基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法技术

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：简化内置式永磁同步电机恒转矩区和恒功率区电流控制策略，提高实际控制系统中处理器的运行速度；设计模糊逻辑控制器，包括输入、输出的隶属度函数，模糊规则；在控制系统引入积分控制，进一步消除稳态误差。本发明专利技术的方法在控制系统中引入模糊逻辑控制器并且加入积分环节，使其具有快速响应、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，提高了内置式永磁同步电机动态响应和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊控制器的内置式永磁同步电机全速域控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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≤0PI(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为经过解模糊本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于，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*。3.根据权利要求2所述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，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述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，其特征在于，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：

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧敏，张雪锋，王志强，李新旻，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12