專利名稱：一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子與電力傳動技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)的整流電路和一種基于能量優(yōu)化的模糊PI控制算法。
背景技術(shù)：
近年來，我國工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，能源需求的不斷增加，尤其是在近幾年國際市場上能源價格的不斷上漲的情形下，我國工業(yè)發(fā)展與資源消耗的矛盾越來越突出，其根本原因在于我國工業(yè)并未擺脫以高能耗來支撐發(fā)展的老路。這嚴重制約了國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，因此開發(fā)一種基于采用先進的工業(yè)控制技術(shù)以及信息技術(shù)的電氣傳動控制系統(tǒng)，研發(fā)節(jié)能降耗的控制技術(shù)和裝置、提高單位能耗產(chǎn)出、提升我國工業(yè)水平已勢在必行。目前，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)并結(jié)合控制技術(shù)的電氣傳動系統(tǒng)，已成為自動化生產(chǎn)線和過程自動化的基礎(chǔ)核心部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。隨著工業(yè)中永磁電機傳動控制系統(tǒng)的需求量日益增加，對其控制性能和節(jié)能效果也提出了越來越高的指標(biāo)。 而我國現(xiàn)有的電氣傳動系統(tǒng)存在能耗大、效率低、控制精度不高等問題。在現(xiàn)代工廠的機械設(shè)備中，電氣傳動系統(tǒng)所耗費的電能占到了 609Γ70%，已成為現(xiàn)代工業(yè)耗能的主體，而隨著能源價格的不斷攀升，這個比例還有繼續(xù)上升的趨勢。傳統(tǒng)電氣傳動系統(tǒng)控制性能差且耗能嚴重，其主電路多采用三相晶閘管整流、逆變電路，功率因數(shù)低、開關(guān)管損耗高；控制器普遍采用傳統(tǒng)的PI控制算法，傳動系統(tǒng)控制精度低、魯棒性差。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以能量為統(tǒng)一優(yōu)化指標(biāo)，對系統(tǒng)中各組成部分進行改造，形成以永磁同步電機為最終執(zhí)行裝置的電氣·傳動及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)低能耗運行的目標(biāo)。采用模塊化設(shè)計思想，所研發(fā)系統(tǒng)主要由PWM整流單元、逆變控制單元、綜合管理和調(diào)度單元構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有方法存在的不足，本發(fā)明提出一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置和方法，以達到有效抑制電網(wǎng)的不平衡，提高功率因數(shù)的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置，包括綜合管理與調(diào)度單元、PWM整流單元和逆變控制單元；所述的PWM整流單元包括控制器，此夕卜，所述的PWM整流單元還包括功率變換電路；所述的功率變換電路為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，所述的功率變換電路為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，是用于控制零序電流，對電網(wǎng)輸入電壓進行補償，消除電網(wǎng)中含有的不對稱電流，抑制電網(wǎng)的不平衡的電路。所述的功率變換電路，為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每個橋臂由上橋臂和下橋臂串聯(lián)組成，所述的上橋臂和下橋臂都由開關(guān)管和二極管并聯(lián)構(gòu)成，第一橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓的A相連接,第二橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓的B相連接，第三橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓的C相連接；第四橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓G相連接；四個橋臂彼此并聯(lián)后，再與一個濾波電容并聯(lián)。采用基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置的方法，包括以下步驟
