一种永磁同步电机调速系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机调速系统及其控制方法，所述系统包括模糊PID控制器、d轴PID控制器、q轴PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、逆变器、永磁同步电机、abc/dq坐标变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器，所述方法步骤如下：1、建立永磁同步电机数学模型；2、模糊PID控制器设计；2.1、模糊PID控制器的输入量与输出量的论域；2.2、建立模糊PID控制规则；2.3、模糊PID控制过程；2.4、根据步骤2.1～2.3所设计的模糊PID控制器，实现对永磁同步电机转速外环的矢量控制。本发明专利技术具有更好的调速性能，能够有效解决永磁同步发电机组数学模型非线性特性带来的困难，更适合于非线性、强耦合的多变量系统。强耦合的多变量系统。强耦合的多变量系统。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机调速系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机转速外环，特别是一种永磁同步电机调速系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机因其机构简单、功率密度高、可靠性好等优点，在现代工业体系中扮演着重要的角色。但是，永磁同步电机在实际运行条件下工作时，会受到外界环境干扰以及内部自身条件的影响，在一般的应用场合中，传统的PID控制常通过阶跃响应来检验系统的跟踪性能。然而，当给定为连续变化的信号时，传统的PID控制会忽略给定的微分，将会产生建模误差，导致系统跟踪性能变差，对于多变量、非线性、强耦合等环境，传统的PID控制方法往往难以满足性能指标要求。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种永磁同步电机调速系统及其控制方法，从而实现对永磁同步电机转速外环k
p
、k
d
三个参数的实时调整，提高对永磁同步电机调速系统的控制效果。
[0004]技术方案：本专利技术所述的一种永磁同步电机调速系统，包括模糊PID控制器、d轴PID控制器、q轴PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、逆变器、永磁同步电机、abc/dq坐标变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器；其中，输入量包括永磁同步电机的设定转速与位置和速度传感器输出的实际速度w
r
的差值，d轴电流期望值和abc/dq坐标变换模块输出的d轴电流i
sd
的差值，然后与d轴PID控制器相连接；q轴电流和abc/dq坐标变换模块输出的q轴电流i
sq
的差值，然后与q轴PID控制器相连接，d轴的PID控制器和q轴PID控制器的输出分别为u
sd
和u
sq
，然后经过反park变换模块得到u
α
和u
β
，再经过SVPWM矢量脉宽调制模块和三相逆变器将实际输出的电压经电流传感器传输给永磁同步电机，位置和速度传感器用于采集永磁同步电机当前的速度和电角度θ
s
，并将永磁同步电机当前电角度传输至abc/dq坐标变换模块，电流传感器输出的三相电流经过abc/dq坐标变换模块后获得实际的dq轴电流i
sd
和i
sq
，从而完成永磁同步电机矢量控制的全过程。
[0005]一种上述永磁同步电机调速系统的控制方法，包括以下步骤：
[0006](1)建立永磁同步电机数学模型。
[0007]在建立永磁同步电机数学模型之前，做出如下假设：1.永磁同步电机不会产生磁饱和现象，忽略磁滞、漏磁以及涡流效应带来的影响；2.永磁同步电机的转子磁链在气隙中分布以及定子的空载电势和磁势都只具有正弦曲线特性；3.永磁同步电机具有特性相同的定子三相绕组，各绕组之间相差120
°
。
[0008]永磁同步电机在旋转dq坐标系下的电压、转矩方程如下：
[0009][0010][0011]其中，u
sd
、u
sq
为定子电压d、q轴分量；R
s
为定子电阻；i
sd
、i
sq
为定子电流的d、q轴分量；ω
e
为电角速度；ψ
f
为转子磁链；T
e
为电磁转矩；p
n
为电机极对数；L
sd
为定子直轴电感；L
sq
为定子交轴电感。
[0012]由式(2)知，PMSM的电磁转矩由定子dq轴电流决定，当L
sd
＝L
sq
；得：
[0013][0014]由式(3)知，能够把定子电流i
s
的方向和dq坐标系中的q轴方向取一致，因为d轴与q轴相互正交，故d轴电流分量为零；p
n
、ψ
f
都是固定数值，而i
sq
在系统中不断变化；T
e
正比于定子电流q轴分量，控制了i
sq
即可实现对电磁转矩的控制。
[0015](2)模糊PID控制器设计。
[0016](2.1)模糊PID控制器的输入量与输出量的论域。
[0017]为了尽可能满足系统控制的准确性，现已得知线性隶属函数对系统控制效果影响不明显，同时为了使计算量和系统占用内存量减少，e、ec、k
p
、k
i
、k
d
采用的是三角形隶属函数；在方程(4)中，参数a、c确定三角形函数的两个底角取值，b确定三角形函数的顶角取值：
