一種永磁伺服電機控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種電機控制方法，特別涉及一種永磁伺服電機控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，在數(shù)控機床、礦山機械、航空航海等領(lǐng)域，電氣設(shè)備的穩(wěn)定性越來越重要。 電機是電力系統(tǒng)的重要組成部分，更是電氣系統(tǒng)的核心，所以電機的高精度運行以及低能 耗問題也受到了國家重點的關(guān)注。
[0003] 電機傳統(tǒng)的PID控制方法無法自動整定參數(shù)、抗干擾能力差、控制精度低、耗電量 高；隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能控制不斷提出，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，蟻群算法等， 但是這些智能控制算法計算量大，難以在實際中應(yīng)用，而模糊控制算法簡單，易實現(xiàn)，但其 采用分段的閾值切換方式，其節(jié)能效果雖然明顯，因其切換時間難以確定，會導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng) 不穩(wěn)定。
[0004] 因此，如何去提高電機的控制精度以及低能耗問題是近年來普遍關(guān)心的問題，本 發(fā)明就是從這兩個角度出發(fā)，提出一種復(fù)合智能化控制方法，實現(xiàn)電機高精度控制以及低 能耗的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是針對模糊控制運用到PID控制上存在的問題，提出了一種永磁伺服電機 控制方法，利用MATLAB/S頂ULINK軟件，建立了永磁伺服電機模型通過搭建仿真模型，在整 個調(diào)速過程中，復(fù)合智能控制的實現(xiàn)以主控制方式的作用貫穿控制始終，輔控制方式的作 用動態(tài)加入。在分權(quán)控制表達式中，分權(quán)系數(shù)α是角速度誤差絕對值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實 現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)對控制效果的權(quán)重，具有智能性。調(diào)整α值即調(diào)整了尋優(yōu) 控制規(guī)則，易于實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整和實時控制，具有應(yīng)用合理性。將復(fù)合智能控制策略應(yīng)用于電 機調(diào)速的矢量控制，實現(xiàn)復(fù)合智能矢量控制。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種永磁伺服電機控制方法，三相電壓源，經(jīng)過LC濾波之 后，送入到永磁同步電機的三相定子繞組中，然后檢測出轉(zhuǎn)速誤差信號，轉(zhuǎn)速誤差信號輸出 一路直接進入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進入復(fù)合智能 控制器，復(fù)合智能控制器包括模糊控制模塊、PID控制模塊和分權(quán)控制模塊，轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn) 速誤差變化率送模糊控制模塊進行模糊計算，得出PID三個參數(shù)變化量，再計算分權(quán)系數(shù)α 的值，當(dāng)α值大于0.6時，采用模糊控制模塊輸出控制信號，當(dāng)α值小于〇. 6時采用傳統(tǒng)PID控 制模塊輸出控制信號，輸出控制信號作用于永磁同步電機的逆變器上。
[0007] 所述分權(quán)系數(shù)α是角速度誤差絕對值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實現(xiàn)按誤差大小和給定 轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)對控制效果的權(quán)重。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明永磁伺服電機控制方法，實現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速 控制方式的優(yōu)勢動態(tài)互補，達到理想的高性能調(diào)速效果。本發(fā)明方法能夠使得電機高精度 運行，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，且能耗與傳統(tǒng)PID控制相比，明顯減少，滿足低能耗的 效果，使電機處于高精度、低能耗運行狀態(tài)。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明改進型模糊PID控制框架圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明圓形磁鏈波形圖；
