阅读说明：本技术 基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法 (Permanent magnet synchronous electric main shaft direct torque speed regulation method based on fuzzy control ) 是由 单文桃 李坤 潘玉成 蒋迪元 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法,包括：获取永磁同步电主轴的实际转速；根据实际转速和永磁同步电主轴的设定转速得到永磁同步电主轴的实际转矩；获取永磁同步电主轴的定子三相电压和定子三相电流；根据定子三相电压和定子三相电流得到永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度；获取永磁同步电主轴的实际定子磁链；根据实际转矩和转矩估算值得到转矩偏差,并根据实际定子磁链和定子磁链估算值得到定子磁链偏差；基于模糊控制根据转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度得到调节信号。本发明能够减小永磁同步电主轴定子磁链和转矩的脉动,并能够提高永磁同步电主轴的动静态性能和抗干扰能力。(The invention provides a fuzzy control-based direct torque speed regulation method for a permanent magnet synchronous electric spindle, which comprises the following steps: acquiring the actual rotating speed of the permanent magnet synchronous electric spindle; obtaining the actual torque of the permanent magnet synchronous electric main shaft according to the actual rotating speed and the set rotating speed of the permanent magnet synchronous electric main shaft; obtaining stator three-phase voltage and stator three-phase current of the permanent magnet synchronous electric spindle; obtaining a torque estimated value, a stator flux linkage estimated value and a stator flux linkage angle of the permanent magnet synchronous electric main shaft according to the stator three-phase voltage and the stator three-phase current; acquiring an actual stator flux linkage of the permanent magnet synchronous electric spindle; obtaining torque deviation according to the actual torque and the torque estimated value, and obtaining stator flux linkage deviation according to the actual stator flux linkage and the stator flux linkage estimated value; an adjustment signal is obtained based on the fuzzy control according to the torque deviation, the stator flux linkage deviation and the stator flux linkage angle. The invention can reduce the pulsation of the stator flux linkage and the torque of the permanent magnet synchronous electric main shaft and can improve the dynamic and static performances and the anti-interference capability of the permanent magnet synchronous electric main shaft.)

基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法

技术领域

本发明涉及电主轴控制技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法。

背景技术

目前，在高精度数控机床中大多采用永磁同步电主轴，主要因为永磁同步电主轴具有结构简单、功率因素高、低速性能好、损耗小等优点，因此永磁同步电主轴在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用。其中，永磁同步电主轴通常采用的直接转矩控制，但是常用的直接转矩控制还存在转矩脉动大、抗干扰能力较弱的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，能够减小永磁同步电主轴定子磁链和转矩的脉动，并能够提高永磁同步电主轴的动静态性能和抗干扰能力，从而能够保证基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，包括以下步骤：获取永磁同步电主轴的实际转速；根据所述实际转速和所述永磁同步电主轴的设定转速得到所述永磁同步电主轴的实际转矩；获取所述永磁同步电主轴的定子三相电压和定子三相电流；根据所述定子三相电压和所述定子三相电流得到所述永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度；获取所述永磁同步电主轴的实际定子磁链；根据所述实际转矩和所述转矩估算值得到转矩偏差，并根据所述实际定子磁链和所述定子磁链估算值得到定子磁链偏差；基于模糊控制根据所述转矩偏差、所述定子磁链偏差和所述定子磁链角度得到调节信号，以调节所述永磁同步电主轴的转矩。

根据本发明实施例的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，首先根据永磁同步电主轴的实际转速和设定转速得到实际转矩，其次根据永磁同步电主轴的定子三相电压和三相电流得到永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度，然后根据实际转矩和转矩估算值得到转矩偏差，并根据实际定子磁链和定子磁链估算值得到定子磁链偏差，最后基于模糊控制根据转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度得到调节信号，以调节永磁同步电主轴的转矩，由此，能够减小永磁同步电主轴定子磁链和转矩的脉动，并能够提高永磁同步电主轴的动静态性能和抗干扰能力，从而能够保证基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。

另外，根据本发明上述实施例提出的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，通过模糊自适应PID调节算法得到所述永磁同步电主轴的实际转矩，所述模糊自适应PID调节算法的输入量包括所述实际转速和所述设定转速的差值。