步驟I :確定基于能量優(yōu)化的永磁電機控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)；步驟1-1 :獲得通過電機速度檢測裝置反饋回來的速度信號和永磁同步電機速度給定值作差值運算，然后通過能量方程得到能量偏差和能量偏差變化率；步驟1-2 :確定模糊PI控制器輸入變量和輸出變量的論域、模糊子集和隸屬函數(shù)；步驟1-3 :制定模糊規(guī)則，根據(jù)模糊規(guī)則的合成法則，得到模糊控制查詢表；步驟1-4 :能量偏差變量和能量偏差變化率分別乘以模糊化量化因子Ke、K。，得到量化后的能量偏差變量與能量偏差變化率，然后通過查詢模糊控制查詢表得到未解模糊的模糊PI參數(shù)修正值λ K' P、Λ K' 1；最后通過去模糊化，確定最終的模糊PI調(diào)節(jié)器參數(shù)修正值 ΛΚΡ、AK1 ；步驟1-5 :根據(jù)模糊PI調(diào)節(jié)器參數(shù)修正值ΛΚΡ、AK1，可得到模糊PI調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kp、K1 ；
步驟2 :對基于能量優(yōu)化的永磁電機控制系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速進行控制；步驟2-1 :碼盤反饋的速度值與給定值做差值運算，經(jīng)模糊PI調(diào)節(jié)器，輸出作為電流q軸的給定值；設(shè)定q軸為有功軸，d軸為無功軸，則取O為電流d軸的給定值；步驟2-2 d軸、q軸電流給定值分別與反饋電流在d軸、q軸分量作差值運算到d 軸、q軸的偏差值，其中反饋電流在d軸、q軸分量是由三相電壓ua、ub、U。經(jīng)Clark變換和 Park變換得到的，d軸、q軸的偏差值分別經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出d軸、q軸電壓分量，作為調(diào)制信號，觸發(fā)逆變橋臂上的開關(guān)管的開通或關(guān)斷，輸出三相電壓最終控制電機轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明裝置的PWM整流單元采用三相四橋臂的拓撲結(jié)構(gòu)，有效地抑制了電網(wǎng)的不平衡，同時提高了功率因數(shù)，確保整流電路的正常運行；逆變單元采用基于能量優(yōu)化的模糊PI控制算法，實現(xiàn)了能量最優(yōu)控制，減少了能量損失，節(jié)約了能量。


圖I為本發(fā)明的一種實施方式基于能量優(yōu)化的永磁電機控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的一種實施方式三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)電路原理圖；圖3為本發(fā)明的一種實施方式整流系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明的一種實施方式整流系統(tǒng)中的PWM脈沖產(chǎn)生及其輸出電路原理圖；圖5為本發(fā)明的一種實施方式整流系統(tǒng)中的電流采樣電路原理圖；圖6為本發(fā)明的一種實施方式第一扇區(qū)七段法開關(guān)順序示意圖；圖7為本發(fā)明的一種實施方式棱柱I四面體I開關(guān)順序示意圖；圖8為本發(fā)明的一種實施方式整流過程流程圖；圖9為本發(fā)明的一種實施方式逆變控制單元硬件控制電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖10為本發(fā)明的一種實施方式存儲電路的電路原理圖；圖11為本發(fā)明的一種實施方式電平轉(zhuǎn)換電路的電路原理圖；圖12為本發(fā)明的一種實施方式電壓轉(zhuǎn)換電路的電路原理圖；圖13為本發(fā)明的一種實施方式復(fù)位及電壓監(jiān)控電路的電路原理圖；圖14為本