一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法技术方案

一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，包括步骤1:根据实际控制系统的参数计算仿真系统的仿真步长T1、电流环周期TC1和速度环周期TS1；步骤2:根据实际系统永磁同步电机的参数，将电流环的电流反馈和电流环的速度反馈进行归一化计算；步骤3:CLARK变换；步骤4:PARK变换；步骤5:IPARK变换；步骤6:SVPWM设计；步骤7:使用matlab语言实现离散化的PID调节器；步骤8:建立控制系统参数评价函数；步骤9:设计遗传算法；步骤10:配置SIMULINK永磁同步电机和IGBT仿真模型参数；步骤11:构建永磁同步电机空间矢量算法SIMULINK仿真模型；步骤12:参数寻优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于永磁同步电机控制系统领域，具体涉及一种永磁同步电机控制系统PID参数优化方法。
技术介绍
永磁同步电机以其高能源利用效率、高力矩惯量比、高能量密度，环保低碳等特点，被广泛用于实现高精度和高效能的伺服控制系统。随着伺服控制系统的精度和性能要求的进一步提高，PID控制器成为实际电机控制系统中关键环节之一。PID控制器具有稳定性好、工作可靠、适应性好等诸多优点；但是，PID参数的整定一直是困扰工程人员的一个难题，一般都是根据系统特性和工程经验通过经验法采用实际反复试验进行PID参数整定；这种方法的缺陷在于：效率低、PID参数优化性能不佳，调试时间长，调试成本高，某些特殊系统伴随危险性，尤其无法适用一些高精准控制系统的参数调试。经验调试方法导致控制系统性能指标很难达到最优，并且很大程度上增加了控制系统的研发成本，延长了研发周期。
技术实现思路
本专利技术提供一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种永磁同步电机控制系统PID参数优化方法；包括以下几个步骤：步骤1:根据实际控制系统的内环电流环控制周期TC、外环速度环控制周期TS、晶振频率fosc、晶振周期Ts，计算仿真系统的仿真步长T1、电流环周期TC1和速度环周期TS1；步骤2:根据实际系统永磁同步电机的额定电流、额定转速，将电流环的电流反馈和电流环的速度反馈进行归一化计算；步骤3:CLARK变换；步骤4:PARK变换；步骤5:IPARK变换；步骤6:SVPWM设计；步骤7:使用matlab语言实现离散化的PID调节器；步骤8:建立控制系统参数评价函数；步骤9:采用Matlab语言设计遗传算法；步骤10:配置SIMULINK永磁同步电机和IGBT仿真模型参数；步骤11:构建永磁同步电机空间矢量算法SIMULINK仿真模型；步骤12:进行参数寻优，获取控制系统速度环和电流环PID优化参数。步骤1中具体分析及计算如下：由于控制系统本身的复杂度，以及执行机构的复杂度很高，一次仿真和计算的数据量特别大，这对于控制系统来说是不允许的，但是实际控制系统往往都具有一定的响应延时，控制系统响应时间往往较长，这就意味着仿真的时间必须较长才能看到控制效果；为了调节仿真系统和控制系统的矛盾，就必须对仿真系统中的仿真步长T1、电流环周期TC1和速度环周期TS1进行特殊设置；在实际应用中，实际控制系统有两个控制周期，包括内环电流环控制周期和外环速度环的控制周期，内环电流环控制周期TC＝66us,外环速度环控制周期TS＝264us,实际控制系统的晶振频率fosc＝150MHz，实际控制系统的晶振周期Ts＝6.6ns，实际控制系统的电流环的控制周期TC为10000×Ts＝66us，实际控制系统的外环速度环周期TS为4倍的实际控制系统的内环电流环周期；考虑到如果将仿真系统的仿真步长T1设置为6.6ns,仿真系统的电流环控制周期和速度环控制周期和实际控制系统的电流环周期和控制环周期一样，会造成巨大的数据量，计算复杂，实际验证发现，一次系统仿真就会消耗半个小时，这样的仿真速度显然达不到我们的仿真需求。设置仿真系统中电流环的控制周期TC1为266us,速度环的控制周期TS1为1066us,仿真步长T1为0.5us，可以将仿真速度提高75倍；需要注意由于实际控制系统中的PID调节器中含有积分单元，实际控制系统中电流环周期为控制系统晶振周期的1000倍，仿真系统周期修改为控制系统晶振周期的133倍，这样的设置会导致PID调节器的不同，因此这里将PID调节器的积分参数与倍数相关联，避免了由于控制系统晶振周期调整而导致的调节器差异。