水泵用九相无刷直流电机调速系统及其串联式转速控制器的制造方法

文档序号:10596812阅读:685来源:国知局
水泵用九相无刷直流电机调速系统及其串联式转速控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种水泵用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,包括用于对比例参数、积分参数以及微分参数进行调整的模糊PID参数整定控制器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、用于获得接近给定积分阶次的实际积分阶次,并根据实际积分阶次对输入信号进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于获得接近给定微分阶次的实际微分阶次,并根据实际微分阶次对输入信号进行进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块、第一加法器以及第二加法器。本发明能够使转矩脉动的抑制效果与转速增高/降落同时得到优化,优化效果好。本发明还公开了一种水泵用九相无刷直流电机调速系统,包括以上串联式转速控制器,也具有上述效果。
【专利说明】
水泵用九相无刷直流电机调速系统及其串联式转速控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及电机转速控制领域,特别是涉及一种水栗用九相无刷直流电机调速系 统及其串联式转速控制器。
【背景技术】
[0002] 随着生产技术的迅速发展,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,人们对无刷直流电机转速控制的控制精度提出了更高的 要求。
[0003] 目前,水栗用九相无刷直流电机调速系统采用的是普通PID控制器来对转速进行 控制,具有结构简单、易于实现等优点。在转速控制过程中,不可避免的会产生一定的转矩 脉动和一定的转速增高/降落,故需要对转矩脉动进行抑制以及对转速增高/降落进行优 化,但是普通PID控制中,当调整转矩脉动变小后,转速降落会增大,而调整转速降落变小 后,转矩脉动会增大,即转矩脉动与转速降落不能同时得到优化,优化效果差。
[0004] 因此,如何提供一种优化效果好的水栗用九相无刷直流电机调速系统及其串联式 转速控制器是本领域技术人员目前需要解决的问题。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提供一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,能够较 好的抑制转矩脉动,同时对转速增高/降落进行优化,优化效果好。本发明的另一目的是提 供一种包括上述串联式转速控制器的水栗用九相无刷直流电机调速系统。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明提供了一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速 控制器,包括用于对比例参数、积分参数以及微分参数进行调整的模糊PID参数整定控制 器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、用于获得接近给定积分阶次的实际积分阶次,并 根据所述实际积分阶次对输入信号进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于获得 接近给定微分阶次的实际微分阶次,并根据所述实际微分阶次对输入信号进行进行振荡调 整的分数阶微分滤波器模块、第一加法器以及第二加法器,其中:
[0007] 所述第一加法器的正输入端为所述串联式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串联式转速控制器的实测转速输入端;所述第一加法器的输出 端分别与所述模糊PID参数整定控制器的输入端、所述第一乘法器的第二输入端、所述第二 乘法器的第二输入端以及所述第三乘法器的第二输入端相连;
[0008] 所述模糊PID参数整定控制器的比例参数输出端与所述第一乘法器的第一输入端 相连,所述模糊PID参数整定控制器的积分参数输出端与所述第二乘法器的第一输入端相 连,所述模糊PID参数整定控制器的微分参数输出端与所述第三乘法器的第一输入端相连;
[0009] 所述第二乘法器的输出端与所述分数阶积分滤波器模块的输入端相连;
[0010] 所述第三乘法器的输出端与所述分数阶微分滤波器模块的输入端相连;