發(fā)明的一種實施方式相電流檢測電路的電路原理圖；圖15為本發(fā)明的一種實施方式直流母線檢測電路的電路原理圖16為本發(fā)明的一種實施方式欠電壓檢測電路的電路原理圖，其中，(a)為第一片模塊溫度過高檢測電路的電路原理圖，(b)為第二片或非門電路的電路原理圖；圖17為本發(fā)明的一種實施方式開關(guān)量輸入輸出接口電路的電路原理圖，其中， (a)為開關(guān)量輸出接口電路，(b)為開關(guān)量輸入接口電路；圖18為本發(fā)明的一種實施方式驅(qū)動電路的電路原理圖；圖19為本發(fā)明的一種實施方式故障檢測與保護電路的電路原理圖，其中，(a)電壓欠壓保護電路；(b)模塊溫度過高保護電路；(c)非門電路；圖20為本發(fā)明的一種實施方式串行通信接口電路的電路原理圖；圖21為本發(fā)明的一種實施方式基于能量優(yōu)化的永磁電機控制方法的總流程圖；圖22為本發(fā)明的一種實施方式電氣傳動控制系統(tǒng) 控制框圖；圖23為本發(fā)明的一種實施方式模糊PI控制器的原理框圖；圖24為本發(fā)明的一種實施方式偏差變量E的隸屬度函數(shù)示意圖；圖25為本發(fā)明的一種實施方式偏差變化率E。的隸屬度函數(shù)示意圖；圖26為本發(fā)明的一種實施方式ΔΚ/隸屬度函數(shù)不意圖；圖27為本發(fā)明的一種實施方式Λ K/隸屬度函數(shù)示意圖；圖28為本發(fā)明的一種實施方式綜合調(diào)度單元的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做進一步詳細說明。本實施方式中的基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置，如圖I所示，包括綜合管理與調(diào)度單元、PWM整流單元和逆變控制單元。PWM整流單元采用三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)交流-直流的電能轉(zhuǎn)換，從而為逆變單元提供穩(wěn)定的直流電壓。逆變控制單元，用于調(diào)節(jié)輸出的交流電壓，從而實現(xiàn)對永磁電機的控制。綜合調(diào)度單元通過PR0FIBUS網(wǎng)絡(luò)與整流單元和逆變單元進行數(shù)據(jù)通信，用于對整流單元和逆變單元以及系統(tǒng)測試過程的管理和調(diào)度。PWM整流單元如圖2所示，圖2給出了整流單元微處理器的最小系統(tǒng)硬件電路，本實施方式以微處理器為核心，擴展實現(xiàn)PWM整流功能和通訊功能的外圍接口電路。整流單元包括功率變換電路和控制單元(DSP)。功率變換電路用于控制零序電流，對電網(wǎng)輸入電壓進行補償，消除電網(wǎng)中含有的不對稱電流，抑制電網(wǎng)的不平衡，其電路原理如圖3所示。功率變換電路為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，4個橋臂結(jié)構(gòu)相同，且彼此并聯(lián)連接(每個橋臂的上橋臂一端彼此連接，下橋臂一端彼此連接)。以第一橋臂為例，上橋臂和下橋臂串聯(lián)構(gòu)成第一橋臂。其中，上橋臂由開關(guān)管Sap與二極管Dl并聯(lián)連接，下橋臂由開關(guān)管San與二極管D2并聯(lián)連接，上橋臂與下橋臂的連接點為Va，該連接點Va與輸入電壓的A相連接，作為功率變換電路的一個輸入端。第二橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂結(jié)構(gòu)相同，它的上橋臂與下橋臂的連接點為Vb，該連接點Vb與輸入電壓的B相連接，作為功率變換電路的第二個輸入端。第三橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂結(jié)構(gòu)相同，它的上橋臂與下橋臂的連接點為Vc，該連接點Vc與輸入電壓的C相連接，作為功率變換電路的第三個輸入端。第四橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂結(jié)構(gòu)相同，它的上橋臂與下橋臂的連接點為Vf，該連接點Vf與輸入電壓的G相連接，作為功率變換電路的零序電流輸入端。功率變換電路中的八個開關(guān)管(IPM)，由控制單元(DSP)控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。 