[0011]圖3為本發(fā)明能耗計算框架圖；
[0012]圖4為本發(fā)明智能矢量控制框圖；
[0013]圖5為本發(fā)明永磁伺服電機智能控制框架圖；
[0014] 圖6為本發(fā)明復(fù)合智能控制流程圖；
[0015] 圖7為本發(fā)明電機控制精度、節(jié)能效果圖。
【具體實施方式】
[0016] 因為模糊控制其結(jié)構(gòu)簡單，在生活中容易實現(xiàn)，但傳統(tǒng)的模糊控制存在缺陷，因此 設(shè)計了一種帶有積分環(huán)節(jié)的模糊PID，如圖1所示改進型模糊PID控制框架圖，輸入e是轉(zhuǎn)速 誤差信號，一路直接進入模糊控制邏輯，另外一路經(jīng)過微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進入 模糊控制邏輯，通過模糊邏輯規(guī)則，判斷轉(zhuǎn)速誤差處于何種狀態(tài)，再輸出PID三個參數(shù)的變 化量，去解調(diào)原始的PID參數(shù)，這種改進型的模糊PID在電機運行過程中，產(chǎn)生的磁鏈更加逼 近圓形磁鏈，如圖2所示圓形磁鏈波形圖，（橫坐標(biāo)是直軸方向磁鏈范圍，縱坐標(biāo)是交軸方向 磁鏈范圍），很大程度上提高了電機的控制精度，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能較好，達到了 預(yù)期控制效果。
[0017] 為實現(xiàn)電機的節(jié)能運行，對電機能耗部分，采用降壓節(jié)能原理，但根據(jù)電機的能耗 關(guān)系可知，降壓并不一定都能達到節(jié)能目的，只有當(dāng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù) 上升程度時，才能使運行效率提高。因此，在能耗計算框架上加入選擇開關(guān)，判斷電壓降低 程度來進行降壓節(jié)能。如圖3所示能耗計算框架圖。永磁伺服電機的能耗取決于輸入電機的 三相相電壓和相電流。有用功的能耗為:W ac = jpiacdt。其中，三相瞬時有功功率?^是各相電 壓與對應(yīng)相電流的乘積之和，即PiaciUaia+Ubib+Ucic;。圖3中輸入為采集的電壓電流信號，經(jīng) 過三相瞬時有功無功模塊，計算出有功和無功的大小，通過開關(guān)選擇器，可分別計算有功及 無功消耗量，無功消耗大小的計算目的是可對其進行無功補償，有功功率通過積分環(huán)節(jié)即 可得出能耗大小。
[0018] 復(fù)合智能控制是在PID控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計增加模糊控制器FLC和分權(quán)控制器 FQC，如圖4所示智能矢量控制框圖。模糊Fuzzy控制、PID控制結(jié)合分權(quán)控制構(gòu)成智能控制器 CS0C，實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)。CSOC的輸入信號：誤差和誤差變化率經(jīng)CSOC中的量化因子分別轉(zhuǎn)化為 模糊論域范圍內(nèi)的模糊信號，通過規(guī)則評價和模糊判決得到增量輸出，經(jīng)量化因子后再積 分即得到模糊控制器的輸出U，該輸出值作為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量參考值&，同步角速度 環(huán)節(jié)中，定子頻率的同步角速度《:由
實現(xiàn)，定子旋轉(zhuǎn)磁場角速度 ω S，轉(zhuǎn)子磁鏈φι·，勵磁電感Lm，ω r轉(zhuǎn)子角速度，Tr轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，sin_cos表不單位矢量的笛 卡爾分量cos( cod)和sin( ω it)。同步電流控制環(huán)節(jié)，將相應(yīng)的電流分量iSm(定子電流的勵 磁分量)和ist (定子電流的轉(zhuǎn)矩分量)變換為定子電壓的勵磁分量Usm和轉(zhuǎn)矩分量Ust，Usm和 Ust經(jīng)兩相電流到三相電流變換后通過SPffM發(fā)生器，得到逆變器的輸出電壓的控制信號。
[0019] 圖5為永磁伺服電機智能控制框架，通過復(fù)合智能矢量控制算法，三相電壓源，經(jīng) 過LC濾波之后，送入到永磁同步電機的三相定子繞組中，然后檢測出轉(zhuǎn)速誤差之后，送到圖 1模糊計算環(huán)節(jié)中，得出PID三個參數(shù)變化量，再計算分權(quán)系數(shù)α的值，分權(quán)系數(shù)α是角速度誤 差絕對值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，當(dāng)α值大于0.6時，采用模糊控制，當(dāng)α值小于〇 . 6時采用傳統(tǒng) PID控制，實現(xiàn)改進的模糊PID控制與傳統(tǒng)的PID控制進行切換，使電機達到高精度運行，通 過電壓電流采集環(huán)節(jié)，采集出三相電壓電流，計算出有功功率的大小，最后通過積分環(huán)節(jié)得 出整個系統(tǒng)工作的能量消耗大小，通過能耗的大小，可知此控制方法的優(yōu)越性。當(dāng)α值等于 0.6時兩者控制均可使用。
