基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統的製作方法

2023-08-08 16:45:36 3

專利名稱：基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流電機傳動技術領域，具體涉及一種基於永磁同步電機矢量控制系統的複合控制系統。
背景技術：
自1886年世界上第一輛汽車誕生以來，汽車以其在運載力、便捷性、舒適性和性價比等方面的綜合性能優勢在社會生活的各個方面獲得了的越來越廣泛應用。但是汽車帶給人們便捷、舒適的現代生活的同時，也難逃破壞生態環境和大量消耗石油資源的責任。開發新一代的清潔能源汽車成為必然趨勢。綜合考慮節能減排潛力、技術成熟度及產品價格等因素，電動汽車成為新能源汽車的最佳解決方案之一。中國的電動汽車技術發展與世界各國相差不大，在2009年金融危機的背景下，中國更是得到了發展電動汽車事業的良好契機，電動汽車將成為汽車發展的一種趨勢和必然。
電力驅動系統是純電動汽車的心臟，其控制效果的好壞直接影響著電動汽車整車性能的優劣。電動汽車對驅動電機的要求不同於普通工業領域，主要包括以下幾方面(I)高功率密度；(2)良好的調速性能，能夠實現精確的轉矩控制；(3)高效率以提高續駛裡程；適應惡劣的工作環境(高低溫、振動)；(5)小尺寸及適應車內空間的特殊封裝設計；
(6)極高的可靠性和性價比。而永磁同步電機具有體積小、重量輕、轉動慣量輕、功率密度高、效率高和輸出轉矩大等優點，成為電動汽車用驅動電機中最具競爭力的一款電機，日本和歐洲在混合動力電動汽車上已普遍使用。同時，我國蘊藏有豐富的稀土資源，隨著新型永磁材料的不斷湧現，永磁材料的成本有望降低，從而永磁電機比其他類電機在價格方面更是佔有絕對的優勢。永磁同步電機有強耦合、時變、非線性等特點，為了能夠實現高性能的調速系統，使系統具備優良的動、靜態性能，且對參數的變化和外界擾動具有不敏感性，控制策略的正確選擇發揮著至關重要的作用，優良的控制策略不但可以彌補硬體設計上的不足，而且能進一步提高系統的綜合性能。1971年，德國西門子公司的工程師F. Blaschke提出了矢量控制理論，使交流電機控制理論獲得質的飛躍。針對交流電機這個強耦合的控制對象，採用參數重構的現代控制理論來解耦，進行矢量變換，仿照直流調速原理，使交流調速系統的動、靜態性能達到直流調速的水平。對於內置式永磁同步電機一般採用最大轉矩電流比的控制策略進一步對永磁同步電機進行線性化解耦。目前，永磁同步電機矢量控制系統普遍採用速度和電流雙閉環控制方法，對速度的控制大部分利用傳統的PID控制器，傳統PID控制雖然原理簡單，魯棒性、穩定性好，但是快速性和抗幹擾的能力非常有限。

發明內容
本發明目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，本發明兼備模糊滑模控制和神經網絡控制的優點，實現永磁同步電機控制系統的強魯棒性、高穩定性，並且提高穩態精度，達到控制的快速性和強的抗負載擾動能力
為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是
一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，包括轉速控制外環以及電流控制內環，轉速控制外環中的控制單元採用複合控制模塊，所述複合控制模塊包括模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊，模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊通過兩加權因子λη、結合在一起。本發明的複合控制模塊中的神經網絡控制模塊傳統PID控制的延伸，通過神經網絡的在線學習，實現對控制系統的優化，而模糊滑模控制模塊則是在花磨邊結構中採用積分變結構控制策略，在滑模線的設計中引入狀態積分項，省去實現滑模速度控制所需的加速度信號，直接選擇函數切換控制，相對於比例切換控制參數更容易確定。對於上述技術方案，申請人還有進一步的詳細實施措施。 作為優化，所述轉速控制外環包括誤差比較模塊、複合控制模塊、第一比較模塊、第一 PI調節模塊、三相逆變器以及轉速位置檢測模塊，所述電流控制內環包括第二比較模塊、第二 PI調節模塊、Park逆變換模塊、電壓矢量脈寬調製模塊、Clark變換模塊以及Park變換模塊，所述三相逆變器的三路輸出接入永磁同步電機，所述的永磁同步電機與轉速位置檢測模塊相連，所述的轉速位置檢測模塊與誤差比較模塊相連，所述的誤差比較模塊與複合控制模塊相連，所述的複合調節模塊與第一比較模塊相連，所述的第一比較模塊連接第一 PI調節模塊，所述的三相逆變器的輸出端與Clark變換模塊相連，所述的Clark變換模塊的輸出端經過Park變換模塊後連接到第一比較模塊和第二比較模塊，所述的第二比較模塊連接第二 PI調節模塊，所述第一 PI調節模塊和第二 PI調節模塊接入Park逆變換模塊，所述的Park逆變換模塊與電壓矢量脈寬調製模塊相連，所述的電壓矢量脈寬調製模塊的輸出端與三相逆變器相連。所述的Clark變換模塊與三相逆變器的兩相輸出相連。所述的Park變換模塊與所述的Park逆變換模塊相連，所述的轉速位置檢測模塊與所述的Park變換模塊、Park逆變換模塊分別相連。進一步，所述的外環為速度環，速度環採樣模糊滑模及神經網絡複合控制優化系統性能。進一步，所述的內環電流環在基速以下採用最大轉矩電流比的電流控制策略，基速以上通過弱磁控制提供系統性能。更進一步，所述永磁同步電機控制系統採用的主控晶片為TMS320F28335數字處理晶片。作為優化，模糊滑模控制模塊的輸出控制信號為0 ,神經網絡控制模塊的輸出控制信號為□ /,經加權因子λη、λf將模糊滑模控制模
