一种基于能量优化的永磁电机控制系统.doc

说 明 书一种基于能量优化的永磁电机控制系统技术领域：本发明属于电力电子与电力传动技术领域，特别涉及一种基于三项四桥臂拓扑结构的整流电路和一种基于能量优化的模糊控制器。背景技术：近年来，我国工业规模的不断扩大，能源需求的不断增加，尤其是在近几年国际市场上能源价格的不断上涨的情形下，我国工业发展与资源消耗的矛盾越来越突出，其根本原因在于我国工业并未摆脱以高能耗来支撑发展的老路。这严重制约了国民经济的进一步发展，因此开发一种基于采用先进的工业控制技术以及信息技术的电气传动控制系统，研发节能降耗的控制技术和装置、提高单位能耗产出、提升我国工业水平已势在必行。目前，以电力电子技术为基础并结合控制技术的电气传动系统，已成为自动化生产线和过程自动化的基础核心部分，广泛应用于工业生产的各个领域。随着工业中永磁电机传动控制系统的需求量日益增加，对其控制性能和节能效果也提出了越来越高的指标。而我国现有的电气传动系统存在能耗大、效率低、控制精度不高等问题。在现代工厂的机械设备中，电气传动系统所耗费的电能占到了60%70%，已成为现代工业耗能的主体，而随着能源价格的不断攀升，这个比例还有继续上升的趋势。传统电气传动系统控制性能差且耗能严重，其主电路多采用三相晶闸管整流、逆变电路，功率因数低、开关管损耗高；控制器普遍采用传统的pi控制算法，传动系统控制精度低、鲁棒性差。发明内容：针对现有技术的不足，本发明提供一种以能量为统一优化指标，对系统中各组成部分进行改造，形成以永磁同步电机为最终执行装置的电气传动及控制系统，实现了系统低能耗运行的目标。采用模块化设计思想，所研发系统主要由可控整流单元、逆变控制单元、综合管理和调度单元构成。可控整流单元主要由功率变换电路、控制器和人机操控界面构成。功率变换电路采用三相四桥臂拓扑结构，实现ac-dc的电能转换；控制算法采用直接电流控制模式，实现输出直流电压稳定和高功率因数；人机操控界面完成系统操控和状态显示。可控整流单元用于实现电气传动及控制系统中电能的整流（ac-dc变换）过程。为实现系统的低能耗运行，整流过程控制以高功率因数、输出电压稳定和实现系统能量的双向流动为目标。高功率因数降低了电能传输过程的损耗，稳定的输出电压提高了逆变过程控制（电机控制）精度，降低了电机运行过程中的损耗，能量的双向流动使电机制动过程中能耗电阻损耗的能量回馈到电网。为了实现上述目标，整流过程控制技术主要研究上述控制目标的解耦方法，以实现各控制目标的精确控制。这需要将控制矢量解耦成有功分量和无功分量。无功分量控制了系统的无功功率，决定了系统功率因数；有功分量的幅值控制了系统的有功功率的大小，决定了输出直流电压；有功分量的极性控制了系统的能量流动方向。因此，本系统采用电压外环电流内环的双闭环控制模式。电流内环用于实现三相交流电流与三相交流电压同步，电压外环用于实现直流输出电压稳定。在整流器系统中，目的就是要得到所需要的直流侧电压，同时保持较高的功率因数，即有两个控制对象，直流侧电压和交流侧电流。由于三相电网中含有大量的不对称电流，造成三相不平衡。因此，本单元采用三相四桥臂整的电路拓扑结构，三相四桥臂整流电路采用三相四线结构，应用在三相带中线的电网中，可以很好地抑制电网的不平衡，提高功率因数，确保整流电路的正常运行。尽管控整流单元需要调节三相电流，但实际上三相电流并不独立，它们之间存在耦合关系，通过clark和park坐标变换可将三阶关联的电流方程变为二阶解耦方程。基于静止坐标系模型的控制方法中电流环的给定在稳态时都为工频的时间变量，由于pi电流调节器的增益和带宽有限，结果会导致电流跟踪的幅值和相位误差。如果通过时变矩阵将三相正弦电流变换到与电流基波同步旋转的dq坐标系下，稳态正弦电流变成了直流量，pi调节器的直流增益为无穷大，就可以实现电流无差跟踪控制。经过abc坐标系到dq坐标系的坐标变换，电流跟踪系统变为电流恒值调节系统。稳态时dq坐标系的指令信号都为直流量，其中q轴为无功分量调节，实现高功率因数整流；d轴为有功分量调节，实现直流输出电压稳定，其给定值由电压外环的调节输出决定。针对永磁同步电机的特点，逆变过程控制（电机控制）技术研究永磁同步电机低能耗运行的控制方法，其控制目标为降低电机运行中的无功功率，以减少电机运行中损耗。