[0011] 所述第一乘法器的输出端、所述分数阶积分滤波器模块的输出端以及所述分数阶 微分滤波器模块的输出端分别与所述第二加法器的三个输入端对应相连,所述第二加法器 的输出端为所述串联式转速控制器的输出端。
[0012] 优选地,还包括:
[0013] 第一限幅模块,所述第一限幅模块的输入端与所述第二加法器的输出端相连,所 述第一限幅模块的输出端为所述串联式转速控制器的输出端。
[0014] 优选地,所述分数阶积分滤波器模块包括用于使所述实际积分阶次逼近所述给定 积分阶次,并按照所述实际积分阶次对输入信号进行变化步调调整的积分逼近模块以及用 于对所述积分逼近模块的输出信号进行微调的积分惯性模块;
[0015] 所述积分逼近模块的输入端为所述分数阶积分滤波器模块的输入端,所述积分逼 近模块的输出端与所述积分惯性模块的输入端相连,所述积分惯性模块的输出端为所述分 数阶积分滤波器模块的输出端;
[0016] 所述分数阶微分滤波器模块包括用于使所述实际微分阶次逼近所述给定微分阶 次,并按照所述实际微分阶次对输入信号进行振荡调整的微分逼近模块以及用于对所述微 分逼近模块的输出信号进行微调的微分惯性模块;
[0017] 所述微分逼近模块的输入端为所述分数阶微分滤波器模块的输入端,所述微分逼 近模块的输出端与所述微分惯性模块的输入端相连,所述微分惯性模块的输出端为所述分 数阶微分滤波器模块的输出端。
[0018] 为解决上述技术问题,本发明还提供了一种水栗用九相无刷直流电机调速系统, 包括以上任一项所述的串联式转速控制器。
[0019] 本发明提供了一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,采用将模糊 PID串联式转速控制器与分数阶PID串联式转速控制器串联的方式,由于根据实验结果可 知,模糊PID串联式转速控制器对于转矩脉动具有较好的抑制效果(比普通PID控制以及分 数阶PID转速控制的抑制效果好),分数阶PID串联式转速控制器对于转速增高/降落具有较 好的优化效果(比普通PID控制以及模糊PID转速控制的优化效果好),故本发明中转速偏差 信号首先通过模糊PID控转速制,使转矩脉动的抑制效果达到优化值,之后再通过分数阶 PID转速控制,使转速增高/降落也达到优化值,即本发明能够较好的抑制转矩脉动,同时对 转速增高/降落进行优化,优化效果好。本发明还提供了一种水栗用九相无刷直流电机调速 系统,具有上述有益效果,在此不再赘述。
【附图说明】
[0020] 为了更清楚地说明本发明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。
[0021] 图1为本发明提供的一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器的仿真结 构示意图;
[0022] 图2为本发明提供的一种串联式转速控制器中的模糊PID参数整定控制器的仿真 结构示意图;
[0023] 图3为本发明提供的一种水栗用九相无刷直流电机调速系统的仿真结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的核心是提供一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,能够较 好的抑制转矩脉动,同时对转速增高/降落进行优化,优化效果好。本发明的另一目的是提 供一种包括上述串联式转速控制器的水栗用九相无刷直流电机调速系统。
[0025]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例 中的附图,对本发明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 本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
[0026] 本发明提供了一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,参见图1所示, 图1为本发明提供的一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器的仿真结构示意 图;其中,n-ref-给定转速、n-实测转速、Addl-第一加法器、Add2-第二加法器、fuzzy- 模糊PID参数整定控制器、Product-第一乘法器、Productl -第二乘法器、Product2-第三 乘法器、FKp-模糊PID参数整定控制器的比例参数输出端、FKi-模糊PID参数整定控制器 的积分参数输出端、FKd-模糊PID参数整定控制器的微分参数输出端、itransfer-分数阶 积分滤波器模块、dtransfer-分数阶微分滤波器模块、Ttransfer Fcn3-积分逼近模块、 Ttransfer Fen一积分惯性模块、Ttransfer Fcn4-微分逼近模块、Ttransfer Fcn2-微分 惯性模块、is-输出。