步骤2的相关分析及计算如下：将关键变量进行归一化处理是在工程计算和电力系统中常用的一种数值标记方法，用来表示各物理参变量的相对值，简化运算过程，方便程序调试及纠错；归一化值＝实际值/基准值，这个值是一种无量纲的量，一个物理量的归一化值在不同环境中是不固定的；这里进行归一化处理的变量有电流环的电流反馈和电流环的速度反馈；根据实际系统中电机的文档资料可以看出电机额定电流有效值为10A，设置电流标幺的基准值为10，电流环的电流反馈设置为10以内，实际控制系统中的电流经过AD采样后进行基准值为10的归一化处理，保证控制系统和仿真系统良好的对称性；实际控制系统中的永磁同步电机额定转速为3000RPM，设置电流环的速度反馈的基准值为3000，设置目标速度基准值为3000的归一化处理；经过以上的变量归一化处理，仿真系统的输入变量的范围设置在0～1之间，内部的坐标运算单元输入数据的范围设置在0～1之间，同样设置PID调节器的输出限幅为±1，就使得计算更加方便，易于进行计算和结果的分析比较。步骤3的相关分析及计算如下：永磁同步电机的控制系统中需要进行一系列坐标变换，在常规控制系统中，坐标变换可以通过程序实现也可以通过专业的芯片实现，这里仿真通过Simulink平台搭建，这些数学运算可以通过Matlab程序来实现。Clark变换将一个三相坐标系统变换到静止的两相α、β坐标系统中，从物理意义上讲，就是将电机ABC三相电压等效到另外一个静止坐标系中去，如公式(1)所示： V s α V s β = 1 0 3 2 3 V A N V B N 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，其特征在于，包括步骤1:根据实际控制系统的内环电流环控制周期TC、外环速度环控制周期TS、晶振频率fosc、晶振周期Ts，计算仿真系统的仿真步长T1、电流环周期TC1和速度环周期TS1；步骤2:根据实际系统永磁同步电机的额定电流、额定转速，将电流环的电流反馈和电流环的速度反馈进行归一化计算；步骤3:CLARK变换；步骤4:PARK变换；步骤5:IPARK变换；步骤6:SVPWM设计；步骤7:使用matlab语言实现离散化的PID调节器；步骤8:建立控制系统参数评价函数；步骤9:采用Matlab语言设计遗传算法；步骤10:配置SIMULINK永磁同步电机和IGBT仿真模型参数；步骤11:构建永磁同步电机空间矢量算法SIMULINK仿真模型；步骤12:进行参数寻优，获取控制系统速度环和电流环PID优化参数。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，其特征在于，包括步骤1:根据实际控制系统的内环电流环控制周期TC、外环速度环控制周期TS、晶振频率fosc、晶振周期Ts，计算仿真系统的仿真步长T1、电流环周期TC1和速度环周期TS1；步骤2:根据实际系统永磁同步电机的额定电流、额定转速，将电流环的电流反馈和电流环的速度反馈进行归一化计算；步骤3:CLARK变换；步骤4:PARK变换；步骤5:IPARK变换；步骤6:SVPWM设计；步骤7:使用matlab语言实现离散化的PID调节器；步骤8:建立控制系统参数评价函数；步骤9:采用Matlab语言设计遗传算法；步骤10:配置SIMULINK永磁同步电机和IGBT仿真模型参数；步骤11:构建永磁同步电机空间矢量算法SIMULINK仿真模型；步骤12:进行参数寻优，获取控制系统速度环和电流环PID优化参数。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，其特征在于，所述步骤1具体分析如下：考虑到将仿真控制系统的仿真步长T1设置为6.6ns,仿真控制系统的电流环控制周期和速度环控制周期和实际控制系统的电流环和控制环周期一样，会造成巨大的数据量，计算复杂，这样的仿真速度达不到仿真需求；所以设置仿真控制系统中电流环的控制周期TC1为266us,速度环的控制周期TS1为1066us,仿真步长T1为0.5us，可以将仿真速度提高75倍；考虑到实际控制系统中的PID调节器中含有积分单元，实际控制系统中电流环周期为控制系统晶振周期的1000倍，仿真控制系统周期为控制系统晶振周期的1000倍，133倍，这样的设置会导致PID调节器的不同，因此这里将PID调节器的积分参数与倍数相关联，避免由于控制系统晶振周期的1000倍，调整而导致的调节器差异。3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，其特征 在于，所述步骤3具体包括：永磁同步电机的控制系统中需要进行一系列坐标变换，仿真通过Simulink平台搭建，通过Matlab程序来实现数学的运算；Clark变换将一个三相坐标系统变换到静止的两相α、β坐标系统中，从物理意义上讲，就是将电机ABC三相电压等效到另外一个静止坐标系中去，如公式(1)所示：其中，VAN、VBN分别指电机ABC三相中的AB两相的电压瞬时值，VSα、VSβ分别指变换后的α、β坐标系统中的电压矢量值；所述步骤4的计算如下：PARK变换同样是一个坐标变换，将静止的两相α、β坐标系统变换为一个转动的两相d、q轴坐标系统中，从物理意义上讲，就是结合步骤3中的坐标变换将电机三相电流投影、等效到d、q轴坐标系统中去，如公式(2)所示：其中，uα、uβ分别指步骤3中公式(1)通过CLARK变换得到的两相α、β坐标系统中的电压矢量，即VSα、VSβ；这里的ud、uq分别指PARK变换后的d、q坐标系统中的电压矢量；所述步骤5的计算如下：IPARK变换将转子的两相电流矢量变换到定子的三相电流矢量中，如公式(3)所示：。