一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法。该系统包括模糊自适应分数阶PI控制器、PWM模块、不对称半桥驱动电路、开关磁阻电机、位置检测模块、电流检测模块、转矩计算模块和转速检测模块。方法为：将输入参数送入模糊控制器进行模糊化处理，输出的动态参数作为分数阶PI控制器的输入，对参数进行调整后输入至被控对象进行控制；将开关磁阻电机的转矩误差进行限幅计算，得到PWM输出脉冲的占空比，根据转子位置角判断各相绕组工作的区域，经过PWM直接转矩控制算法确定不对称半桥驱动电路的开关状态；通过调节各相绕组的电压控制电机工作。本发明专利技术简单可靠、鲁棒性强，实现了电机速度的合理调节，改善了系统的动态运行性能。

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法
本专利技术涉及开关磁阻电机控制
，特别是一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法。
技术介绍
目前，开关磁阻电机的直接转矩控制控制策略中普遍使用滞环控制方法，其控制方法的特点是算法简单，应用范围广泛。但是滞环控制方法对滞环限的设计有一定的要求。如果滞环限设置的较小，转矩响应快，容易对系统造成震荡；如果滞环限设置的较大，没有达到优化转矩脉动的目的，且造成系统响应速度变慢。因此，滞环控制策略并不是最佳的选择。同时在直接瞬时转矩控制策略中具有转矩，转速双闭环，该控制策略不仅可以实现对转矩的调节还可以完成转速的调节。在控制器的选用方面，为了简单实现速度的调节，通常采用的是PID控制器作用在控制系统的速度外环中，但是其控制精度不是很高，经常出现超调过大的现象，而且抗外界干扰能力不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单可靠、鲁棒性强的开关磁阻电机模糊自适应控制系统及方法，从而实现电机速度的合理调节，改善系统的动态运行性能。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统，包括模糊自适应分数阶PI控制器、PWM模块、不对称半桥驱动电路、开关磁阻电机、位置检测模块、电流检测模块、转矩计算模块和转速检测模块；所述模糊自适应分数阶PI控制器，用于对转速误差及其变化率处理，通过PI调节输出给定转矩值；所述PWM模块，用于根据计算转矩的误差，通过电机的转子位置角判断导通区间；所述不对称半桥驱动电路，用于通过给各相绕组施加电压或断开绕组上的电压来控制电机工作；所述位置检测模块，用于检测电机的转子位置角；所述电流检测模块，用于检测不对称半桥驱动电路的输出电流；转矩计算模块，用于通过电机的转子位置角和不对称半桥驱动电路的输出电流，计算开关磁阻电机的转矩；所述转速检测模块，用于开关磁阻电机的转速；转速误差信号通过模糊自适应分数阶PI控制器输出给定力矩值，与转矩计算模块输出的反馈力矩值经过做差得到力矩误差信号进入PWM模块中，PWM模块输出信号经不对称半桥驱动电路的放大来驱动开关磁阻电机运行，不对称半桥驱动电路输出的信号经电流检测模块得到反馈的电流信号，开关磁阻电机的运行状态经位置检测模块得到角度信号，得到的电流、角度信号通过转矩计算模块得到反馈的力矩值，构成内环，最后开关磁阻电机运行状态经转速检测模块得到反馈的转速值，构成外环。进一步地，所述的模糊自适应分数阶PI控制器，包括求导运算模块、模糊控制器、分数阶PI控制器和被控对象，具体如下：误差信号分三路，一路通过求导运算模块变为误差变化率信号，误差信号第二路和误差变化率信号都做为模糊控制器的输入信号，误差信号第三路直接输入分数阶PI控制器中，同时在模糊控制器中通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，输出动态参数△Kp和△Ki，这两个参数分别决定分数阶PI控制器模块的控制参数Kp和Ki，得到的参数Kp和Ki直接作用于被控对象，如此实现模糊自适应分数阶PI控制算法。进一步地，所述的PWM模块，具体如下：将开关磁阻电机的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比，根据开关磁阻电机转子位置角判断开关磁阻电机各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域，经过PWM直接转矩控制算法确定出不对称半桥驱动电路的“+1”、“0”、“-1”的开关状态，通过控制每相绕组的电压，进而控制开关磁阻电机的输出转矩。