一種永磁伺服電機(jī)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制方法，特別涉及一種永磁伺服電機(jī)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，在數(shù)控機(jī)床、礦山機(jī)械、航空航海等領(lǐng)域，電氣設(shè)備的穩(wěn)定性越來(lái)越重要。 電機(jī)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(jī)的高精度運(yùn)行以及低能 耗問(wèn)題也受到了國(guó)家重點(diǎn)的關(guān)注。
[0003] 電機(jī)傳統(tǒng)的PID控制方法無(wú)法自動(dòng)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(lái)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(jì)算量大，難以在實(shí)際中應(yīng)用，而模糊控制算法簡(jiǎn)單，易實(shí)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(shí)間難以確定，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng) 不穩(wěn)定。
[0004] 因此，如何去提高電機(jī)的控制精度以及低能耗問(wèn)題是近年來(lái)普遍關(guān)心的問(wèn)題，本 發(fā)明就是從這兩個(gè)角度出發(fā)，提出一種復(fù)合智能化控制方法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(duì)模糊控制運(yùn)用到PID控制上存在的問(wèn)題，提出了一種永磁伺服電機(jī) 控制方法，利用MATLAB/S頂U(kuò)LINK軟件，建立了永磁伺服電機(jī)模型通過(guò)搭建仿真模型，在整 個(gè)調(diào)速過(guò)程中，復(fù)合智能控制的實(shí)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(dòng)態(tài)加入。在分權(quán)控制表達(dá)式中，分權(quán)系數(shù)α是角速度誤差絕對(duì)值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實(shí) 現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)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(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整和實(shí)時(shí)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(jī)調(diào)速的矢量控制，實(shí)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(jī)控制方法，三相電壓源，經(jīng)過(guò)LC濾波之 后，送入到永磁同步電機(jī)的三相定子繞組中，然后檢測(cè)出轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)，轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)輸出 一路直接進(jìn)入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過(guò)微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進(jìn)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(jìn)行模糊計(jì)算，得出PID三個(gè)參數(shù)變化量，再計(jì)算分權(quán)系數(shù)α 的值，當(dāng)α值大于0.6時(shí)，采用模糊控制模塊輸出控制信號(hào)，當(dāng)α值小于〇. 6時(shí)采用傳統(tǒng)PID控 制模塊輸出控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)作用于永磁同步電機(jī)的逆變器上。
[0007] 所述分權(quán)系數(shù)α是角速度誤差絕對(duì)值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)按誤差大小和給定 轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)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(jī)控制方法，實(shí)現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速 控制方式的優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，達(dá)到理想的高性能調(diào)速效果。本發(fā)明方法能夠使得電機(jī)高精度 運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)處于高精度、低能耗運(yùn)行狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明改進(jìn)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(jì)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(jī)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(jī)控制精度、節(jié)能效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 因?yàn)槟：刂破浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在生活中容易實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的模糊控制存在缺陷，因此 設(shè)計(jì)了一種帶有積分環(huán)節(jié)的模糊PID，如圖1所示改進(jìn)型模糊PID控制框架圖，輸入e是轉(zhuǎn)速 誤差信號(hào)，一路直接進(jìn)入模糊控制邏輯，另外一路經(jīng)過(guò)微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進(jìn)入 模糊控制邏輯，通過(guò)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(gè)參數(shù)的變 化量，去解調(diào)原始的PID參數(shù)，這種改進(jìn)型的模糊PID在電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(jī)的控制精度，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能較好，達(dá)到了 預(yù)期控制效果。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，對(duì)電機(jī)能耗部分，采用降壓節(jié)能原理，但根據(jù)電機(jī)的能耗 關(guān)系可知，降壓并不一定都能達(dá)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(shí)，才能使運(yùn)行效率提高。因此，在能耗計(jì)算框架上加入選擇開(kāi)關(guān)，判斷電壓降低 程度來(lái)進(jìn)行降壓節(jié)能。如圖3所示能耗計(jì)算框架圖。永磁伺服電機(jī)的能耗取決于輸入電機(jī)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(shí)有功功率?^是各相電 壓與對(duì)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(hào)，經(jīng) 過(guò)三相瞬時(shí)有功無(wú)功模塊，計(jì)算出有功和無(wú)功的大小，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇器，可分別計(jì)算有功及 無(wú)功消耗量，無(wú)功消耗大小的計(jì)算目的是可對(duì)其進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，有功功率通過(guò)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(jì)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(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)。CSOC的輸入信號(hào)：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(hào)，通過(guò)規(guī)則評(píng)價(jià)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(shí)現(xiàn)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度 ω S，轉(zhuǎn)子磁鏈φι·，勵(lì)磁電感Lm，ω r轉(zhuǎn)子角速度，Tr轉(zhuǎn)子時(shí)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(lì) 磁分量)和ist (定子電流的轉(zhuǎn)矩分量)變換為定子電壓的勵(lì)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(guò)SPffM發(fā)生器，得到逆變器的輸出電壓的控制信號(hào)。
