一种永磁伺服电机控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种电机控制方法，特别涉及一种永磁伺服电机控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，在数控机床、矿山机械、航空航海等领域，电气设备的稳定性越来越重要。 电机是电力系统的重要组成部分，更是电气系统的核心，所以电机的高精度运行以及低能 耗问题也受到了国家重点的关注。
[0003] 电机传统的PID控制方法无法自动整定参数、抗干扰能力差、控制精度低、耗电量 高；随着电子技术的发展，越来越多的智能控制不断提出，如：神经网络算法，蚁群算法等， 但是这些智能控制算法计算量大，难以在实际中应用，而模糊控制算法简单，易实现，但其 采用分段的阈值切换方式，其节能效果虽然明显，因其切换时间难以确定，会导致调速系统 不稳定。
[0004] 因此，如何去提高电机的控制精度以及低能耗问题是近年来普遍关心的问题，本 发明就是从这两个角度出发，提出一种复合智能化控制方法，实现电机高精度控制以及低 能耗的效果。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对模糊控制运用到PID控制上存在的问题，提出了一种永磁伺服电机 控制方法，利用MATLAB/S頂ULINK软件，建立了永磁伺服电机模型通过搭建仿真模型，在整 个调速过程中，复合智能控制的实现以主控制方式的作用贯穿控制始终，辅控制方式的作 用动态加入。在分权控制表达式中，分权系数α是角速度误差绝对值和给定转速的函数，实 现按误差大小和给定转速自动调节对控制效果的权重，具有智能性。调整α值即调整了寻优 控制规则，易于实现参数调整和实时控制，具有应用合理性。将复合智能控制策略应用于电 机调速的矢量控制，实现复合智能矢量控制。
[0006] 本发明的技术方案为：一种永磁伺服电机控制方法，三相电压源，经过LC滤波之 后，送入到永磁同步电机的三相定子绕组中，然后检测出转速误差信号，转速误差信号输出 一路直接进入复合智能控制器，另外一路经过微分后得到转速误差变化率后进入复合智能 控制器，复合智能控制器包括模糊控制模块、PID控制模块和分权控制模块，转速误差和转 速误差变化率送模糊控制模块进行模糊计算，得出PID三个参数变化量，再计算分权系数α 的值，当α值大于0.6时，采用模糊控制模块输出控制信号，当α值小于〇. 6时采用传统PID控 制模块输出控制信号，输出控制信号作用于永磁同步电机的逆变器上。
[0007] 所述分权系数α是角速度误差绝对值和给定转速的函数，实现按误差大小和给定 转速自动调节对控制效果的权重。
[0008] 本发明的有益效果在于:本发明永磁伺服电机控制方法，实现模糊和PID两种调速 控制方式的优势动态互补，达到理想的高性能调速效果。本发明方法能够使得电机高精度 运行，抗干扰能力强，转速超调量小，且能耗与传统PID控制相比，明显减少，满足低能耗的 效果，使电机处于高精度、低能耗运行状态。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明改进型模糊PID控制框架图；
[0010] 图2为本发明圆形磁链波形图；
[0011]图3为本发明能耗计算框架图；
[0012]图4为本发明智能矢量控制框图；
[0013]图5为本发明永磁伺服电机智能控制框架图；
[0014] 图6为本发明复合智能控制流程图；
[0015] 图7为本发明电机控制精度、节能效果图。
【具体实施方式】
[0016] 因为模糊控制其结构简单，在生活中容易实现，但传统的模糊控制存在缺陷，因此 设计了一种带有积分环节的模糊PID，如图1所示改进型模糊PID控制框架图，输入e是转速 误差信号，一路直接进入模糊控制逻辑，另外一路经过微分后得到转速误差变化率后进入 模糊控制逻辑，通过模糊逻辑规则，判断转速误差处于何种状态，再输出PID三个参数的变 化量，去解调原始的PID参数，这种改进型的模糊PID在电机运行过程中，产生的磁链更加逼 近圆形磁链，如图2所示圆形磁链波形图，（横坐标是直轴方向磁链范围，纵坐标是交轴方向 磁链范围），很大程度上提高了电机的控制精度，转速响应快，稳态和动态性能较好，达到了 预期控制效果。
[0017] 为实现电机的节能运行，对电机能耗部分，采用降压节能原理，但根据电机的能耗 关系可知，降压并不一定都能达到节能目的，只有当电压降低程度大于转差率及功率因数 上升程度时，才能使运行效率提高。因此，在能耗计算框架上加入选择开关，判断电压降低 程度来进行降压节能。如图3所示能耗计算框架图。永磁伺服电机的能耗取决于输入电机的 三相相电压和相电流。有用功的能耗为:W ac = jpiacdt。其中，三相瞬时有功功率?^是各相电 压与对应相电流的乘积之和，即PiaciUaia+Ubib+Ucic;。图3中输入为采集的电压电流信号，经 过三相瞬时有功无功模块，计算出有功和无功的大小，通过开关选择器，可分别计算有功及 无功消耗量，无功消耗大小的计算目的是可对其进行无功补偿，有功功率通过积分环节即 可得出能耗大小。