上述控制目标的实现取决于控制矢量的参考位置和控制精度。本装置以能耗为优化指标，研究控制矢量求解方法，并采用模糊控制算法，在变负载转矩和电机参数扰动条件下，在线求解参数，提高控制精度，减少电机运行中铜损和铁损，优化了系统控制。由基于能量优化的控制目标可得：其中： 式中：，定子d、q轴电流、定子绕组d、q轴的自感永磁电机转子磁链 磁极对数为获得最大转矩/电流控制，对求导，即 ， ，得则 控制器采用模糊控制算法，模糊控制比传统控制具有更快的动态响应特征和更小的超调，是一种具有优良性能的高精度模糊控制器。通过模糊的自适应控制，利用模糊逻辑可得到输出控制模糊变量k，根据相应的量化因子可求出确切的输出控制量k。在这里采用的是最大隶属度法进行解模糊判决。查出修正参数k可得到修正的k。系统控制框图综合调度单元基于wincc软件平台，以可编程控制器（plc）和微机工作站（pc）为硬件平台，通过profibus网络实现对其他各单元和系统测试过程的管理和调度。综合调度单元通过微机工作站的丰富的操控和显示界面实现系统参数的设置、系统运行的操控和系统运行状态的显示和记录。它由三个部分构成：第一部分实现pc机与plc的通讯，第二部分实现上位机与直流电机控制子系统通讯的功能，第三部分实现上位机与永磁同步电机控制子系统通讯功能。设置plc为一类主站，pc机为二类主站。本发明的优点：可控整流单元采用三项四桥臂的拓扑结构，有效地抑制了电网的不平衡，同时提高了功率因数，确保整流电路的正常运行；逆变单元采用基于能量优化的模糊控制算法，实现了能量最优控制，减少了能量损失，节约了能量。附图说明：图1 本发明一种基于能量优化的永磁电机控制系统的系统结构图；图2 本发明三相四桥臂拓扑结构；图3 本发明微处理器最小系统（a），pwm脉冲产生及其输出电路（b），检测信号预处理电路（c）；图4 本发明可控整流过程主程序流程图；图5 本发明硬件控制电路的结构框图；图6 本发明存储电路；图7 本发明电平转换电路；图8 本发明电压转换电路；图9 本发明复位及电压监控电路；图10 本发明相电流检测电路；图11 本发明码盘信号检测电路；图12 本发明开关量输入输出接口电路；图13 本发明驱动电路；图14 本发明故障检测与保护电路；图15 本发明串行通信接口电路；图16 本发明模糊pi控制器的原理框图；图17本发明偏差变量e的隶属度函数图；图18本发明偏差变化率ec的隶属度函数图；图19 本发明kp隶属度函数图；图20 本发明ki隶属度函数图。具体实施方式：本发明一种基于能量优化的永磁电机控制系统的详细结构结合实施例加以说明。系统主要由可控整流单元、逆变控制单元、综合管理和调度单元构成（如图1所示）。1.整流单元主要由功率变换电路、控制器和人机操控界面构成。功率变换电路采用三相四桥臂拓扑结构（如图2所示），实现ac-dc的电能转换。硬件电路以微处理器为核心，并扩展实现可控整流功能和通讯功能的外围接口电路；控制算法采用直接电流控制方案，实现高功率因数和输出电压稳定的目标。以下分别给出了微处理器最小系统（a），pwm脉冲产生及其输出电路（b），检测信号预处理电路（c）（如图3所示）。控制器的软件控制算法是实现的控制方案的关键部分。通过软件编程并将程序嵌入微处理器，以控制可控整流单元，实现对整流过程的有效控制。以下给出了可控整流过程主程序流程图（如图4所示）。2. 逆变单元的实施步骤通过整流单元，保证了逆变单元直流供电电压稳定。逆变主回路采用igbt构成桥式逆变电路，通过igbt开关动作，调节输出的交流电压，从而实现对永磁电机的控制。逆变单元控制器硬件电路是实现软件控制算法的基础，以信号处理器（dsp）tms320f2812为核心进行数据运算处理，并扩展了数据存储，缓存，a/d转换，pwm脉冲信号产生，物理量检测、数据通讯等功能。以下给出了硬件控制电路的结构框图，包括tms320f2812基本功能电路、外围接口电路和供电电路（如图5所示）。tms320f2812基本功能电路是实现数据运算处理的核心，它主要包括存储电路、电平转换电路、电压转换电路、复位及监控电路。（1）存储电路（如图6所示）以cypress公司的高性能sram为存储器（型号为 7y7c1021，容量为512k*16），与dsp（tms320f2812）连接，提供数据存储功能。