DSP的8個PMW信號輸出端連接PWM脈沖產(chǎn)生及其輸出電路的輸入端PWM-Al端、PWM-A2端、 PWM-Bl端、PWM-B2端、PWM-Cl端、PWM-C2端，如圖4所示。電流采樣電路用于采集電網(wǎng)的三相電壓，電流采樣電路的三個輸入端分別連接A相電壓、B相電壓和C相電壓，電流采樣電路的輸出端連接DSP的輸入端ADl AD3，如圖5所示。功率變化電路的工作過程如下當(dāng)電網(wǎng)平衡時，不產(chǎn)生零序電流，G橋臂不動作， 八、8、(臂動作，共有六個不同開關(guān)狀態(tài)組合(100、110、010、011、001、000、111，1代表上橋臂導(dǎo)通、O上橋臂關(guān)斷，上下橋臂不能同時導(dǎo)通或關(guān)斷)，兩個相鄰開關(guān)狀態(tài)和一個零矢量(000 或111)組成一個扇區(qū)，這樣的扇區(qū)共有六個。以第一扇區(qū)為例，由零矢量(000)開始中間夾零矢量(111)由零矢量(000)結(jié)束，導(dǎo)通順序為000-100-110-111-110-100-000，導(dǎo)通時間T(000) =W/4:, T(Ill) =T0/2, T(100) =Tl/2，T(IlO) =Τ2/2。同理可得其他五個扇區(qū)，如圖 6所示。當(dāng)電網(wǎng)不平衡時，產(chǎn)生零序電流，G橋臂和A、B、C橋臂一起動作，共有72個不同開關(guān)狀態(tài)組合，其中同一橋臂的上下兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通或關(guān)斷，三個相鄰開關(guān)狀態(tài)和一個零矢量(000或111)組成三維立體空間包括六個棱柱，每個棱柱包括四個四面體。以第一個棱柱第一個四面體為例，導(dǎo)通順序為0000-1000-1100-1110-1111-1110-1100-1000-00 0，導(dǎo)通時間T(0000)=T0/4, T(llll)=T0/2, T(1000、) =Tl/2, T(1100) =T2/2, T(1110) =Τ3/3。 同理可得其他五個棱柱，如圖7所示。整流單元的控制算法采用直接電流控制方案，實現(xiàn)高功率因數(shù)和輸出電壓穩(wěn)定的目標(biāo)。本實施方式通過軟件編程的方式并將程序嵌入微處理器(DSP)，以控制PWM整流單元，實現(xiàn)對整流過程的有效控制。PWM整流過程主程序流程圖，如圖8所示。逆變控制單元硬件控制電路如圖9所示。本實施方式中的逆變單元控制器硬件電路是實現(xiàn)軟件控制算法的基礎(chǔ)，以信號處理器(DSP)為核心進行數(shù)據(jù)運算處理，并擴展了數(shù)據(jù)存儲，緩存，A/D轉(zhuǎn)換，PWM脈沖信號產(chǎn)生，物理量檢測、數(shù)據(jù)通訊等功能。以下給出了硬件控制電路的電路原理圖。在本實施例中信號處理器(DSP)選用TMS320F2812，存儲器選用 7Y7C1021容量為512Κ*16，電壓轉(zhuǎn)換芯片選用TPS76801，電平轉(zhuǎn)換電路選用SN74CBTD3384 為芯片，復(fù)位及電壓監(jiān)控電路選用TPS3823-33，驅(qū)動電路芯片選用SN7417串行通信接口電路選用ΜΑΧ202作為SCI的驅(qū)動芯片。(I)存儲電路，如圖10所示，以cypress公司的高性能SRAM為存儲器，型號為 7Y7C1021，容量為512K* 16，該存儲電路與DSP (TMS320F2812 )連接，提供數(shù)據(jù)存儲功能。存儲電路的XAO XA18引腳對應(yīng)連接DSP的XAO XA18引腳，存儲電路的XDO XD15引腳對應(yīng)連接DSP的XDO XD15引腳，存儲電路的片選引腳 f、&腳和 無腳對應(yīng)連接DSP 的及6、腳和I無腳。(2)電平轉(zhuǎn)換電路，如圖11所示，主要是為擴展各種輸入輸出功能，提供兼容的電平。芯片采用了 TI公司的高速TTL-COMS兼容轉(zhuǎn)換芯片SN74CBTD3384，能兼容3. 3V/5V 電平，起到電平轉(zhuǎn)換的作用，同時具有一定的驅(qū)動能力。