性能。本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用模糊控制器作为转速外环调节器，并根据实际电机模型设计了输入、输出变量的隶属度函数以及模糊规则，有效避免了在实际工况中电机参数变化对控制系统的影响，并且提高了系统在受到外部扰动时的跟踪性能。因此本发明可适用于电动汽车等运行工况复杂的场合中。

(2)在算法上通过设计恒转矩区和恒功率区的电流控制策略，有效降低了电机损耗，提高了电机运行效率。传统算法公式中含有平方、根号等运算项，这对控制器的处理速度有较高的要求，所以对控制算法进行简化，减小了控制算法对控制器的要求，提高算法的实用性。

(3)针对模糊控制器存在稳态误差问题，在模糊控制器的基础上加入积分环节，直接对系统的误差值进行积分运算，从而有效减小系统稳态误差，提高控制精度。

附图说明

图1是本发明基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法的系统框图；

图2是模糊控制器的构成框图；

图3是转速设定值与机械转速之间的差值e的隶属度函数图；

图4是机械转速ωr的隶属度函数图；

图5是转速差值微分量δe的隶属度函数图；

图6是定子电流交轴分量参考值iq^*的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法，包括如下步骤：

1)采集内置式永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic，并进行坐标变换，得到定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq；通过安装在电机上的编码器采集脉冲信号，并将脉冲信号转换为电机的转子位置角θ和机械转速ωr；

通过微处理器内部a/d转换接口采集内置式永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic，将三相定子电流ia、ib、ic经clarke变换，变换成电机定子电流在α轴、β轴上的参考电流值iα、iβ，clark变换矩阵c3s/2s为

将电机定子电流在α轴、β轴上的参考电流值iα、iβ经park变换，变换成定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq；park变换矩阵c2s/2r为

通过微处理器内部eqep模块处理由编码器得到的信号，得到电机的转子位置角θ和电机的机械转速ωr。

2)将转速设定值ωr^*与所述的机械转速ωr做差，得到转速设定值与机械转速之间的转速差值e，并对转速差值e求微分得到转速差值微分量δe；将转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe作为模糊控制器的输入，经过模糊控制器处理，得到定子电流直轴分量参考值id^*和定子电流交轴分量参考值iq^*；将定子电流直轴分量参考值id^*减去定子电流直轴分量id得到定子电流直轴分量误差值，将定子电流交轴分量参考值iq^*减去定子电流交轴分量iq得到定子电流交轴分量误差值，将定子电流直轴分量误差值和定子电流交轴分量误差值分别经过pi控制器得到定子电压直轴分量参考值ud^*和定子电压交轴分量参考值uq^*，再经过反park变换后得到定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*；其中，

所述的pi控制器输出的定子电压直轴分量参考值ud^*的表达式为

所述的pi控制器输出的定子电压交轴分量参考值uq^*的表达式为

式中，kp为比例系数；ki为积分系数。

当系统的给定信号与反馈信号出现偏差时，pi控制器的比例环节立即产生调节作用，以减少偏差，但过大的比例系数会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定；积分环节主要用于消除静差，提高系统的误差度，积分系数越大，积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度越慢。

反park变换矩阵c2r/2s为

式中，θ为永磁同步电机转子位置角

如图2所示，所述的模糊控制器处理包括：

(1)将输入的转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe分别经过各自设定的量化因子ke、kωr和kδe由物理论域转化到模糊论域中；

所述的量化因子ke、kωr和kδe的设定表达式如下：

假设输入量的物理论域为[-a，a]，模糊论域为[-b，b]，则所述量化因子的表达式如下：

式中，ki为第i个量化因子，a为输入量的物理论域的上限值，b为输入量的模糊论域的上限值。

(2)根据转速差值e、机械转速ωr、转速差值微分量δe各自的隶属度函数，把转化到模糊论域中的输入量模糊化，再利用模糊规则和定子电流交轴分量参考值iq^*的隶属度函数得到输出量的模糊值，利用重心法对模糊量进行清晰化处理；