[0027] 该串联式转速控制器包括用于对比例参数、积分参数以及微分参数进行调整的模 糊PID参数整定控制器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、用于获得接近给定积分阶次 的实际积分阶次,并根据实际积分阶次对输入信号进行变化步调调整的分数阶积分滤波器 模块、用于获得接近给定微分阶次的实际微分阶次,并根据实际微分阶次对输入信号进行 进行振荡调整的分数阶微分滤波器模块、第一加法器以及第二加法器,其中:
[0028]第一加法器的正输入端为串联式转速控制器的给定转速输入端,第一加法器的负 输入端为串联式转速控制器的实测转速输入端;第一加法器的输出端分别与模糊PID参数 整定控制器的输入端、第一乘法器的第二输入端、第二乘法器的第二输入端以及第三乘法 器的第二输入端相连;
[0029] 模糊PID参数整定控制器的比例参数输出端与第一乘法器的第一输入端相连,模 糊PID参数整定控制器的积分参数输出端与第二乘法器的第一输入端相连,模糊PID参数整 定控制器的微分参数输出端与第三乘法器的第一输入端相连;
[0030] 第二乘法器的输出端与分数阶积分滤波器模块的输入端相连;
[0031 ]第三乘法器的输出端与分数阶微分滤波器模块的输入端相连;
[0032 ]第一乘法器的输出端、分数阶积分滤波器模块的输出端以及分数阶微分滤波器模 块的输出端分别与第二加法器的三个输入端对应相连,第二加法器的输出端为串联式转速 控制器的输出端。
[0033]可以理解的是,模糊PID参数整定控制器与第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器 组合在一起组成了模糊PID串联式转速控制器,第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器与分 数阶积分滤波器模块、分数阶微分滤波器模块组合在一起组成了分数阶PID串联式转速控 制器,故本发明相当于模糊PID串联式转速控制器与分数阶PID串联式转速控制器串联后组 成的。
[0034] 其中,模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智 能控制方法,是一种模仿人类的推理和思维模式的一种智能控制方式。该控制方式首先将 获取的信号进行模糊化处理,然后将工作人员的操作经验编成模糊规则,由模糊规则对模 糊后的信号进行模糊推理,然后将推理后得到的输出量输出,从而实现仿人类的智能控制。 而模糊PID转速控制是将模糊控制与普通PID控制相结合,通过模糊控制来调整普通PID控 制中的各个参数的大小,进而使控制结果精度更高,超调量更小。
[0035] 通过实验数据可知,模糊PID转速控制对转矩脉动的抑制效果优于分数阶PID转速 控制或普通PID控制,而分数阶PID转速控制对转速增高/降落的优化效果优于模糊PID转速 控制或普通PID控制。故本发明中转速偏差信号首先经过模糊PID参数整定控制器,优化了 转矩脉动,之后优化后的信号通过分数阶PID串联式转速控制器进一步对转速增高/降落进 行优化,可见本发明能够使转矩脉动的抑制效果与转速增高/降落同时得到优化,优化效果 好。
[0036] 其中,这里的转速增高或转速降落分别指的是水栗用九相无刷直流电机突加负载 和突减负载这两种情况时转速的变化情况。当突加负载时,转速增高,此时对转速增高进行 优化指的是对转速增高过程中产生的超调量进行抑制,并减小转速的调节时间;当突减负 载时,转速降落,此时对转速降落进行优化指的是对转速降落过程中产生的最大动态降落 量进行抑制,并减小转速的动态恢复时间。
[0037]可以理解的是,比例参数、积分参数以及微分参数经过模糊PID参数整定控制器调 整后输出为FKp、FKi以及FKd,分别对应为调整后的比例参数、积分参数以及微分参数,PID 控制关系式如下:
[0039] 其中,Kp是比例参数,
是积分参数,KpTd是微分参数,e(t)为模糊PID参数整定 控制器的输入信号。且根据上述关系式可知,调整后的比例参数、积分参数以及微分参数, 与输入信号微积分后所得的信号分别对应相乘后相加。