4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制系统PID参数寻优方法，其特征在于，所述的步骤6具体包括以下几个步骤：步骤6.1：根据电机定子中的三相电流来确定矢量所处扇区seca，在进行矢量控制时，首先确定当前控制矢量的位置，再通过当前矢量位置控制指令确定下一时刻中电机三相线圈中的电流信号；考虑到算法比较复杂，在计算时包含很多中间计算过程，同时含有很多 中间变量，其中Va、Vb、Vc就是其中的三个电压控制矢量中间变量；首先默认seca为0，根据步骤5中计算出的uα和uβ，计算电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc，计算公式如(4)所示：Va＝UbetaVb＝(-0.5*Ubeta+0.8660254*Ualpha) (4)Vc＝(-0.5*Ubeta-0.8660254*Ualpha)式中，Ualpha和Ubeta分别对应公式(3)中的uα和uβ；然后将这三个电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc分别和零作比较，当Va>0时，seca置数为1，当Va≤0时，执行Vb>0的比较；当Vb>0时，在seca原有数值的基础上将加一，当Vb≤0时，执行Vc>0的比较；当Vc>0时，就在Vc原有数数值的基础上加4，当Vc≤0时，结束；步骤6.2：根据步骤6.1中扇区seca和电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc，确定电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc的作用时间Ta、Tb、Tc，矢量控制的核心就在于这部分，实质是一种对在三相正弦波中加入了两个零矢量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM；SVPWM的调制过程是在空间实现的，没有明确的线电压调制波，SPWM是在ABC坐标系下分相实现的；根据步骤6.1中计算出的扇区位置信息，电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc，会有不同的作用时间Ta、Tb、Tc；根据扇区seca的数值，分别计算电压控制矢量中间变量Va、Vb、Vc的三个作用时间Ta、Tb、Tc；当seca＝0时，根据公式(5)计算Ta、Tb、Tc时间，此时间即为三个作用时间Ta、Tb、Tc，且结束计算；当seca≠0时，执行seca＝1，根据公式(5)计算Ta、Tb、Tc的时间，此时间即为三个作用时间Ta、Tb、Tc且结束计算；当seca≠1时，执行seca＝2，此后依次按照SVPWM算法中的公式计算Ta、Tb、Tc的时间，此时间即为三个作用时间Ta、Tb、Tc；以此类推，执行到当seca＝5时，计算Ta、Tb、Tc时间，结束；其中，NUB为速度环控制周期时间，t1、t2分别为两个中间变量；当seca为其它数值时，按照SVPWM的算法即可计算出时间Ta、Tb、Tc；其中SVPWM算法为现有算法，其中公式均可在相关资料中找到。步骤6.3:根据步骤6.2中计算出的三个作用时间Ta、Tb、Tc生成控制逆变器的六路PWM矢量控制信号；首先将三个作用时间Ta、Tb、Tc分别与一个三角波进行滞回比较，产生三路PWM矢量控制信号，然后将三路PWM矢量控制信号反相，又生成三路PWM矢量控制信号，共产生六路PWM矢量控制信号，六路PWM矢量控制信号分别为：U_true、U_false、V_true、V_false、W_true、W_false，其中六路PWM矢量控制信号分为三组，每组PWM矢量控制信号中的两个PWM矢量控制信号相反，作用于一组桥臂中的上下两个桥臂，从而，生成的六路PWM矢量控制信号分别作为逆变器的六个开关信号；通过这六路PWM矢量控制信号可以控制逆变器从而控制永磁同步电机；所述步骤7具体是指：使用matlab语言实现离散化的PID调节器；考虑到利用Matlab语言实现的PID调节器无法单独实现历史值的保存，利用Simulink中的Memory模块进行上一次历史值的保存，在下一次计算时将上一次历史值重新输入，在第一次PID计算时设置所有输入均为零，设置保存的变量有：历史误差、历史输出、历史输入；具体为：首先更新控制周期，然后根据PID的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鑫，李玉峰，李海雄，张佩，赵为平，江秀红，王宇鹏，邵清亮，徐嵩，胡乃瑞，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21