[0018][0019]输入变量e的模糊论域为[
‑
20，20]，ec的模糊论域为[
‑
2000，2000]，输出变量k
p
的模糊论域为[
‑
400，400]，k
i
的模糊论域为[
‑
1e5,1e5]，k
d
的模糊论域为[
‑
1，1]；它们的语言变量划分为：e,ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
[0020](2.2)建立模糊PID控制规则；
[0021]所述模糊规则为：
[0022]情况1：当|e|较小时，k
p
应该减小以免过度超调；为了减少稳态误差，应该适度增加k
i
取值；为了加强系统抗干扰的性能，减少调节所需时间，k
d
应该取稍大数值；
[0023]情况2：当|e|和|ec|中等数值时，为了抑制系统超调量，防止其过大，k
p
应取稍小值；k
i
选择一个合适的数值；为了保证响应速度，k
d
也要取中间数值；
[0024]情况3：当|e|较大时，为了加快响应速度，k
p
应该取较大值；为了抑制超调防止出现积分饱和，k
i
选择接近为0的值；为了预防初始导数饱和，k
d
应该取较小值。
[0025]工程师根据自身工作经验，基于mamdani类型设计出模糊控制规则，其形式如下：
[0026]Rule i:If e(t)is A
1i and ec(t)is A
2i then k
p
＝B
i and k
d
＝C
i and k
i
＝D
i
[0027]其中，A
1i
、A
2i
是输出论域模糊子集，B
i
、C
i
、D
i
为有模糊库决定的模糊单值；基于这个模糊关系，对于每个输入变量有7个模糊子集，需要49条模糊规则用于k
p
、k
i
、k
d
的模糊推<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机调速系统，其特征在于，包括模糊PID控制器、d轴PID控制器、q轴PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、逆变器、永磁同步电机、abc/dq坐标变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器；其中，输入量包括永磁同步电机的设定转速与位置和速度传感器输出的实际速度w
r
的差值，d轴电流期望值和abc/dq坐标变换模块输出的d轴电流i
sd
的差值，然后与d轴PID控制器相连接；q轴电流和abc/dq坐标变换模块输出的q轴电流i
sq
的差值，然后与q轴PID控制器相连接，d轴的PID控制器和q轴PID控制器的输出分别为u
sd
和u
sq
，然后经过反park变换模块得到u
α
和u
β
，再经过SVPWM矢量脉宽调制模块和三相逆变器将实际输出的电压经电流传感器传输给永磁同步电机，位置和速度传感器用于采集永磁同步电机当前的速度和电角度θ
s
，并将永磁同步电机当前电角度传输至abc/dq坐标变换模块，电流传感器输出的三相电流经过abc/dq坐标变换模块后获得实际的dq轴电流i
sd
和i
sq
，从而完成永磁同步电机矢量控制的全过程。2.一种如权利要求1所述的永磁同步电机调速系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立永磁同步电机数学模型；(2)模糊PID控制器设计；(2.1)模糊PID控制器的输入量与输出量的论域；(2.2)建立模糊PID控制规则；(2.3)模糊PID控制过程；(2.4)根据步骤(2.1)～(2.3)所设计的模糊PID控制器，能够实现对永磁同步电机转速外环的矢量控制。3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机调速系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在建立永磁同步电机数学模型之前，做出如下假设：1.永磁同步电机不会产生磁饱和现象，忽略磁滞、漏磁以及涡流效应带来的影响；2.永磁同步电机的转子磁链在气隙中分布以及定子的空载电势和磁势都只具有正弦曲线特性；3.永磁同步电机具有特性相同的定子三相绕组，各绕组之间相差120
°
；永磁同步电机在旋转dq坐标系下的电压、转矩方程如下：永磁同步电机在旋转dq坐标系下的电压、转矩方程如下：其中，u
sd
、u
sq
为定子电压d、q轴分量；R
s
为定子电阻；i
sd
、i
sq
为定子电流的d、q轴分量；ω
e
为电角速度；ψ
f
为转子磁链；T
e
为电磁转矩；p
n
为电机极对数；L
sd
为定子直轴电感；L
sq
为定子交轴电感；由式(2)知，PMSM的电磁转矩由定子dq轴电流决定，当L
sd
＝L
sq
；得：
由式(3)知，能够把定子电流i
s
的方向和dq坐标系中的q轴方向取一致，因为d轴与q轴相互正交，故d轴电流分量为零；p
n
、ψ
f
都是固定数值，而i
sq
在系统中不断变化；T
e
正比于定子电流q轴分量，控制了i
sq
即可实现对电磁转矩的控制。4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菲菲，赵环宇，王波，刘伟，季禹伟，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：