電平轉(zhuǎn)換電路的SCITXDA引腳、 SCIRXDA 引腳、SCITXDB 引腳、SCIRXDB 引腳、XSCITXDA 引腳、XSCIRXDA 引腳、XSCITXDB 引腳、 XSCIRXDB 引腳、CAP4QEP3 引腳、CAP5QEP4 引腳、CAP6QEP12 引腳、CAP1QEP1 引腳、CAP2QEP2引腳、CAP3QEP11 引腳、XCAP4QEP3 引腳、XCAP5QEP4 引腳、XCAP6QEP12 引腳、XCAPIQEPI 引腳、 XCAP2QEP2 引腳、XCAP3QEP11 引腳對應(yīng)連接 DSP 的 SCITXDA 引腳、SCIRXDA 引腳、SCITXDB 引腳、SCIRXDB 引腳、XSCITXDA 引腳、XSCIRXDA 引腳、XSCITXDB 引腳、XSCIRXDB 引腳、CAP4QEP3 引腳、CAP5QEP4 引腳、CAP6QEP12 引腳、CAP IQEPI 引腳、CAP2QEP2 引腳、CAP3QEP11 引腳、 XCAP4QEP3 引腳、XCAP5QEP4 引腳、XCAP6QEP12 引腳、XCAPIQEPI 引腳、XCAP2QEP2 引腳、 XCAP3QEP11 引腳。(3)電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖12所示，TMS320F2812正常工作除了需要+3. 3V供電外， 還需要+1. 8V電源供電，同時要求+1. 8V電源有較高的穩(wěn)態(tài)精度。為了提供穩(wěn)定的+1. 8V 供電，選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS76801，設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)+5V到+1. 8V的電壓轉(zhuǎn)換。(4)復(fù)位及電壓監(jiān)控電路，如圖13所示，采用TI公司的電壓監(jiān)控芯片TPS3823-33， 將手動復(fù)位電路與電壓監(jiān)控電路設(shè)計到一起，該電路具有看門狗、手動復(fù)位、低電平復(fù)位、 電壓監(jiān)控等功能。上電時，監(jiān)控電路發(fā)出低電平復(fù)位脈沖信號，實現(xiàn)上電自動復(fù)位；當(dāng)供電電壓過低時，即小于3. 15V時，為了防止DSP失控，芯片會自動置RESET為低電平來復(fù)位 DSP ;手動復(fù)位輸入可通過按鍵開關(guān)SI來觸發(fā)，RESET變?yōu)榈碗娖?；WDI為看門狗輸入端，該端的作用是啟動看門狗定時器開始計數(shù)，與DSP的T4CTRIP引腳相連，形成硬件看門狗電路，若在1.6s內(nèi)不再重新觸發(fā)WDI，則RESET輸出200ms低電平，從而復(fù)位DSP。夕卜圍接口電路用于實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測、控制信號(開關(guān)器件驅(qū)動信號)的輸出、串行通信、故障檢測，及提供開關(guān)量輸入輸出接口。它主要包括相電流檢測電路、直流電壓檢測電路、碼盤信號檢測電路、開關(guān)量輸入輸出接口電路、驅(qū)動電路、故障檢測電路和串行通 信接口電路。(5)相電流檢測電路，如圖14所示，用于獲得控制所需的反饋量，并轉(zhuǎn)換成DSP可以接受和計算的電壓信號。該電路由三部分組成跟隨環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、電壓偏置環(huán)節(jié)。跟隨環(huán)節(jié)提供高阻抗輸入。濾波環(huán)節(jié)根據(jù)實際系統(tǒng)工作頻率特性，設(shè)計成截止頻率為500Hz 的低通濾波器，電壓偏置環(huán)節(jié)是為了匹配檢測信號和DSP的A/D端口的電壓范圍而設(shè)計，電流傳感器作為相電流檢測電路的輸入信號，相電流檢測電路的輸出連接DSP的ADO引腳。(6)直流母線檢測電路，如圖15所示，直流母線檢測電路用于獲得空間矢量調(diào)制方法所需的直流電壓值，電流傳感器作為直流母線檢測電路的輸入信號，直流母線檢測電路的輸出連接DSP的AD2引腳。(7)碼盤信號檢測電路，如圖16(a)和圖16(b)所示，用于獲得控制所需的電機速度和磁極位置反饋量。實際系統(tǒng)中用到的位置傳感器的輸出為12路差分信號，具有A、B、 Z、U、V、W等6相信號,每相信號都是差分輸出，如傳感器輸出的A相信號由一路A信號及一路它的互補信號A組成，而DSP不能直接處理這些信號，所以設(shè)計檢測電路將12路差分信號復(fù)原為6相信號送給DSP處理，碼盤信號檢測電路的QEPl端、QEP2端、CAPI端、U端、V 端、W 端對應(yīng)與 DSP 引腳403、404、405、04 1、04 2、0么 3 連接。(8)開關(guān)量輸入輸出接口電路,如圖17(a)和圖17(b)所不，用于實現(xiàn)由開關(guān)量完成的控制和顯示。