塊與神經網絡控制模塊複合的複合控制模塊的輸出控制信號為C= λ n []黽+ λ f ,其中λ η+ λ f =I0更進一步，加權因子λη、的取值範圍分別是O彡An ^ UO ^ Af ^ I0相比於現有技術中的解決方案，本發明優點是
I.本發明利用矢量變換(包括Clark變換、Park變換以及Park逆變換)將永磁同步電機的三相電流變換成d (直軸)、q (交軸)軸上的等效電流，再通過最大轉矩電流比的電流控制策略的方法對永磁同步電機的d、q軸上的數學模型進一步線性化解耦；速度環的控制單元則採用模糊滑模控制與神經網絡控制複合的控制模塊，通過控制結合二者的加權因子λη、Xf的取值實現模糊滑模控制與神經網絡控制複合的複合控制，另外當加權因子λη、Af取邊緣值或者說極限值即入 =1或Xf =1時可實現模糊滑模控制或者神經網絡控制的擔負控制；
2.本發明對現有的滑模變結構控制和傳統PID控制進行了改善。為了使控制系統實現響應的快速性和優良的抗幹擾效果，滑模變結構 控制可使系統按預先設定好的軌跡快速滑動到平面原點，魯棒性強，但是滑模變結構容易在滑動平面原點附近產生高頻顫動，這是實際控制系統所不允許的，而採用模糊滑模控制即模糊控制與滑模變結構複合控制則可克服這一問題，在保證強魯棒性的同時降低在滑動平面原點附近的高頻顫動，達到優勢互補。神經網絡控制則能更好地應對控制系統，對系統參數的不確定性和變化以及外界因素的擾動具有自適應性，使得整個系統對永磁同步電機控制系統數學模型的精確性要求不高，以便在對永磁同步電機等效直流控制過程中獲得更佳的動靜態特性。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖I為本發明實施例的控制系統的整體結構框 圖2為本發明經加權處理的複合控制信號的線性示意 圖3為本發明實施例的神經網絡控制的結構原理 圖4為本發明模糊滑模控制的模糊控制規則示意圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。實施例
本實施例描述了一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其整體結構如圖I所示，它包括轉速控制外環以及電流控制內環，所述轉速控制外環包括誤差比較模塊I、複合控制模塊2、第一比較模塊3、第一 PI調節模塊4、三相逆變器5以及轉速位置檢測模塊6，所述電流控制內環包括第二比較模塊7、第二 PI調節模塊8、Park逆變換模塊9、電壓矢量脈寬調製模塊10、Clark變換模塊11以及Park變換模塊12，所述三相逆變器5的三路輸出接入永磁同步電機13，所述的永磁同步電機13與轉速位置檢測模塊6相連，所述的轉速位置檢測模塊6與誤差比較模塊I相連，所述的誤差比較模塊I與複合控制模塊2相連，所述的複合調節模塊2與第一比較模塊3相連，所述的第一比較模塊3連接第一 PI調節模塊4，所述的三相逆變器5的輸出端與Clark變換模塊11相連，所述的Clark變換模塊11的輸出端經過Park變換模塊12後連接到第一比較模塊3和第二比較模塊7，所述的第二比較模塊7連接第二 PI調節模塊8，所述第一 PI調節模塊4和第二 PI調節模塊8接入Park逆變換模塊9，所述的Park逆變換模塊9與電壓矢量脈寬調製模塊10相連，所述的電壓矢量脈寬調製模塊10的輸出端與三相逆變器5相連。轉速控制外環中的控制單元所採用的複合控制模塊2包括模糊滑模控制模塊21與神經網絡控制模塊22，模糊滑模控制模塊21與神經網絡控制模塊22通過兩加權因子
An、Af結合在一起。模糊滑模控制模塊21的輸出控制信號為0 ,神經網絡控制模塊22的輸出控制信號為經加權因子λη、λ 模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊復
合的複合控制模塊的輸出控制信號為+Xfι ,,其中=1,加權因子λη、
入f的取值範圍是0彡λ η彡1、0彡λ f ( I,其原理示意圖如圖2所示。本實施例藉助坐標變換，使各物理量從靜止坐標系(三相定子坐標系)轉換到同步旋轉坐標系(d、q坐標系)，從而使永磁同步電機的控制達到直流電機的控制效果，同時採用最大轉矩電流比的方法對內置式永磁同步電機d、q軸上的電流給定進行計算，引用的空間 電壓矢量脈寬控制(SVPWM)技術實質上通過適當的組合基本空間矢量的開關狀態所產生的有效矢量來逼近基準圓，即用多變形來近似模擬圓形。把模糊滑模與神經網絡複合控制方法引入到永磁同步電機電流、速度雙閉環控制中的速度環。如圖2所示，在複合控制系統的特定時間段可單獨實現模糊滑模和神經網絡對速度環的控制，根據實際的控制系統性能要求，在誤差信號較大時(比如電動汽車啟動以及換
擋操作時)，取較大夂/值，讓複合控制器主要或完全處於模糊滑模控制，迫使系統按照預定