[0020] 如圖6所示復(fù)合智能控制流程圖，采用復(fù)合智能矢量控制算法，圖中λ為比例因子 常數(shù)，α〇為分權(quán)因子初始值，在控制系統(tǒng)中為滿足0.5 < 1的常值，常規(guī)PID控制器無法實 現(xiàn)參數(shù)自動整定，抗干擾能力差，耗能大。模糊PID復(fù)合控制方法，采用分段的閾值切換方 式，其節(jié)能效果雖然明顯，因其切換時間難以確定，會導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于電機的運 動控制系統(tǒng)來講，只靠一種方式進行控制，達不到理想的控制效果，為此提出一種復(fù)合智能 控制方案，實現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速控制方式的優(yōu)勢動態(tài)互補，達到理想的高性能調(diào)速效 果。復(fù)合智能控制，基于分權(quán)控制，實現(xiàn)模糊和PID兩種控制方式攜手作用，充分發(fā)揮各自優(yōu) 點，使調(diào)速系統(tǒng)體現(xiàn)出節(jié)能和魯棒性。復(fù)合智能控制以模糊控制為主控器，PID控制為輔控 器，通過分權(quán)控制器中的分權(quán)因子α實現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)對控制效果的權(quán) 重，具有智能性。
[0021] 圖7是通過實際運行得到的輸出波形圖。根據(jù)本發(fā)明一種永磁伺服電機節(jié)能型控 制方法，通過MATLAB軟件搭建仿真模型(如圖5)，可以清楚地看到本發(fā)明方法能夠使得電機 高精度運行，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，且能耗與傳統(tǒng)PID控制相比，明顯減少，滿足低 能耗的效果，使電機處于高精度、低能耗運行狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1. 一種永磁伺服電機控制方法，其特征在于，三相電壓源，經(jīng)過LC濾波之后，送入到永 磁同步電機的三相定子繞組中，然后檢測出轉(zhuǎn)速誤差信號，轉(zhuǎn)速誤差信號輸出一路直接進 入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進入復(fù)合智能控制器，復(fù) 合智能控制器包括模糊控制模塊、PID控制模塊和分權(quán)控制模塊，轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化 率送模糊控制模塊進行模糊計算，得出PID三個參數(shù)變化量，再計算分權(quán)系數(shù)α的值，當(dāng)α值 大于〇 . 6時，采用模糊控制模塊輸出控制信號，當(dāng)α值小于〇. 6時采用傳統(tǒng)PID控制模塊輸出 控制信號，輸出控制信號作用于永磁同步電機的逆變器上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁伺服電機控制方法，其特征在于，所述分權(quán)系數(shù)α是角速度 誤差絕對值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)對控制效果的權(quán)重。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁伺服電機控制方法，檢測出轉(zhuǎn)速誤差信號一路直接進入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進入復(fù)合智能控制器，轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率送模糊控制模塊進行模糊計算，得出PID三個參數(shù)變化量，再計算分權(quán)系數(shù)α的值，當(dāng)α值大于0.6時，采用模糊控制模塊輸出控制信號，當(dāng)α值小于0.6時采用傳統(tǒng)PID控制模塊輸出控制信號，輸出控制信號作用于永磁同步電機的逆變器上。實現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速控制方式的優(yōu)勢動態(tài)互補，達到理想的高性能調(diào)速效果。本發(fā)明方法能夠使得電機高精度運行，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，且能耗與傳統(tǒng)PID控制相比，明顯減少，滿足低能耗的效果，使電機處于高精度、低能耗運行狀態(tài)。
【IPC分類】H02P25/02, H02P27/08, H02P21/00
【公開號】CN105610365
【申請?zhí)枴緾N201610119052
【發(fā)明人】馬立新, 范洪成, 黃陽龍
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年3月2日