[0040] 参见图2所示,图2为本发明提供的一种串联式转速控制器中的模糊PID参数整定 控制器的仿真结构示意图;其中,e-输入、Deri vati ve-微分模块、Ga in 1 -放大系数乘法 器、Gain2-微分放大系数乘法器、Saturation-限幅模块、Zero-Order Hold-零点保持 器、Fuzzy Logic Controller-模糊逻辑控制器、constant-常量、Gain3-初始比例参数 控制模块、Gain4-初始积分参数控制模块、Gain5-初始微分参数控制模块、Gain6-比例 参数整定放大模块、Gain7-积分参数整定放大模块、Gain8-微分参数整定放大模块、 Add 一加法器。
[0041 ]由图2可见,模糊PID参数整定控制器的输入信号在经过Gain6~Gain8的整定后, 与初始的比例参数、积分参数以及微分参数对应相加,相当于调整了比例参数、积分参数以 及微分参数的大小。其中,限幅模块的限幅范围可以为[_3V,+3V],当然,本发明对此不作特 别限定,本发明也不限定Gainl~Gain8内的量化因子的数值大小,工作人员可根据实际情 况自行决定。
[0042] 作为优选地,该串联式转速控制器还包括:
[0043] 第一限幅模块,第一限幅模块的输入端与第二加法器的输出端相连,第一限幅模 块的输出端为串联式转速控制器的输出端。
[0044] 可以理解的是,该模块能够对电路内的电流进行幅度调制,避免电流过大烧坏水 栗用九相无刷直流电机,也避免电流幅度过小时导致水栗用九相无刷直流电机的带负载能 力弱、启动速度慢。这里的限幅范围可以为[_100V,+100V],当然,本发明不限定第一限幅模 块的幅值限定范围,工作人员可根据实际情况自行决定。
[0045] 进一步可知,分数阶积分滤波器模块包括用于使实际积分阶次逼近给定积分阶 次,并按照实际积分阶次对输入信号进行变化步调调整的积分逼近模块以及用于对积分逼 近模块的输出信号进行微调的积分惯性模块;
[0046] 积分逼近模块的输入端为分数阶积分滤波器模块的输入端,积分逼近模块的输出 端与积分惯性模块的输入端相连,积分惯性模块的输出端为分数阶积分滤波器模块的输出 端;
[0047] 分数阶微分滤波器模块包括用于使实际微分阶次逼近给定微分阶次,并按照实际 微分阶次对输入信号进行振荡调整的微分逼近模块以及用于对微分逼近模块的输出信号 进行微调的微分惯性模块;
[0048] 微分逼近模块的输入端为分数阶微分滤波器模块的输入端,微分逼近模块的输出 端与微分惯性模块的输入端相连,微分惯性模块的输出端为分数阶微分滤波器模块的输出 端。
[0049] 其中,分数阶积分滤波器模块以及分数阶微分滤波器模块的滤波器阶次可以设置 为7阶,当然,本发明对此不作限定,工作人员可根据实际情况设置以上两个模块的滤波器 阶次。
[0050] 另外,本发明中给定积分阶次的范围为-0.9~-1。例如,可以设置给定积分阶次 为-0.985,此时,分数阶积分滤波器会使实际积分阶次逼近-0.985。
[0051]可以理解的是,通过实验可以得出给定积分阶次的有效范围为-0.66~-1.1,只有 在该范围内才能保证串联式转速控制器的正常控制;进一步的,为了保证该串联式转速控 制器的控制精度高,需要使给定积分阶次在-0.9~-1的范围内。其中,给定积分阶次可以根 据实际情况选择上述范围内的任意数值,本发明对此不作限定。另外,工作人员可根据试验 得出给定积分阶次的范围,本发明对此也不作限定。
[0052]本发明中给定微分阶次可以设置为0.985,给定微分阶次的大小取给定积分阶次 的大小的绝对值。当然,工作人员可根据实验情况得到合适的给定微分阶次的范围,并从该 范围内选定合适的给定微分阶次,本发明对此不作限定。
[0053]本发明提供了一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,采用将模糊 PID串联式转速控制器与分数阶PID串联式转速控制器串联的方式,由于根据实验结果可 知,模糊PID串联式转速控制器对于转矩脉动具有较好的抑制效果(比普通PID控制以及分 数阶PID转速控制的抑制效果好),分数阶PID串联式转速控制器对于转速增高/降落具有较 好的优化效果(比普通PID控制以及模糊PID转速控制的优化效果好),故本发明中转速偏差 信号首先通过模糊PID控转速制,使转矩脉动的抑制效果达到优化值,之后再通过分数阶 PID转速控制,使转速增高/降落也达到优化值,即本发明能够较好的抑制转矩脉动,同时对 转速增高/降落进行优化,优化效果好。
[0054] 本发明还提供了一种水栗用九相无刷直流电机调速系统,包括上述串联式转速控 制器。参见图3所示,图3为本发明提供的一种水栗用九相无刷直流电机调速系统的仿真结 构不意图;其中:
[0055] speed-pi , speed-pi 1, speed-pi2一串联式转速控制器、Reference Current, Reference Currentl,Reference Current2-参考电流模块、Current Controller, Current Controllerl,Current Controller2-电流滞环控制模块、IGBT inverter,IGBT inverterl, IGBT inverter2一逆变器模块、dianjizhuti-电机主体模块。
[0056] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置 而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说 明即可。
[0057]还需要说明的是,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。
[0058]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发明。 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发明的精神或范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本发明 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。
【主权项】
1. 一种水栗用九相无刷直流电机的串联式转速控制器,其特征在于,包括用于对比例 参数、积分参数以及微分参数进行调整的模糊PID参数整定控制器、第一乘法器、第二乘法 器、第三乘法器、用于获得接近给定积分阶次的实际积分阶次,并根据所述实际积分阶次对 输入信号进行变化步调调整的分数阶积分滤波器模块、用于获得接近给定微分阶次的实际 微分阶次,并根据所述实际微分阶次对输入信号进行进行振荡调整的分数阶微分滤波器模 块、第一加法器以及第二加法器,其中: 所述第一加法器的正输入端为所述串联式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串联式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 别与所述模糊PID参数整定控制器的输入端、所述第一乘法器的第二输入端、所述第二乘法 器的第二输入端以及所述第三乘法器的第二输入端相连; 所述模糊PID参数整定控制器的比例参数输出端与所述第一乘法器的第一输入端相 连,所述模糊PID参数整定控制器的积分参数输出端与所述第二乘法器的第一输入端相连, 所述模糊PID参数整定控制器的微分参数输出端与所述第三乘法器的第一输入端相连; 所述第二乘法器的输出端与所述分数阶积分滤波器模块的输入端相连; 所述第三乘法器的输出端与所述分数阶微分滤波器模块的输入端相连; 所述第一乘法器的输出端、所述分数阶积分滤波器模块的输出端以及所述分数阶微分 滤波器模块的输出端分别与所述第二加法器的三个输入端对应相连,所述第二加法器的输 出端为所述串联式转速控制器的输出端。2. 根据权利要求1所述的串联式转速控制器,其特征在于,还包括: 第一限幅模块,所述第一限幅模块的输入端与所述第二加法器的输出端相连,所述第 一限幅模块的输出端为所述串联式转速控制器的输出端。3. 根据权利要求2所述的串联式转速控制器,其特征在于,所述分数阶积分滤波器模块 包括用于使所述实际积分阶次逼近所述给定积分阶次,并按照所述实际积分阶次对输入信 号进行变化步调调整的积分逼近模块以及用于对所述积分逼近模块的输出信号进行微调 的积分惯性模块; 所述积分逼近模块的输入端为所述分数阶积分滤波器模块的输入端,所述积分逼近模 块的输出端与所述积分惯性模块的输入端相连,所述积分惯性模块的输出端为所述分数阶 积分滤波器模块的输出端; 所述分数阶微分滤波器模块包括用于使所述实际微分阶次逼近所述给定微分阶次,并 按照所述实际微分阶次对输入信号进行振荡调整的微分逼近模块以及用于对所述微分逼 近模块的输出信号进行微调的微分惯性模块; 所述微分逼近模块的输入端为所述分数阶微分滤波器模块的输入端,所述微分逼近模 块的输出端与所述微分惯性模块的输入端相连,所述微分惯性模块的输出端为所述分数阶 微分滤波器模块的输出端。4. 一种水栗用九相无刷直流电机调速系统,其特征在于,包括如权利要求1-3中任一项 所述的串联式转速控制器。
【文档编号】H02P23/20GK105958873SQ201610414224
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】龙驹, 曾永忠, 姜曾, 何垂柯
【申请人】西华大学
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