（2）电平转换电路（如图7所示）主要是为扩展各种输入输出功能，提供兼容的电平。芯片采用了ti公司的高速ttl-coms兼容转换芯片sn74cbtd3384，能兼容3.3v/5v电平，起到电平转换的作用，同时具有一定的驱动能力。（3）tms320f2812正常工作除了需要+3.3v供电外，还需要+1.8v电源供电，同时要求+1.8v电源有较高的稳态精度。为了提供稳定的+1.8v供电，选择电压转换芯片tps76801，设计电压转换电路（如图8所示），实现+5v到+1.8v的电压转换。（4）复位及电压监控电路（如图9所示）采用ti公司的电压监控芯片tps3823-33，将手动复位电路与电压监控电路设计到一起，该电路具有看门狗、手动复位、低电平复位、电压监控等功能。上电时，监控电路发出低电平复位脉冲信号，实现上电自动复位；当供电电压过低时，即小于3.15v时，为了防止dsp失控，芯片会自动置reset为低电平来复位dsp；手动复位输入可通过按键开关s1来触发，reset变为低电平；wdi为看门狗输入端，该端的作用是启动看门狗定时器开始计数，与dsp的t4ctrip引脚相连，形成硬件看门狗电路，若在1.6s内不再重新触发wdi，则reset输出200ms低电平，从而复位dsp。（5）外围接口电路用于实现系统运行状态的检测、控制信号（开关器件驱动信号）的输出、串行通信、故障检测，及提供开关量输入输出接口。它主要包括相电流检测电路、直流电压检测电路、码盘信号检测电路、开关量输入输出接口电路、驱动电路、故障检测电路和串行通信接口电路。相电流检测电路（如图10所示）用于获得控制所需的反馈量，并转换成dsp可以接受和计算的电压信号。该电路由三部分组成：跟随环节、滤波环节、电压偏置环节。跟随环节提供高阻抗输入。滤波环节根据实际系统工作频率特性，设计成截止频率为500hz的低通滤波器，电压偏置环节是为了匹配检测信号和dsp的a/d端口的电压范围而设计。 直流电压检测电路用于获得空间矢量调制方法所需的直流电压值，图14给出直流电压检测电路的设计。码盘信号检测电路（如图11所示）用于获得控制所需的电机速度和磁极位置反馈量。实际系统中用到的位置传感器的输出为12路差分信号，具有u、v、w，a、b、z等6相信号，每相信号都是差分输出，如传感器输出的a相信号由一路a信号及一路它的互补信号组成，而dsp不能直接处理这些信号，所以设计检测电路将12路差分信号复原为6相信号送给dsp处理。开关量输入输出接口电路（如图12所示）用于实现由开关量完成的控制和显示。开关量的输入主要有启动/停止控制、正反转控制及其他功能预留接口等；开关量的输出主要有软启动控制、报警、保护输出、主电路冷却风扇控制以及预留接口等。驱动电路（如图13所示）用于实现dsp的pwm输出电平与驱动板输入电平的匹配。考虑到开关频率为10khz，要求电平转换过程有较好的动态特性，即pwm信号不失真，采用ti公司的芯片sn7417。故障检测电路（如图14所示）用于检测和处理系统故障信号。当驱动板内部检测到过流、短路、模块驱动控制电压欠压或者模块温度过高时，输出故障报警信号，各种故障信号由或非门电路mc14078bcp综合后，输入到引脚dsp的pdpint，将pdpint引脚置低电平。此时dsp立即停止计数，所有输出管脚全部呈高阻状态，封锁输出脉冲，保护系统。当电机温度过高时，通过热敏开关发出故障信号，通过光耦隔离转换进入dsp的i/o口，dsp启动对系统的保护程序。串行通信接口电路（如图15所示）利用dsp的sci模块，采用max202作为sci的驱动芯片，实现与pc上位机的异步串行数据通信。3. 控制算法以能耗为优化指标，应用模糊控制算法，求解系统状态给定，实现控制目标。模糊控制器的原理框图（如图16所示）。根据模糊原理设计模糊控制器，基本步骤如下：(1)对系统进行分析确定输入输出变量，将评估转矩和转矩变化率变量作为模糊控制器的输入，由模糊控制器利用模糊规则进行推理，输出参数增量，修正模糊调节器的参数，以保证电机在不同运行状态下都具有良好的动、静性能。(2)输入评估转矩和矩阵变化率的论域定义为 -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4，其模糊子集定义为 nm,ns, ze, ps, pm ，为简化运算，隶属度函数（如图17所示）（如图18所示）均采用三角形隶属度函数。