[0019] 圖5為永磁伺服電機(jī)智能控制框架，通過(guò)復(fù)合智能矢量控制算法，三相電壓源，經(jīng) 過(guò)LC濾波之后，送入到永磁同步電機(jī)的三相定子繞組中，然后檢測(cè)出轉(zhuǎn)速誤差之后，送到圖 1模糊計(jì)算環(huán)節(jié)中，得出PID三個(gè)參數(shù)變化量，再計(jì)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(duì)值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，當(dāng)α值大于0.6時(shí)，采用模糊控制，當(dāng)α值小于〇 . 6時(shí)采用傳統(tǒng) PID控制，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的模糊PID控制與傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行切換，使電機(jī)達(dá)到高精度運(yùn)行，通 過(guò)電壓電流采集環(huán)節(jié)，采集出三相電壓電流，計(jì)算出有功功率的大小，最后通過(guò)積分環(huán)節(jié)得 出整個(gè)系統(tǒng)工作的能量消耗大小，通過(guò)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(shí)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(wú)法實(shí) 現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)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(shí)間難以確定，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定。對(duì)于電機(jī)的運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)講，只靠一種方式進(jìn)行控制，達(dá)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(shí)現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速控制方式的優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，達(dá)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(shí)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(diǎn)，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(guò)分權(quán)控制器中的分權(quán)因子α實(shí)現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)控制效果的權(quán) 重，具有智能性。
[0021] 圖7是通過(guò)實(shí)際運(yùn)行得到的輸出波形圖。根據(jù)本發(fā)明一種永磁伺服電機(jī)節(jié)能型控 制方法，通過(guò)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(jī) 高精度運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)處于高精度、低能耗運(yùn)行狀態(tài)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種永磁伺服電機(jī)控制方法，其特征在于，三相電壓源，經(jīng)過(guò)LC濾波之后，送入到永 磁同步電機(jī)的三相定子繞組中，然后檢測(cè)出轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)，轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)輸出一路直接進(jìn) 入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過(guò)微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進(jìn)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(jìn)行模糊計(jì)算，得出PID三個(gè)參數(shù)變化量，再計(jì)算分權(quán)系數(shù)α的值，當(dāng)α值 大于〇 . 6時(shí)，采用模糊控制模塊輸出控制信號(hào)，當(dāng)α值小于〇. 6時(shí)采用傳統(tǒng)PID控制模塊輸出 控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)作用于永磁同步電機(jī)的逆變器上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁伺服電機(jī)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(duì)值和給定轉(zhuǎn)速的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)按誤差大小和給定轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)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(jī)控制方法，檢測(cè)出轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)一路直接進(jìn)入復(fù)合智能控制器，另外一路經(jīng)過(guò)微分后得到轉(zhuǎn)速誤差變化率后進(jìn)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(jìn)行模糊計(jì)算，得出PID三個(gè)參數(shù)變化量，再計(jì)算分權(quán)系數(shù)α的值，當(dāng)α值大于0.6時(shí)，采用模糊控制模塊輸出控制信號(hào)，當(dāng)α值小于0.6時(shí)采用傳統(tǒng)PID控制模塊輸出控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)作用于永磁同步電機(jī)的逆變器上。實(shí)現(xiàn)模糊和PID兩種調(diào)速控制方式的優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，達(dá)到理想的高性能調(diào)速效果。本發(fā)明方法能夠使得電機(jī)高精度運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)處于高精度、低能耗運(yùn)行狀態(tài)。
【IPC分類】H02P25/02, H02P27/08, H02P21/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105610365
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610119052
【發(fā)明人】馬立新, 范洪成, 黃陽(yáng)龍
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年3月2日