一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法与流程

本发明属于电机系统及控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法。

背景技术：

永磁同步电机(pmsm)是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，具有本身的功率效率高以及功率因数高、发热小、允许的过载电流大，可靠性高等特点，相比于传统的电励磁同步电机，永磁同步电机又具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点，使得永磁同步电机在多个领域得到快速的应用和发展。

越来越多的国内外学者对永磁同步电机的控制算法进行优化。传统情况下，永磁同步电机驱动控制采用矢量控制，系统响应一般，电流跟踪控制的响应速度和稳态精度不理想。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统及方法，增强系统响应，提高电机电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

本发明采用以下技术方案：

一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，包括直流电源，模糊逻辑控制器、park和clarke转换模块、滞环控制器、pwm产生单元、pi控制器、滞环控制器、微分单元、电流传感器、霍尔传感器、位置和转速产生单元、逆变器、转速调节器、电流调节器；直流电源与逆变器的每个桥臂相连；转速调节器与模糊逻辑控制器、微分单元、位置和转速产生单元以及pi控制器相连，pi控制器与park和clarke转换模块相连，park和clarke转换模块与电流调节器、位置和转速产生单元相连，电流调节器与电流传感器和滞环控制器相连，滞环控制器后与pwm产生单元相连，同时模糊逻辑控制器后与pwm产生单元也相连，pwm产生单元后与逆变器相连，逆变器与电机直接相连，位置和转速产生单元与霍尔传感器相连，霍尔传感器和电流传感器均与电机相连。

可选的，逆变器根据pwm产生单元产生的pwm信号控制功率开关管的开关状态，产生不同的电路拓扑结构，每种拓扑结构对应双永磁同步电机的一种工作模式，每种工作模式所表示的工作状态都能驱动其中一个永磁同步电机独自运行；

根据工作需要输入给定速度，与反馈回路的反馈速度对比后，经过pi调节器，输出q轴参考电流，同时速度误差e与速度误差求导后ec输入到模糊逻辑控制器中，输出信号g到pwm产生单元中；

然后设置d轴参考电流为0，q轴参考电流和d轴参考电流经park和clarke转换单元得到三相参考电流，三相参考电流分别与反馈回路的三相电流经过电流比较模块，产生三相电流误差，输入到滞环控制器中，输出信号kj到pwm产生单元，与信号g对应设置crr值，产生相应占空比的六路pwm信号，产生的六路pwm信号输入到逆变器中，分别控制逆变器中的六个功率开关管，从而控制永磁同步电机m1正常运转。

可选的，电流传感器将检测到的三相电流送到电流调节模块；霍尔传感器将检测到的霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元将速度和角度分别送到速度调节器和park和clarke转换模块；

模糊逻辑控制器的输出量g输入到pwm产生单元，设置两个大小不等的ccr值分别对应滞环控制器的两种输出，根据三个滞环控制器的输出设置相应的ccr值作为调制波，设置三角波为载波，载波和调制波斩波生成pwm波，滞环控制器不同的输出分别产生不同占空比的pwm波形，滞环控制器输出的一路信号输入到pwm产生单元后，产生两路互补的pwm信号，pwm产生单元共产生相应六路pwm信号，输入到逆变器。

一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，利用如权利要求1至3中任一项所述的永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，将速度误差和误差变化量作为模糊逻辑控制器输入，输出量g与滞环控制器输出信号匹配，控制pwm产生相应占空比的六路pwm信号，控制逆变器的六个功率开关管，控制电机运行。

具体的，包括以下步骤：

s1、对系统进行初始化，霍尔传感器和电流传感器分别采集三相永磁同步电机m1的霍尔信号和三相电流信号，霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ1和速度信号ω1后分别送到park和clarke转换模块和速度调节模块中；三相电流ia1、ib1、ic1送到电流调节模块中；

s2、参考速度和反馈速度ω1经过速度调节模块，得到速度误差e，速度误差分别经pi控制器得到q轴参考电流经微分得到信号ec，e和ec两路信号一同输入到模糊逻辑控制器；

s3、设置d轴参考电流为0，dq轴电流和输入到park和clarke转换模块，得到三相参考电流

s4、步骤s3得到的三相参考电流与反馈回路的三相电流ia1、ib1、ic1经过电流调节器，得到三相电流误差三个误差信号输入到滞环控制器，输出三路信号ka1、kb1、kc1到pwm产生单元；

s5、根据步骤s2，模糊逻辑控制器输出信号g到pwm产生单元，与系统预装载值arr合成两个大小不等的ccr值，分别对应滞环控制器的两个不同的输出，步骤s4得到的信号ka1、kb1、kc1与相应的ccr值对应，载波和调制波斩波生成pwm波，滞环控制器输出的一路信号产生两路互补的pwm信号，使得pwm产生单元产生相应六路pwm信号，六路pwm信号输入到逆变器，控制六个功率开关管的状态，控制永磁同步电机正常运转。