输出变量k 的论域定义为-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，其模糊子集定义为 nm,ns, ze, ps, pm ，隶属度函数如图（如图19所示）（如图20所示）。取转矩变化范围在-500,500，转矩变化率在-3000,3000，量化因子k1为 1/750。(3)根据评估转矩和矩阵变化率对输出特性的影响，制定了25条模糊控制规则。由这些模糊规则可得到模糊关系r，根据模糊推理的合成法则得到k模糊控制查询表1。表1 k模糊控制查询表kt-4-3-2-101234t-4-0.2-0.2-0.2-0.2-0.1-0.1-0.1-0.10-3-0.2-0.2-0.2-0.1-0.1-0.1-0.100.1-2-0.2-0.2-0.1-0.1-0.1-0.100.10.1-1-0.2-0.1-0.1-0.1-0.100.10.10.10-0.1-0.1-0.1-0.100.10.10.10.11-0.1-0.1-0.100.10.10.10.10.22-0.1-0.100.10.10.10.10.20.23-0.100.10.10.10.10.20.20.2400.10.10.10.10.20.20.20.2通过查询表1即可得到输出控制模糊变量k，根据相应的量化因子可求出确切的输出控制量k。在这里采用的是最大隶属度法进行解模糊判决。查出修正参数k可得到修正的k，从而实现对控制器参数的在线修改，实现能量优化控制。(1)对系统进行分析确定输入输出变量，将偏差变量e和偏差变化率ec变量作为模糊pi控制器的输入，由模糊控制器利用模糊规则进行推理，输出参数增量kp、ki，修正pi调节器的参数kp、ki，以保证电机在不同运行状态下都具有良好的动、静性能。(2)输入变量偏差e和偏差变化率ec的论域定义为 -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6，其模糊子集定义为nb,nm,ns, ze, ps, pm, pb，为简化运算，隶属度函数（如图17所示）（如图18所示）均采用三角形隶属度函数。输出变量kp 的论域定义为-0.15，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15，ki 的论域定义为-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，其模糊子集定义为nb,nm,ns, ze, ps, pm, pb，隶属度函数如图（如图19所示）（如图20所示）。取速度变化范围在-1500,1500，速度变化率在-10000,10000，量化因子k1和k2分别为6/1500和6/10000。(3)根据e和ec对输出特性的影响，制定了49条模糊控制规则。由这些模糊规则可得到模糊关系r，根据模糊推理的合成法则得到kp模糊控制查询表1以及ki模糊控制查询表2。表1 kp模糊控制查询表kpec-6-5-4-3-2-10123456e-60.150.150.150.150.10.10.10.10.050.050.050.050-50.150.150.150.10.10.10.10.050.050.050.050-0.05-40.150.150.10.10.10.10.050.050.050.050-0.05-0.05-30.150.10.10.10.10.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-20.10.10.10.10.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-10.10.10.10.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.100.10.10.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.110.10.