[发明专利]一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法

摘要

一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法，基于本发明设计方法所优化得到的模糊控制器能够不同的运行状况自适应确定电机转矩的给定值，动态自适应地调整电机的转矩大小，相当于基于工程师的实际经验提前判断电机的运转状况，可改善无刷直流电机系统的动态和稳态性能，同时能够在一定程度上抑制无刷直流电机的转矩脉动现象。另一方面本发明没有安装位置传感器，因而简化了系统结构，减少了系统的成本，也提高了电机运行的可靠性。

主权项

一种无刷直流电机直接转矩自适应模糊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、基于多目标优化算法确定无刷直流电机模糊控制器的种类，无刷直流电机模糊控制器采用自适应模糊PID控制器，通过多目标优化算法确定对应的自适应模糊PID控制器的最优参数，参数确定包括如下步骤：步骤a、根据无刷直流电机控制系统的类型和特点，确定模糊控制器的输入变量和输出变量的数目；这里将系统转速偏差和转速偏差的变化率作为两个模糊输入变量，而将PID控制策略中的比例、积分和微分参数的修正量作为三个模糊输出变量；步骤b、确定所述模糊控制器中所有模糊变量的对应的隶属度函数类型和数目，这里所有的模糊变量均包含5个模糊语言术语“NB（负大）、NS（负小）、ZO（正中）、PS（正小）、PB（正大）”，对应5个隶属度函数， 每个模糊变量对应的隶属度函数参数，可用三个参数（x1,x2,x3）进行表示，所述模糊控制器中共包含三个模糊规则子库，其中每个模糊规则子库中的模糊规则数目为5×5=25条，总共的模糊规则数目为25×3=75个，三个模糊输出变量和两个模糊输入变量为5个模糊变量，5个模糊变量所对应的隶属度函数参数数目为3×5=15个，模糊控制器包含参数总共为75+15=90个，优化算法中每个个体可用一个长度为90的实数编码串进行表示；针对每个个体所对应的模糊控制器参数，计算电机控制系统的多个优化目标，并基于多目标优化算法中的Pareto占优概念对个体进行评价和比较；选择当前种群中的部分优良个体，实施克隆和变异操作，产生一定数目并发生变异的新个体；计算新产生个体的超调量、上升时间和调节时间，并再次利用Pareto占优概念对新个体进行比较和选择，确定新一代的种群；算法终结条件判断，若满足则结束算法的迭代优化过程，否则转到步骤b继续进行算法的迭代优化过程；当多目标优化算法结束后，可得到并输出最优的模糊控制器的参数；步骤2、通过三相相电流检测单元和三相相电压检测电单元分别检测并计算无刷直流电机的三相相电流和三相相电压值，并利用坐标变换模块将三相相电流和三相相电压值转换为相电压和相电流在两相静止αβ坐标系上的分量，建立对应的αβ坐标系；步骤3、通过磁链计算单元利用步骤2中确立的αβ坐标系相电压和相电流对应的分量计算出无刷直流电机的定子磁链以及转子的实际位置，定子磁链计算公式如下：式中表示转子永磁体的磁链幅值，是一个恒定值；、和、则分别表示定子磁链和转子磁链在两相静止坐标系上的分量；通过定子相电压和相电流检测电路，可得到三相端电压ua, ub, uc和两相相电流ia, ib的检测值，其中第三相的相电流可以通过另外两相得到，它们满足下面公式假定为三相逆变器的直流侧电压，通过确定三相端电压等于的时刻，可以确定定子三相反电动势的过零时刻，进而可确定转子的实际位置，如果检测得到的三相端电压与的差值小于某个阈值，则视为两者相等，该时刻即视为该相反电动势的过零时刻，进一步，确定转子的实际位置对应扇区信息的原理如下，假定电机的三相定子绕组的通电相序为：；如果按照上述的预定位的方法使得转子永磁铁的初始位置滞后于A相绕组角度，则在一个通电周期内会依次检测到6次三相端电压等于的时刻，分别表示为,,,,,,其中表示三相端电压在该周期内首次等于的时刻，而则三相端电压在该周期内第二次等于的时刻；则转子位置所处扇区的划分方法如下所示：对应扇区1，对应扇区2，扇区3，扇区4，扇区5，扇区6，同时通过所述的三相相电压和三相相电流，通过坐标变换可得到它们在两相静止坐标系上的分量,和,，定义定子磁链计算公式如下：,式中为定子每一相的相电阻，而为系统的采样时间；和则分别表示定子磁链的幅值和幅角；步骤4、通过转速计算单元测出的定子磁链计算出无刷直流电机的实际转速；步骤5、通过磁矩计算单元利用步骤3和步骤4中的计算的定子磁链和实际转速计算无刷直流电机的实际转矩，实际转矩计算公式如下，首先根据步骤3中的定子磁链得到转子磁链，如下公式：式中Ls为电机定子的自感系数；利用无刷直流电机的转子磁链和定子电流以及电机转速可得到电机的转矩的计算公式：；步骤6、通过步骤4中得出的实际转速与无刷直流电机的给定转速的差值以及单位采样周期内差值的变化量计算出转速偏差和偏差变化率，并利用步骤1中确定自适应PID模糊控制器中的各个参数，计算得出无刷直流电机的给定转矩；步骤7、通过步骤6中的计算得出的给定转矩与步骤5中计算得出的实际转矩之间的差值计算出转矩偏差，并将转矩偏差输入转矩滞环调节单元中，输出得到转矩滞环输出信号；步骤8、通过步骤3中计算出的无刷直流电机定子磁链和无刷直流电机定子磁链的幅值，可以计算出对应的磁链偏差，并将磁链偏差输入磁链滞环调节单元中，输出得到磁链滞环的输出信号；步骤9、通过步骤3中的电机当前转子位置、步骤7中得到的转矩滞环输出信号和步骤8中得到的磁链滞环输出信号，确定无刷直流电机对应逆变器的六个开关管的对应状态；步骤10、通过步骤9中确定的逆变器六个开关管的对应状态作为逆变器控制单元的输入，进而可驱动所述无刷直流电机运行。