进一步的，步骤s3中，park和clarke转换得到三相参考电流如下：

其中，iα和iβ为clarke变换后的两相电流，θ为d轴轴线与电机a相绕组的轴线之间的夹角。

进一步的，步骤s4中，三相永磁同步电机m1支路的三个误差信号为：

进一步的，三个误差信号输入到滞环控制器后输出的kj为：

其中，j＝a1、b1、c1，为误差信号，h为滞环控制器环宽的1/2。

进一步的，步骤s5中，用信号ka1、kb1、kc1的值设置相应的ccr值为：

其中，high为滞环控制器高输出，low为滞环控制器低输出，arr为系统重装载值。

进一步的，步骤s5中，设置系统ccr值作为调制波，设置三角波为载波。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，采用双闭环的方式进行控制，pi控制器将转速误差进行调节，输出q轴参考电流，设置d轴电流为0，从而形成两相电流；park和clarke转换模块将两相电流转化为三相电流；模糊逻辑控制器将转速误差和误差变化率转化为输出量g，输入到pwm产生单元，从而实现对生成pwm进行调节；滞环控制器将三相电流误差进行调节，输出三路信号信号到pwm产生单元，与模糊逻辑控制器的输出量g匹配，设置相应的ccr值，形成相应占空比的pwm波；逆变器结构为三桥臂六开关，功率开关管采用mosfet，与电机和直流电源直接相连，从而较好的控制电机；pwm产生单元与逆变器相连，从而实现六路pwm信号分别控制逆变器六个功率开关管的开断，实现对电机的控制；霍尔传感器和电流传感器与电机相连，从而能够较快的获得电流和霍尔信号，较快的反馈到相应模块；霍尔传感器与位置和转速产生单元相连，可以将霍尔信号解析为转速和位置信号，分别送到相应的模块，这样设计增加了系统的稳定性。

进一步的，系统采用双闭环控制策略，模糊逻辑控制器控制为前馈控制，两部分组合起来较好的对pwm产生单元进行调节，增强了系统稳定性和鲁棒性，提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，从而实现对电机的更有效控制。

进一步的，采用模糊控制对pwm产生单元的ccr值进行调节，与滞环控制器相结合，较好的提高了电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

本发明还公开了一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，运用模糊控制对pwm产生单元的ccr值进行调整，与滞环控制器相结合，可以较好的提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，有效的实现电机的控制。

进一步的，系统采用双闭环控制方式，可实现电机的稳定控制，同时模糊逻辑部分采用前馈控制方式，能对pwm产生单元的ccr值进行调整，与滞环控制器相结合，更好的提高了电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

进一步的，步骤s3将两相电流转换为三相参考电流，经过电流调节器，输出到滞环控制器，从而输出三路信号到pwm产生单元，可实现pwm产生单元产生六路pwm信号，对逆变器的六个功率开关管的通断进行控制。

进一步的，步骤s4采用滞环控制策略，可有效的对电流误差信号进行处理，具有实时控制、响应速度快、鲁棒性强的优点，可提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

进一步的，步骤s5中将滞环控制器的两个输出设置为两个与模糊控制器输出量g相关的值，与滞环控制器输出相匹配，并将值赋予pwm产生单元的ccr，控制pwm产生单元产生相应占空比的pwm波，这样可有效提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

进一步的，将ccr值作为调制波，设置三角波为载波，随着模糊逻辑控制器的输出量g的变化，ccr值也在变化，从而实现对pwm产生单元的控制，增强系统的鲁棒性，这样可提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，加强对电机的控制。

综上所述，本发明运用模糊控制与滞环控制相结合的方式，对pwm产生单元进行控制，可以有效提高电流跟踪控制的响应速度和稳态精度，系统稳定性和鲁棒性增强，电机控制也得到有效改善。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明控制算法简易结构框图；