一种开关磁阻电机模糊自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1、在模糊自适应分数阶PI控制器中，包括求导运算模块、模糊控制器、分数阶PI控制器和被控对象，分数阶PI控制器的输入参数为误差和误差的变化率，将输入参数送入求导运算模块进行求导，然后和原始输入参数同时输入模糊控制器进行模糊化处理，通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，得到输出的动态参数，将输出的动态参数△Kp和△Ki作为分数阶PI控制器的输入，对参数进行调整，然后输入至被控对象进行控制，实现模糊自适应分数阶PI控制算法；步骤2、将开关磁阻电机的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，并输入PWM模块中，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比，根据开关磁阻电机转子位置角判断开关磁阻电机各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域，经过PWM直接转矩控制算法确定出不对称半桥驱动电路的“+1”、“0”、“-1”的开关状态，通过控制每相绕组的电压，进而控制开关磁阻电机的输出转矩；步骤3、不对称半桥驱动电路的输入端与电源相连接，输出端与各相绕组连接，通过给各相绕组施加电压或断开绕组上的电压来控制电机工作；步骤4、不对称半桥驱动电路的输出的信号经经电流检测模块得到反馈的电流信号，开关磁阻电机的运行状态经位置检测模块得到角度信号，得到的电流、角度信号通过转矩计算模块得到反馈的力矩值，构成内环，最后开关磁阻电机运行状态经转速检测模块得到反馈的转速值，构成外环。进一步地，步骤1所述的在模糊自适应分数阶PI控制器1中，包括求导运算模块9、模糊控制器10、分数阶PI控制器11和被控对象12，分数阶PI控制器11的输入参数为误差和误差的变化率，将输入参数送入求导运算模块9进行求导，然后和原始输入参数同时输入模糊控制器10进行模糊化处理，通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，得到输出的动态参数，将输出的动态参数△Kp和△Ki作为分数阶PI控制器11的输入，对参数进行调整，然后输入至被控对象12进行控制，实现模糊自适应分数阶PI控制算法，具体如下：分数阶PI控制器输出表达式为：式中：u(t)为分数阶PI控制器的输出，Kp为比例系数；Ki积分系数，e(t)为分数阶PI控制器的输入，为积分算子，α为为积分的阶次；其中参数的公式如下：式中的分别为分数阶PI控制器初始值，ΔKp、ΔKi分别为对应的模糊控制器输出的动态参数；模糊自适应分数阶PI控制器的比例系数和积分系数的表达式为：式中ΔKp和ΔKi为模糊控制器输出的动态变化参数值，Kup和Kui是解模糊过程中所用的比例系数；得到模糊自适应分数阶PI控制器的输出表达式为：进一步地，步骤2所述的将开关磁阻电机4的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，并输入PWM模块2中，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比，根据开关磁阻电机4转子位置角判断开关磁阻电机4各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域，经过PWM直接转矩控制算法确定出不对称半桥驱动电路3的“+1”、“0”、“-1”的开关状态，通过控制每相绕组的电压，进而控制开关磁阻电机4的输出转矩，具体如下：步骤2.1、将开关磁阻电机的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比；步骤2.2、根据开关磁阻电机转子位置角判断开关磁阻电机各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域：当开关磁阻电机各相绕组工作在单相导通区域时，采用“+1”和“-1”的双极性PWM控制；当转矩误差ΔT大于三角载波时，功率变换器的开关状态为“1”，此时相绕组处于正向励磁状态使得瞬时转矩快速的增加，转矩误差减小；当瞬时转矩增加，转矩误差ΔT小于三角载波，此时功率变换器状态为“-1”，相绕组处于反向退磁状态，使得瞬时转矩快速地减小，转矩误差迅速增大；这样通过施加PWM波确定开关状态，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统，其特征在于，包括模糊自适应分数阶PI控制器(1)、PWM模块(2)、不对称半桥驱动电路(3)、开关磁阻电机(4)、位置检测模块(5)、电流检测模块(6)、转矩计算模块(7)和转速检测模块(8)；所述模糊自适应分数阶PI控制器(1)，用于对转速误差及其变化率处理，通过PI调节输出给定转矩值；所述PWM模块(2)，用于根据计算转矩的误差，通过电机的转子位置角判断导通区间；所述不对称半桥驱动电路(3)，用于通过给各相绕组施加电压或断开绕组上的电压来控制电机工作；所述位置检测模块(5)，用于检测电机的转子位置角；所述电流检测模块(6)，用于检测不对称半桥驱动电路(3)的输出电流；转矩计算模块(7)，用于通过电机的转子位置角和不对称半桥驱动电路(3)的输出电流，计算开关磁阻电机(4)的转矩；所述转速检测模块(8)，用于开关磁阻电机(4)的转速；转速误差信号通过模糊自适应分数阶PI控制器(1)输出给定力矩值，与转矩计算模块(7)输出的反馈力矩值经过做差得到力矩误差信号进入PWM模块(2)中，PWM模块(2)输出信号经不对称半桥驱动电路(3)的放大来驱动开关磁阻电机(4)运行，不对称半桥驱动电路(3)输出的信号经电流检测模块(6)得到反馈的电流信号，开关磁阻电机(4)的运行状态经位置检测模块(5)得到角度信号，得到的电流、角度信号通过转矩计算模块(7)得到反馈的力矩值，构成内环，最后开关磁阻电机(4)运行状态经转速检测模块(8)得到反馈的转速值，构成外环。...