開關(guān)量的輸入主要有啟動/停止控制、正反轉(zhuǎn)控制及其他功能預(yù)留接口等，與DSP引腳1/01連接；開關(guān)量的輸出主要有軟啟動控制、報警、保護輸出、主電路冷卻風(fēng)扇控制以及預(yù)留接口等，與DSP引腳1/07連接。(9)驅(qū)動電路，如圖18所示，用于實現(xiàn)DSP的PWM輸出電平與驅(qū)動板輸入電平的匹配?？紤]到開關(guān)頻率為10kHz，要求電平轉(zhuǎn)換過程有較好的動態(tài)特性，即PWM信號不失真，采用 TI 公司的芯片 SN7417，DSP 引腳 PWMl PWM6 分別接 PWMA1、PWMA2、PWMB1、PWMB2、PWMC1、 PWMC2，驅(qū)動電路的J701 J703的輸出接逆變橋上的開關(guān)管，驅(qū)動電路的引腳[6]接驅(qū)動板故障信號，J704為備用。(10)故障檢測電路，如圖19 (a)、19(b)和19(c)所示，用于檢測和處理系統(tǒng)故障信號。當(dāng)驅(qū)動板內(nèi)部檢測到過流、短路、模塊驅(qū)動控制電壓欠壓或者模塊溫度過高時，輸出故障報警信號，各種故障信號由或非門電路MC14078BCP綜合后，輸入到引腳DSP的TOPINT， 將I3DPINT引腳置低電平。此時DSP立即停止計數(shù)，所有輸出管腳全部呈高阻狀態(tài)，封鎖輸出脈沖，保護系統(tǒng)。(11)串行通信接口電路，如圖20所示，利用DSP的SCI模塊，采用MAX202作為SCI 的驅(qū)動芯片，串行通信接口電路的XSCIRXDA端與DSP引腳XSCIRXDA連接，實現(xiàn)與PC上位機的異步串行數(shù)據(jù)通信。本實施方式中，采用基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置的方法，其流程如圖21所示。該流程 開始于步驟2101。在步驟2102，本實施方式采用Μ/T法進行電機轉(zhuǎn)速檢測，公式如下
60m,(I)
Nm2式中，為電機轉(zhuǎn)速，Hi1為記錄測試時間內(nèi)碼盤輸出的脈沖數(shù)，Hl2為同一時間間隔內(nèi)高頻時鐘的脈沖數(shù)，/%高頻時鐘脈沖的頻率，N為碼盤每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)。公式(I)計算的電機轉(zhuǎn)速與永磁同步電機速度給定值作差值運算，公式為ω r- ω r*式中ω#為速度給定值。再通過能量方程得到能量偏差Ε、能量偏差變化率Ε。，其中能量方程為
:f r >Λ>Ρ* /I為〖K號
L· = Λ(φ — CO ) , -s
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d ^ ,,、((O > O) * I /I為 ιΙ·/ν
E =—E = 2Α(ω —ω *) <
e dt 1 r r-4為負 Ο式中，A為數(shù)學(xué)符號,表不正號或負號，t為時間。在步驟2103，確定模糊PI控制器輸入變量和輸出變量的論域、模糊子集和隸屬函數(shù)。包括四個方面內(nèi)容，下面分別進行詳細的說明(I)確定模糊PI控制器輸入變量。傳統(tǒng)的PID控制是一種線性控制，其控制規(guī)律為O(l) = Kf e(/)+—e(t)dt + ———(3)控制參數(shù)Kp、1\、Td由工程整定得到，以達到對系統(tǒng)的控制。模糊PID控制則通過分析系統(tǒng)所處的狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)參數(shù)κρ、Ti、Td，模糊控制已經(jīng)包含了微分部分，所以本實施方式采用的是模糊PI控制。模糊PI控制比傳統(tǒng)PI控制具有更快的動態(tài)響應(yīng)特征和更小的超調(diào)，是一種具有優(yōu)良性能的聞精度|旲糊控制器。將步驟2102計算出的能量偏差變量和能量偏差變化率，作為模糊PI調(diào)節(jié)器的輸入。取能量偏差E范圍在[-15002，15002]，能量變化率E。在[-2000，2000]，量化因子
Ke和Kc分別為和I，比例比例因子為kp、積分因子為Ii1，則量化后的能量偏差變量