根据本发明的一个实施例，根据所述定子三相电压和定子三相电流得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度，具体包括：根据所述定子三相电压和所述定子三相电流得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流；根据所述定子电压和所述定子电流得到所述永磁同步电主轴在所述两相静止坐标系下的定子磁链分量和所述定子磁链估算值；根据所述定子磁链分量得到所述定子磁链角度；根据所述定子磁链分量和所述定子电流得到所述转矩估算值。

根据本发明的一个实施例，通过Clark变换得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流，所述Clark变换的输入量包括所述定子三相电压和所述定子三相电流。

根据本发明的一个实施例，基于模糊控制根据所述转矩偏差、所述定子磁链偏差和所述定子磁链角度得到调节信号包括：基于模糊控制根据所述转矩偏差和所述定子磁链偏差得到所述永磁同步电主轴的直轴定子电压和交轴定子电压；基于模糊控制根据所述定子磁链角度得到所述永磁同步电主轴的定子磁链角度映射值；根据所述直轴定子电压、所述交轴定子电压和所述定子磁链角度映射值得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的模糊定子电压；根据所述两相静止坐标系下的模糊定子电压得到所述永磁同步电主轴的调节信号。

进一步地，采用隶属度值法对所述转矩偏差和所述定子磁链偏差进行模糊化处理。

进一步地，采用隶属度值法对所述定子磁链角度进行模糊化处理包括：设定所述定子磁链角度的模糊论域变化区间和模糊子集；将所述定子磁链角度的模糊论域变化区间划分为多个定子磁链扇区并标号；采用对称原理将所述定子磁链角度的模糊论域变化区间的任意角度映射到所述多个定子磁链扇区中的一个定子磁链扇区内。

进一步地，所述隶属度值法采用三角形隶属度函数。

进一步地，通过坐标变换得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的模糊定子电压，所述坐标变换的输入量包括所述直轴定子电压、所述交轴定子电压和所述定子磁链角度映射值。

进一步地，通过SVPWM算法变换得到所述永磁同步电主轴的调节信号，所述SVPWM算法变换的输入量包括所述两相静止坐标系下的模糊定子电压。

附图说明

图1为本发明实施例的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法的算法原理图；

图3为本发明一个实施例的计算永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度的流程图；

图4为本发明一个实施例的根据转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度得到调节信号的流程图；

图5为本发明一个实施例的模糊自适应PID调节器的输入变量e、ec和输出变量Δkp、Δki的隶属度函数图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，包括以下步骤：

S1，获取永磁同步电主轴的实际转速。

具体地，可通过旋转变压器获取永磁同步电主轴的实际转速。

S2，根据实际转速和永磁同步电主轴的设定转速得到永磁同步电主轴的实际转矩。

具体地，如图2所示，可先将永磁同步电主轴的实际转速n和给定转速进行做差，然后将转述差值输入模糊自适应PID调节器，从而得到永磁同步电主轴的实际转矩

S3，获取永磁同步电主轴的定子三相电压和定子三相电流。

具体地，如图2所示，可通过对应永磁同步电主轴三相电路设置的传感器获取永磁同步电主轴的定子三相电压和定子三相电流，其中，定子三相电压和定子三相电流可分别表示为u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c。

S4，根据定子三相电压和定子三相电流得到永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度。

具体地，可根据定子三相电压和定子三相电流得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度，如图3所示，步骤S4包括以下步骤：

S401，根据定子三相电压和定子三相电流得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流。

具体地，如图2所示，可将定子三相电压和定子三相电流，即u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c，以及给定的定子磁链角度作为第一坐标变换，即Clark变换的输入量，从而得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流，其中，两相静止坐标系为α、β两相静止坐标系，永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流可表示为u_α、u_β和i_α、i_β。

其中，根据永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压和定子电流可构成下列电压方程：

其中，R为定子电阻，ω_e为转子角速度，为永磁体磁链。

S402，根据定子电压和定子电流得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子磁链分量和定子磁链估算值。

具体地，如图2所示，可将定子电压和定子电流，即u_α、u_β和i_α、i_β分别输入定子磁链观测器，通过定子磁链观测器可得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子磁链分量，即Ψ_α、Ψ_β和定子磁链估算值，即

更具体地，可通过下列公式计算得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子磁链分量Ψ_α、Ψ_β：