图2为本发明总体控制策略流程图；

图3为pwm信号生成原理图；

图4为本发明模糊逻辑控制器组成图；

图5为本发明模糊规则库中输入量e的隶属度函数图；

图6为本发明模糊规则库中输入量ec的隶属度函数图；

图7为本发明模糊规则库中输出量g的隶属度函数图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种永磁同步电机模糊滞环电流控制系统，包含直流电源，模糊逻辑控制器、park和clarke转换模块、滞环控制器、pwm产生单元、pi控制器、滞环控制器、微分单元、电流传感器、霍尔传感器、位置和转速产生单元、逆变器、电流调节器、转速调节器；

直流电源与逆变器的每个桥臂相连；转速调节器与模糊逻辑控制器、微分单元、位置和转速产生单元和pi控制器相连，pi控制器后与park和clarke转换模块相连，park和clarke转换模块与电流调节器、位置和转速产生单元相连，电流调节器与电流传感器和滞环控制器相连，滞环控制器后与pwm产生单元相连，同时模糊逻辑控制器后与pwm产生单元也相连，pwm产生单元后与逆变器相连，逆变器与电机直接相连，位置和转速产生单元与霍尔传感器相连，霍尔传感器和电流传感器与电机相连。

逆变器由三个逆变器桥臂以及六个功率开关管组成，三个逆变器桥臂并联后与公共的直流电源相连，逆变器与永磁同步电机m1连接，永磁同步电机m1经位置和转速产生单元与pi控制器连接，在算法方面，转速误差e和转速误差变化率ec输入到模糊逻辑控制器，模糊逻辑控制器输出g到pwm产生单元，与滞环控制器产生的信号kj对应，设置pwm产生单元的crr值，产生相应的pwm信号输入至逆变器，能够提高电机电流跟踪控制的响应速度和稳态精度。

工作原理如下：

在系统稳定运行的过程中，逆变器可以根据pwm产生单元产生的pwm信号控制功率开关管的开关状态，产生不同的电路拓扑结构，每种拓扑结构对应双永磁同步电机的一种工作模式，每种工作模式所表示的工作状态都能驱动其中一个永磁同步电机独自运行。

根据工作需要输入给定速度，与反馈回路的反馈速度对比后，经过pi调节器，输出q轴参考电流，同时速度误差e与速度误差求导后ec输入到模糊逻辑控制器中，输出信号g到pwm产生单元中。

然后设置d轴参考电流为0，q轴参考电流和d轴参考电流经park和clarke转换单元得到三相参考电流，三相参考电流分别与反馈回路的三相电流经过电流比较模块，产生三相电流误差，输入到滞环控制器中，输出信号kj到pwm产生单元，与信号g对应设置crr值，产生相应占空比的六路pwm信号，产生的六路pwm信号输入到逆变器中，分别控制逆变器中的六个功率开关管，从而控制永磁同步电机m1正常运转。

电流传感器将检测到的三相电流送到电流调节模块；霍尔传感器将检测到的霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元将速度和角度分别送到速度调节器和park和clarke转换模块。

模糊逻辑控制器的输出量g输入到pwm产生单元，设置两个大小不等的ccr值，ccr值由输出量g和系统预装载值arr决定，两个不等的ccr值分别对应滞环控制器的两种不同的输出，参照图3，根据三个滞环控制器的输出设置相应的ccr值，ccr值作为调制波，设置三角波为载波，载波和调制波斩波生成pwm波，滞环控制器不同的输出分别产生不同占空比的pwm波形。滞环控制器输出的一路信号输入到pwm产生单元后，产生两路互补的pwm信号，pwm产生单元共产生相应六路pwm信号，输入到逆变器。