和能量偏差變化率公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置，包括綜合管理與調(diào)度單元、PWM整流單元和逆變控制單元；所述的PWM整流單元包括控制器，其特征在于所述的PWM整流單元還包括功率變換電路，是用于控制零序電流，對電網(wǎng)輸入電壓進行補償，消除電網(wǎng)中含有的不對稱電流，抑制電網(wǎng)的不平衡的電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置，其特征在于所述的功率變換電路，為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每個橋臂由上橋臂和下橋臂串聯(lián)組成，所述的上橋臂和下橋臂都由開關(guān)管和二極管并聯(lián)構(gòu)成，第一橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓 A相連接，第二橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓B相連接，第三橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓C相連接；第四橋臂的上橋臂與下橋臂的連接點與輸入電壓G 相連接；四個橋臂彼此并聯(lián)后，再與一個濾波電容并聯(lián)。
3.一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制方法，采用權(quán)利要求I所述的基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置，其特征在于包括以下步驟步驟I:確定基于能量優(yōu)化的永磁電機控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)；步驟1-1 :獲得通過電機速度檢測裝置反饋回來的速度信號和永磁同步電機速度給定值作差值運算，然后通過能量方程得到能量偏差和能量偏差變化率；步驟1-2 :確定模糊PI控制器輸入變量和輸出變量的論域、模糊子集和隸屬函數(shù)； 步驟1-3 :制定模糊規(guī)則，根據(jù)模糊規(guī)則的合成法則，得到模糊控制查詢表；步驟1-4 :能量偏差變量和能量偏差變化率分別乘以模糊化量化因子Ke、I,得到量化后的能量偏差變量與能量偏差變化率，然后通過查詢模糊控制查詢表得到未解模糊的模糊PI參數(shù)修正值、ΔΓ丨，最后通過去模糊化，確定最終的模糊PI調(diào)節(jié)器參數(shù)修正值;步驟1-5 :根據(jù)模糊PI調(diào)節(jié)器參數(shù)修正值A(chǔ)l/、,可得到模糊PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Ip、尤/ ;步驟2 :對基于能量優(yōu)化的永磁電機控制系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速進行控制；步驟2-1 :碼盤反饋的速度值與給定值做差值運算，經(jīng)模糊PI調(diào)節(jié)器，輸出作為電流q 軸的給定值；設(shè)定q軸為有功軸，d軸為無功軸，則取O為電流d軸的給定值；步驟2d .軸、￥軸電流給定值分別與反饋電流在I軸、 軸分量作差值運算到i軸、€軸的偏差值，其中反饋電流在d軸、軸分量是由三相電壓化、％、義經(jīng)Clark變換和Park變換得到的，d軸、> 軸的偏差值分別經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出d軸、f軸電壓分量， 作為調(diào)制信號，觸發(fā)逆變橋臂上的開關(guān)管的開通或關(guān)斷，輸出三相電壓最終控制電機轉(zhuǎn)速。
全文摘要
一種基于能量優(yōu)化的永磁電機控制裝置和方法，裝置包括綜合管理與調(diào)度單元、PWM整流單元和逆變控制單元；其中PWM整流單元包括控制器，此外，所述的PWM整流單元還包括功率變換電路，為三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，用于控制零序電流，對電網(wǎng)輸入電壓進行補償，消除電網(wǎng)中含有的不對稱電流。本發(fā)明裝置有效地抑制了電網(wǎng)的不平衡，同時提高了功率因數(shù)，確保整流電路的正常運行；逆變單元采用基于能量優(yōu)化的模糊PI控制算法，實現(xiàn)了能量最優(yōu)控制，減少了能量損失，節(jié)約了能量。
文檔編號H02P21/00GK102710203SQ201210187179
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者劉秀翀, 呂宏, 張化光, 董慶雄, 褚恩輝, 閆士杰 申請人:東北大學(xué)