其中，为定子磁链分量Ψ_α，为定子磁链分量Ψ_β。

S403，根据定子磁链分量得到定子磁链角度。

S404，根据定子磁链分量和定子电流得到转矩估算值。

具体地，如图2所示，可根据定子磁链分量Ψ_α、Ψ_β和定子电流i_α、i_β进行永磁同步电主轴的转矩估算，最终得到永磁同步电主轴的转矩估算值T_e。

更具体地，可通过下列公式计算得到永磁同步电主轴的转矩估算值T_e：

其中，P_n为永磁同步电主轴的极对数。

S5，获取永磁同步电主轴的实际定子磁链。

S6，根据实际转矩和转矩估算值得到转矩偏差，并根据实际定子磁链和定子磁链估算值得到定子磁链偏差。

具体地，参照图2，可将实际转矩和转矩估算值T_e输入转矩模糊控制器，通过转矩模糊控制器得到永磁同步电主轴的转矩偏差，并可将获取的永磁同步电主轴的实际定子磁链和定子磁链估算值输入磁链模糊控制器得到永磁同步电主轴的转矩偏差定子磁链偏差。

S7，基于模糊控制根据转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度得到调节信号，以调节永磁同步电主轴的转矩。

具体地，如图4所示，步骤S7包括以下步骤：

S701，基于模糊控制根据转矩偏差和定子磁链偏差得到永磁同步电主轴的直轴定子电压和交轴定子电压。

具体地，如图2所示，可将转矩偏差和定子磁链偏差作为输入量输入到模糊控制器中，最终模糊控制器可输出直轴定子电压和交轴定子电压，即u_d ^*和u_q ^*。

更具体地，模糊控制器可采用隶属度值法对转矩偏差和定子磁链偏差进行模糊化处理，包括对转矩偏差和定子磁链偏差分别设定模糊论域变化区间和模糊子集。其中，可设定转矩偏差的模糊论域变化区间为[-2，2]、模糊子集{NB,NS,PS,PB}，并可设定转矩偏差的变换函数为同时可设定定子磁链偏差的模糊论域变化区间为[-1，1]、模糊子集{NB,NS,PS,PB}，并可设定定子磁链偏差的变换函数为通过采用模糊控制器对转矩偏差和定子磁链偏差进行处理，能够提高滞环控制精度和鲁棒性，并能够减小定子磁链和转矩脉动，从而能够提高永磁同步电主轴的可靠性和稳定性。

S702，基于模糊控制根据定子磁链角度得到永磁同步电主轴的定子磁链角度映射值。

具体地，可采用隶属度值法对定子磁链角度进行模糊化处理，具体包括设定定子磁链角度的模糊论域变化区间和模糊子集；将定子磁链角度的模糊论域变化区间划分为多个定子磁链扇区并标号；采用对称原理将定子磁链角度的模糊论域变化区间的任意角度映射到多个定子磁链扇区中的一个定子磁链扇区内。

更具体地，可设定定子磁链角度的模糊论域变化区间为[0，2π]、模糊子集为{NB,NS,PS,PB}，并可设定定子磁链角度的变换函数为其中，可将定子磁链角度的模糊论域变化区间[0，2π]分为六个扇区，分别标号为第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区和第六扇区，进一步可根据对称原理将模糊论域变化区间[0，2π]的任意角度映射到第一扇区，即内。

其中，可通过下列公式将模糊论域变化区间[0，2π]的任意角度映射到第一扇区内：

其中，int()为向下取整函数，θ为定子磁链角度估计值，θ^*为定子磁链角度映射值，取值范围为

S703，根据直轴定子电压、交轴定子电压和定子磁链角度映射值得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下模糊定子电压。

具体地，如图2所示，直轴定子电压u_d ^*和交轴定子电压u_q ^*可通过第二坐标变换得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的模糊定子电压，即u_α ^*和u_β ^*。

S704，根据两相静止坐标系下的模糊定子电压得到永磁同步电主轴的调节信号。

具体地，如图2所示，可将两相静止坐标系下的模糊定子电压u_α ^*、u_β ^*输入SVPWM中，最终通过SVPWM算法变换得到永磁同步电主轴的调节信号，该调节信号可作用于逆变器的功率开关器件上，例如可通过开关状态表选择出最佳的的电压矢量，控制逆变器开关状态，以实现永磁同步电主轴的直接转矩控制。通过模糊控制能够保证逆变器开关频率恒定，并保证逆变器开关动态相应较快，从而能够减小定子磁链和转矩脉动。