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.120.050.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.1-0.130.050.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1540.050.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.1-0.1-0.15-0.1550.050-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.1-0.1-0.15-0.15-0.1560-0.05-0.05-0.05-0.05-0.1-0.1-0.1-0.1-0.15-0.15-0.15-0.15表1 ki模糊控制查询表kiec-6-5-4-3-2-10123456e-6-0.15-0.15-0.15-0.15-0.1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.050-5-0.15-0.15-0.15-0.1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.05-4-0.15-0.15-0.1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.05-3-0.15-0.1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.05-2-0.1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.05-1-0.1-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.050.10-0.1-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.050.10.11-0.1-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.050.10.10.12-0.05-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.050.10.10.10.13-0.05-0.05-0.0500.050.050.050.050.10.10.10.10.154-0.05-0.0500.050.050.050.050.10.10.10.10.150.155-0.0500.050.050.050.050.10.10.10.10.150.150.15600.050.050.050.050.10.10.10.10.150.150.150.15通过查询表1和表2即可得到输出控制模糊变量kp、ki，根据相应的量化因子可求出确切的输出控制量kp和ki。在这里采用的是最大隶属度法进行解模糊判决。查出修正参数kp和ki可得到修正的kp和ki，从而实现对控制器参数的在线修改，实现能量优化控制。在 dq 坐标系下pmsm 的模型可表示为：对于隐极永磁同步电机，有ld =lq，由式(4)可以看出：无论id 是否为0，电磁转矩 都与iq 成线性变化。此时，对于一定的转矩输出，id =0 的控制方式可使对应的定子电流最小，即最大转矩/电流控制就是id =0 的控制。对于凸极永磁同步电机(ld lq)，一般有ld lq。由式(4)有其中 则从而由式(22)知，id 0 = f ( l0 )。在计算机中实现时，根据数值精度要求，利用式(22)建立id 0与l 之间的数值对应存储表。对于给定转矩0 l0 = ，通过查表可确定相应的id 0，再利用式(23)即可求得iq0。，d-q轴模型为 (1)式中：，定子d、q轴电流，定子d、q轴电压永磁电机转子磁链r定子电阻 、定子绕组d、q轴的自感微分算子转矩方程为： (2)式中，凸极率。采用转矩最优控制方式，有利于充分提高系统输出转矩。最优转矩控制可等效为定子电流满足转矩方程的条件极值问题，构造拉格朗日函数： (3)式中：为拉格朗