请参阅图2，本发明一种永磁同步电机模糊滞环电流控制方法，将速度误差和误差变化量作为模糊逻辑控制器输入，输出量g与滞环控制器输出信号匹配，控制pwm产生相应占空比的六路pwm信号，控制逆变器的六个功率开关管，使得电机稳定运行，具体包括以下步骤：

s1、对系统进行初始化，霍尔传感器和电流传感器分别采集三相永磁同步电机m1的霍尔信号和三相电流信号，霍尔信号送到位置和转速产生单元，位置和转速产生单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ1和速度信号ω1后分别送到park和clarke转换模块和速度调节模块中；三相电流ia1、ib1、ic1送到电流调节模块中；

s2、参考速度和反馈速度ω1经过速度调节模块，根据公式

得到速度误差e，速度误差一方面经过pi控制器得到q轴参考电流一方面经过微分得到信号ec，e和ec两路信号一同输入到模糊逻辑控制器。

s3、设置d轴参考电流为0，dq轴电流和输入到park和clarke转换模块，根据公式

其中，iα和iβ为clarke变换后的两相电流，θ为d轴轴线与电机a相绕组的轴线之间的夹角。

得到三相参考电流

s4、三相参考电流与反馈回路的三相电流ia1、ib1、ic1经过电流调节器，根据公式

得到三相电流误差三个误差信号输入到滞环控制器，根据公式

其中，j＝a1、b1、c1，为上述误差信号，h为滞环控制器环宽的1/2，输出三路信号ka1、kb1、kc1到pwm产生单元。

s5、e和ec两路信号一同输入到模糊逻辑控制器，两输入信号的隶属度函数分别如图5和图6所示，输出信号g，信号g的隶属度函数如图7所示，信号g输入到pwm产生单元，与系统预装载值arr合成两个大小不等的ccr值，分别对应滞环控制器的两个不同的输出。根据公式

其中，high为滞环控制器高输出，low为滞环控制器低输出，arr为系统重装载值。

信号ka1、kb1、kc1与相应的ccr值对应，设置系统的ccr值，ccr值作为调制波，设置三角波为载波，依照图3，载波和调制波斩波生成pwm波，滞环控制器输出的一路信号产生两路互补的pwm信号，使得pwm产生单元产生相应六路pwm信号，六路pwm信号输入到逆变器，控制六个功率开关管的状态，控制永磁同步电机正常运转。

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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

模糊逻辑控制器

模糊逻辑控制器(fuzzylogiccontroller—flc)也称为模糊控制器(fuzzycontroller—fc)，原理图参照图4，包含模糊化模块，模糊推理模块，解模糊模块和知识库。

定义输入输出模糊集

首先将参考速度与实际速度ω1差值为e、差值变化率ec按下列公式取倒数，输出模糊输入量a和b，将其值限定在(-1,1)区间内。

设模糊逻辑控制器输入量e和ec及输出量g的模糊集及其论域定义如下：

e、ec和g的模糊集均为：{nb,ns,z,ps,pb}，对应的物理状态分别是{远低于设定范围下限，微低于设定范围下限，在设定范围内，微高于设定范围上限，远高于设定范围上限}。e’、ec’的论域均为：{-1，-0.5，0，0.5，1}。得速度误差e、误差变化ec的隶属度见表1：

表1电压误差e、误差变化ec的隶属度

该模糊逻辑控制器唯一的输出控制量为信号g，其值与系统设置的arr值有关，可以用单点模糊集表示，控制输出量g论域为：其隶属度见表2：

表2输出量g的隶属度

本发明采用工程上常用的三角形隶属度函数作为模糊控制系统子集的隶属度函数，它具有计算简单和占用内存小的优点，其数学表达式为：

根据以上规则画出模糊控制器输入e、ec和输出量的各个隶属度函数在matlab分布分别如图5、图6和图7所示。

本发明采用的模糊推理方法mamdani推理法，mamdani是模糊控制中普遍使用的方法，其本质是一种合成推理方法，规则库中第i条规则表示为

ri：“ifeisaandecisb,thenuisc.”

其中c为模糊输出量。蕴含的模糊关系为

ri＝(ai×bi)×ci

控制规则库中规则之间可以看做是“或”，也就是“求并”的关系，则整个规则库蕴含的模糊关系为：

根据现场实际操作经验制定的模糊控制规则见表3，共25条。

表3模糊控制规则

根据输入量进行模糊推理，根据公式

c＝(a×b)οr

输出模糊输出量c，对模糊输出量c进行解模糊处理，采用加权平均法，对模糊输出量中各元素及其对应的隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，来得到精确输出控制量g。经过模糊控制器得到的精确输出量g，输出到pwm产生单元，与滞环控制器的输出匹配，产生相应六路pwm信号，控制逆变器中的六个功率开关管。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。