需要说明的是，图2所示的模糊控制器包括对转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度设定的模糊规则，其中，模糊规则可根据永磁同步电主轴直接转矩调速的专家经验进行设置。

在本发明的一个实施例中，可设定模糊控制器输出变量的模糊论域变化区间为[1,6]，可具体表示为P1、P2、P3、P4、P5和P6，其中，P1表示减小定子磁链、减小转矩，P2表示减小定子磁链、保持转矩，P3表示减小定子磁链、增大转矩，P4表示增大定子磁链、减小转矩，P5表示增大定子磁链、保持转矩，P6表示增大定子磁链、增大转矩，由此，可设置表1所示的16条模糊规则。

表1

需要说明的是，图2所示的模糊自适应PID调节器中同样可设定对应的模糊规则，并可采用隶属度值法根据设定的模糊规则对永磁同步电主轴的转速偏差进行模糊化处理。

在本发明的一个实施例中，模糊自适应PID调节器可根据永磁同步电主轴的实际转速和设定转速得到相应的瞬时差值e和瞬时差值变化ec，并可采用设定的模糊规则对瞬时差值e和瞬时差值变化ec进行模糊推理，得到输出变量，最终可采用设定的模糊矩阵规则对输出变量进行整定。

具体地，模糊自适应PID调节器可将永磁同步电主轴的实际转速和设定转速的瞬时差值e和瞬时差值变化ec，作为模糊自适应PID调节器的输入变量，并设定输入变量的量化等级为7级，即{-3,-2,-1,0,1,2,3}，其中，瞬时差值e的模糊论域变化区间可设定为[-10000,10000]，瞬时差值变化ec的模糊论域变化区间可设定为[-150000,150000]，并均服从三角形隶属度函数分布曲线；同时，可将Δkp和Δki设定为模糊自适应PID调节器的输出变量，并可设定输出变量Δkp、Δki的量化等级为7级，即{-3,-2,-1,0,1,2,3}，其中，输出变量为Δkp的模糊论域变化区间可设定为[-2,2]，输出变量Δki的模糊论域变化区间可设定为[-1,1]，并均服从三角形隶属度函数分布曲线；进一步地，可将模糊自适应PID调节器的输入变量e、ec和输出变量Δkp、Δki的模糊子集均设定为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

综上所述，可得到图5所示的模糊自适应PID调节器的输入变量e、ec和输出变量Δkp、Δki的隶属度函数图，和表2所示的模糊自适应PID调节器的输入变量e、ec和输出变量Δkp、Δki的模糊子集的隶属度函数。

表2

进一步地，可采用Mamdani算法的max-min合成模糊自适应PID调节器的模糊逻辑决策，并采用该合成的模糊逻辑决策对模糊自适应PID调节器的输入变量e、ec的模糊子集进行直积计算，然后采用直积计算的结果和设定的模糊算子进行模糊矢量计算，从而得到模糊自适应PID调节器的输出变量Δkp、Δki。

进一步地，可查询模糊矩阵规则表对输出变量Δkp、Δki进行整定，其中，输出变量Δkp可通过表3所示模糊矩阵规则表进行整定，输出变量Δki可通过表4所示的模糊矩阵规则表进行整定。

表3

表4

根据本发明实施例提出的基于模糊控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，首先根据永磁同步电主轴的实际转速和设定转速得到实际转矩，其次根据永磁同步电主轴的定子三相电压和三相电流得到永磁同步电主轴的转矩估算值、定子磁链估算值和定子磁链角度，然后根据实际转矩和转矩估算值得到转矩偏差，并根据实际定子磁链和定子磁链估算值得到定子磁链偏差，最后基于模糊控制根据转矩偏差、定子磁链偏差和定子磁链角度得到调节信号，以调节永磁同步电主轴的转矩，由此，能够减小永磁同步电主轴定子磁链和转矩的脉动，并能够提高永磁同步电主轴的动静态性能和抗干扰能力，从而能够保证基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。