如图3、图4、图5、图6所示，所述的隶属度函数如下：

所述转速差值e的隶属度函数的表达式如下：

式中，nh(x)为负向大偏差，nl(x)为负向小偏差，ze(x)为无偏差，pl(x)为正向小偏差，ph(x)为正向大偏差。

所述机械转速ωr的隶属度函数的表达式如下：

式中，mtpa(y)为转速小输入，fw1(y)为转速中输入，fw2(y)为转速大输入。

所述转速差值微分量δe的隶属度函数的表达式如下：

ni(z)＝-z，-1≤z≤0

pi(z)＝z，0≤z≤1

式中，ni(z)为负向偏差，pi(z)为正向偏差。

所述定子电流交轴分量参考值iq^*的隶属度函数的表达式如下：

式中，nh(t)为负向大输出，nl(t)为负向小输出，ze(t)为输出保持不变，pl(t)为正向小输出，ph(t)为正向大输出。

所述的模糊规则如下：

(2.1)如果转速差值e为正向大偏差ph，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向大输出ph；

(2.2)如果转速差值e为正向小偏差pl，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出pl；

(2.3)如果转速差值e为无偏差ze，则定子电流交轴分量参考值iq^*为输出保持不变ze；

(2.4)如果转速差值e为负向小偏差nl，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向小输出nl；

(2.5)如果转速差值e为负向大偏差nh，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向大输出nh；

(2.6)如果转速差值e为无偏差nh且转速差值微分量δe为正向偏差pi，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出pl；

(2.7)如果转速差值e为无偏差ze且转速差值微分量δe为负向偏差ni，则定子电流交轴分量参考值iq^*为负向小输出nl；

(2.8)如果机械转速ωr为转速中输入fw1，则定子电流交轴分量参考值iq^*为正向小输出pl；

(2.9)如果机械转速ωr为转速大输入fw2，则定子电流交轴分量参考值iq^*为输出保持不变ze。

利用重心法对模糊量进行清晰化处理公式如下：

式中，u为经过解模糊得到的清晰量，uj为第j组元素的权重，a(uj)为uj处的隶属度。

(3)将第(2)步的结果与对转速差值e积分得到的值相加，得到定子电流交轴分量参考值初值iq0^*，根据机械转速ωr判断电机所在运行区域，选择对应的算法计算出定子电流直轴分量参考值初值id0^*；

所述的电机的运行区域包括恒转矩区和恒功率区，

在恒转矩区，定子电流直轴分量参考值id^*的表达式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值；

由于这种控制算法的计算量比较大，对控制器的计算速度有较高要求，可以对其进行简化处理，利用泰勒级数将上述公式展开为

对于大多数内置式永磁同步电机均有(lq-ld)/ψf<<1，,虽然iq^*的阶数在升高，但是(lq-ld)/ψf在急剧减小，所以忽略4阶及其以上，得到简化后的恒转矩区定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

在恒功率区，为了使电机的损耗最低化，所以在电压极限椭圆上取点，定子电流直轴分量参考值id^*的算法表达式如下：

式中，usmax为逆变器能够输出的电压最大值，ωr为机械转速；

和恒转矩区处理方法一样，对公式进行简化处理，利用泰勒级数将公式展开得到

对于大多数内置式永磁同步电机，从参数ld，lq，ψf可以看出，iq^*的系数项非常小，所以忽略4阶及其以上，因此，得到简化后的恒功率区定子电流直轴分量参考值id^*的表达式如下：

(4)将定子电流交轴分量参考值初值iq0^*和定子电流直轴分量参考值初值id0^*经过各自设定的比例因子kq、kd把输出量由模糊论域转化到物理论域中，得到定子电流交轴分量参考值iq^*和定子电流直轴分量参考值id^*。

所述的比例因子kq、kd的设定表达式如下：

假设输出量的模糊论域为[-c，c]，物理论域为[-d，d]，所述比例因子的表达式如下：

式中，ko为第o个比例因子，c为输出量的模糊论域的上限值，d为输出量的物理论域的上限值。

3)将步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*作为电压空间矢量脉宽调制方法(svpwm)的输入，采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路pwm脉冲触发信号，控制电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

综上所述，本发明是对内置式永磁同步电机弱磁控制方法进行了算法和结构上的改进。结构上通过用模糊控制器代替传统的pi速度控制器，提高了系统受到负载扰动时的跟踪性能和鲁棒性能，并且在控制系统引入积分控制，直接对误差的精确量进行积分，再与模糊控制器的输出变量叠加后构成总的输出变量，进一步消除静态误差，增强系统的快速性；在算法上通过设计恒转矩区和恒功率区的电流控制策略，并考虑到在实际运用中硬件的限制，对控制算法进行简化，进一步提高了内置式永磁同步电机在恒转矩区和恒功率区的控制性能。