「滑動模態」的狀態軌跡運動，此時的控制器響應速度快、對參數的變化以及外界擾動不靈敏，魯棒性強，在本實施例的模糊滑模控制模塊中，為省去滑模速度控制器所需的加速度信號，在切換函數中引入狀態積分項，變結構採用函數切換控制。圖4為本發明的模糊控制規貝U，對滑模變結構誤差進行模糊處理，可以有效去除抖振。當誤差信號較小時(比如電動汽車平穩運行時)，取較大的弋值，讓複合控制器主
要或完全處於神經網絡控制，減小系統的超調與振蕩，使控制器具有良好的控制品質。圖3為本發明神經網絡結構，通過選用3層神經網絡，經過在線學習，有利於進一步消除振蕩的作用。本實施例的數據換算及處理均基於TMS320F28335數字處理晶片，該晶片具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現複雜的控制算法，有專用的電機控制接口，從而為本發明的實施有巨大的幫助。本發明的複合控制模塊中的神經網絡控制模塊傳統PID控制的延伸，通過神經網絡的在線學習，實現對控制系統的優化，而模糊滑模控制模塊則是在花磨邊結構中採用積分變結構控制策略，在滑模線的設計中引入狀態積分項，省去實現滑模速度控制所需的加速度信號，直接選擇函數切換控制，相對於比例切換控制參數更容易確定。上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，包括轉速控制外環以及電流控制內環，其特徵在於轉速控制外環中的控制單元採用複合控制模塊，所述複合控制模塊包括模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊，模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊通過兩加權因子λη、結合在一起。
2.根據權利要求I所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於所述轉速控制外環包括誤差比較模塊、複合控制模塊、第一比較模塊、第一PI調節模塊、三相逆變器以及轉速位置檢測模塊，所述電流控制內環包括第二比較模塊、第二 PI調節模塊、Park逆變換模塊、電壓矢量脈寬調製模塊、Clark變換模塊以及Park變換模塊，所述三相逆變器的三路輸出接入永磁同步電機，所述的永磁同步電機與轉速位置檢測模塊相連，所述的轉速位置檢測模塊與誤差比較模塊相連，所述的誤差比較模塊與複合控制模塊相連，所述的複合調節模塊與第一比較模塊相連，所述的第一比較模塊連接第一PI調節模塊，所述的三相逆變器的輸出端與Clark變換模塊相連，所述的Clark變換模塊的輸出端經過Park變換模塊後連接到第一比較模塊和第二比較模塊，所述的第二比較模塊連接第二 PI調節模塊，所述第一 PI調節模塊和第二 PI調節模塊接入Park逆變換模塊，所述的Park逆變換模塊與電壓矢量脈寬調製模塊相連，所述的電壓矢量脈寬調製模塊的輸出端與三相逆變器相連。
3.根據權利要求2所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於所述的外環為速度環，速度環採樣模糊滑模及神經網絡複合控制優化系統性能。
4.根據權利要求2所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於所述的內環電流環在基速以下採用最大轉矩電流比的電流控制策略，基速以上通過弱磁控制提供系統性能。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於所述永磁同步電機控制系統採用的主控晶片為TMS320F28335數字處理晶片。
6.根據權利要求I所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於模糊滑模控制模塊的輸出控制信號為0 ,神經網絡控制模塊的輸出控制信號為經加權因子λη、λ f將模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊複合的複合控制模塊的輸出控制信號為C= λ n □愁+ λ f ,其中λ η+ λ f =I0
7.根據權利要求6所述的一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其特徵在於加權因子λη、Af的取值範圍分別是O彡λη ( 1、0彡Af ( I。
全文摘要
本發明公開了一種基於模糊滑模和神經網絡的永磁同步電機複合控制系統，其包括轉速控制外環以及電流控制內環，轉速控制外環中的控制單元採用複合控制模塊，所述複合控制模塊包括模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊，模糊滑模控制模塊與神經網絡控制模塊通過兩加權因子λn、λf結合在一起。本發明兼備模糊滑模控制和神經網絡控制的優點，實現永磁同步電機控制系統的強魯棒性、高穩定性，並且提高穩態精度，達到控制的快速性和強的抗負載擾動能力。
文檔編號H02P21/05GK102843088SQ20121031237
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者楊明明, 王 鋒, 陳鋼, 曹秉剛, 陽科 申請人:曹秉剛