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机模糊自适应控制系统，其特征在于，包括模糊自适应分数阶PI控制器(1)、PWM模块(2)、不对称半桥驱动电路(3)、开关磁阻电机(4)、位置检测模块(5)、电流检测模块(6)、转矩计算模块(7)和转速检测模块(8)；所述模糊自适应分数阶PI控制器(1)，用于对转速误差及其变化率处理，通过PI调节输出给定转矩值；所述PWM模块(2)，用于根据计算转矩的误差，通过电机的转子位置角判断导通区间；所述不对称半桥驱动电路(3)，用于通过给各相绕组施加电压或断开绕组上的电压来控制电机工作；所述位置检测模块(5)，用于检测电机的转子位置角；所述电流检测模块(6)，用于检测不对称半桥驱动电路(3)的输出电流；转矩计算模块(7)，用于通过电机的转子位置角和不对称半桥驱动电路(3)的输出电流，计算开关磁阻电机(4)的转矩；所述转速检测模块(8)，用于开关磁阻电机(4)的转速；转速误差信号通过模糊自适应分数阶PI控制器(1)输出给定力矩值，与转矩计算模块(7)输出的反馈力矩值经过做差得到力矩误差信号进入PWM模块(2)中，PWM模块(2)输出信号经不对称半桥驱动电路(3)的放大来驱动开关磁阻电机(4)运行，不对称半桥驱动电路(3)输出的信号经电流检测模块(6)得到反馈的电流信号，开关磁阻电机(4)的运行状态经位置检测模块(5)得到角度信号，得到的电流、角度信号通过转矩计算模块(7)得到反馈的力矩值，构成内环，最后开关磁阻电机(4)运行状态经转速检测模块(8)得到反馈的转速值，构成外环。2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机模糊自适应控制系统，其特征在于，所述的模糊自适应分数阶PI控制器(1)，包括求导运算模块(9)、模糊控制器(10)、分数阶PI控制器(11)和被控对象(12)，具体如下：误差信号分三路，一路通过求导运算模块(9)变为误差变化率信号，误差信号第二路和误差变化率信号都做为模糊控制器(10)的输入信号，误差信号第三路直接输入分数阶PI控制器(11)中，同时在模糊控制器(10)中通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，输出动态参数△Kp和△Ki，这两个参数分别决定分数阶PI控制器(11)模块的控制参数Kp和Ki，得到的参数Kp和Ki直接作用于被控对象(12)，如此实现模糊自适应分数阶PI控制算法。3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机模糊自适应控制系统，其特征在于，所述的PWM模块(2)，具体如下：将开关磁阻电机(4)的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比，根据开关磁阻电机(4)转子位置角判断开关磁阻电机(4)各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域，经过PWM直接转矩控制算法确定出不对称半桥驱动电路(3)的“+1”、“0”、“-1”的开关状态，通过控制每相绕组的电压，进而控制开关磁阻电机(4)的输出转矩。4.一种开关磁阻电机模糊自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在模糊自适应分数阶PI控制器(1)中，包括求导运算模块(9)、模糊控制器(10)、分数阶PI控制器(11)和被控对象(12)，分数阶PI控制器(11)的输入参数为误差和误差的变化率，将输入参数送入求导运算模块(9)进行求导，然后和原始输入参数同时输入模糊控制器(10)进行模糊化处理，通过设置的模糊规则进行模糊推理运算，得到输出的动态参数，将输出的动态参数△Kp和△Ki作为分数阶PI控制器(11)的输入，对参数进行调整，然后输入至被控对象(12)进行控制，实现模糊自适应分数阶PI控制算法；步骤2、将开关磁阻电机(4)的瞬时转矩与给定转矩进行比较并求取转矩误差，并输入PWM模块(2)中，经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比，根据开关磁阻电机(4)转子位置角判断开关磁阻电机(4)各相绕组工作在单相导通区域还是换相导通区域，经过PWM直接转矩控制算法确定出不对称半桥驱动电路(3)的“+1”、“0”、“-1”的开关状态，通过控制每相绕组的电压，进而控制开关磁阻电机(4)的输出转矩；步骤3、不对称半桥驱动电路(3)的输入端与电源相连接，输出端与各相绕组连接，通过给各相绕组施加电压或断开绕组上的电压来控制电机工作；步骤4、不对称半桥驱动电路(3)的输出的信号经经电流检测模块(6)得到反馈的电流信号，开关磁阻电机(4)的运行状态经位置检测模块(5)得到角度信号，得到的电流、角度信号通过转矩计算模块(7)得到反馈的力矩值，构成内环，最后开关磁阻电机(4)运行状态经转速检测模块(8)得到反馈的转速值，构成外环。5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机模糊自适应控制方法，其特征在于，步骤1所述的在模糊自适应分数阶PI控制器(1)中，包括求导运算模块(9)、模糊控制器(10)、分数阶PI控制器(11)和被控对象(12)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余剑，张俊芳，张慧丽，王晶，王绍帅，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32