[0018] 复合智能控制是在PID控制器的基础上，设计增加模糊控制器FLC和分权控制器 FQC，如图4所示智能矢量控制框图。模糊Fuzzy控制、PID控制结合分权控制构成智能控制器 CS0C，实现控制调节。CSOC的输入信号：误差和误差变化率经CSOC中的量化因子分别转化为 模糊论域范围内的模糊信号，通过规则评价和模糊判决得到增量输出，经量化因子后再积 分即得到模糊控制器的输出U，该输出值作为定子电流的转矩分量参考值&，同步角速度 环节中，定子频率的同步角速度《:由
实现，定子旋转磁场角速度 ω S，转子磁链φι·，励磁电感Lm，ω r转子角速度，Tr转子时间常数，sin_cos表不单位矢量的笛 卡尔分量cos( cod)和sin( ω it)。同步电流控制环节，将相应的电流分量iSm(定子电流的励 磁分量)和ist (定子电流的转矩分量)变换为定子电压的励磁分量Usm和转矩分量Ust，Usm和 Ust经两相电流到三相电流变换后通过SPffM发生器，得到逆变器的输出电压的控制信号。
[0019] 图5为永磁伺服电机智能控制框架，通过复合智能矢量控制算法，三相电压源，经 过LC滤波之后，送入到永磁同步电机的三相定子绕组中，然后检测出转速误差之后，送到图 1模糊计算环节中，得出PID三个参数变化量，再计算分权系数α的值，分权系数α是角速度误 差绝对值和给定转速的函数，当α值大于0.6时，采用模糊控制，当α值小于〇 . 6时采用传统 PID控制，实现改进的模糊PID控制与传统的PID控制进行切换，使电机达到高精度运行，通 过电压电流采集环节，采集出三相电压电流，计算出有功功率的大小，最后通过积分环节得 出整个系统工作的能量消耗大小，通过能耗的大小，可知此控制方法的优越性。当α值等于 0.6时两者控制均可使用。
[0020] 如图6所示复合智能控制流程图，采用复合智能矢量控制算法，图中λ为比例因子 常数，α〇为分权因子初始值，在控制系统中为满足0.5 < 1的常值，常规PID控制器无法实 现参数自动整定，抗干扰能力差，耗能大。模糊PID复合控制方法，采用分段的阈值切换方 式，其节能效果虽然明显，因其切换时间难以确定，会导致调速系统不稳定。对于电机的运 动控制系统来讲，只靠一种方式进行控制，达不到理想的控制效果，为此提出一种复合智能 控制方案，实现模糊和PID两种调速控制方式的优势动态互补，达到理想的高性能调速效 果。复合智能控制，基于分权控制，实现模糊和PID两种控制方式携手作用，充分发挥各自优 点，使调速系统体现出节能和鲁棒性。复合智能控制以模糊控制为主控器，PID控制为辅控 器，通过分权控制器中的分权因子α实现按误差大小和给定转速自动调节对控制效果的权 重，具有智能性。
[0021] 图7是通过实际运行得到的输出波形图。根据本发明一种永磁伺服电机节能型控 制方法，通过MATLAB软件搭建仿真模型(如图5)，可以清楚地看到本发明方法能够使得电机 高精度运行，抗干扰能力强，转速超调量小，且能耗与传统PID控制相比，明显减少，满足低 能耗的效果，使电机处于高精度、低能耗运行状态。
【主权项】
1. 一种永磁伺服电机控制方法，其特征在于，三相电压源，经过LC滤波之后，送入到永 磁同步电机的三相定子绕组中，然后检测出转速误差信号，转速误差信号输出一路直接进 入复合智能控制器，另外一路经过微分后得到转速误差变化率后进入复合智能控制器，复 合智能控制器包括模糊控制模块、PID控制模块和分权控制模块，转速误差和转速误差变化 率送模糊控制模块进行模糊计算，得出PID三个参数变化量，再计算分权系数α的值，当α值 大于〇 . 6时，采用模糊控制模块输出控制信号，当α值小于〇. 6时采用传统PID控制模块输出 控制信号，输出控制信号作用于永磁同步电机的逆变器上。2. 根据权利要求1所述永磁伺服电机控制方法，其特征在于，所述分权系数α是角速度 误差绝对值和给定转速的函数，实现按误差大小和给定转速自动调节对控制效果的权重。
【专利摘要】本发明涉及一种永磁伺服电机控制方法，检测出转速误差信号一路直接进入复合智能控制器，另外一路经过微分后得到转速误差变化率后进入复合智能控制器，转速误差和转速误差变化率送模糊控制模块进行模糊计算，得出PID三个参数变化量，再计算分权系数α的值，当α值大于0.6时，采用模糊控制模块输出控制信号，当α值小于0.6时采用传统PID控制模块输出控制信号，输出控制信号作用于永磁同步电机的逆变器上。实现模糊和PID两种调速控制方式的优势动态互补，达到理想的高性能调速效果。本发明方法能够使得电机高精度运行，抗干扰能力强，转速超调量小，且能耗与传统PID控制相比，明显减少，满足低能耗的效果，使电机处于高精度、低能耗运行状态。
【IPC分类】H02P25/02, H02P27/08, H02P21/00
【公开号】CN105610365
【申请号】CN201610119052
【发明人】马立新, 范洪成, 黄阳龙
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月2日