基于模糊控制的56倍基速及以上速度運(yùn)行電流控制策略

基于模糊控制的56倍基速及以上速度運(yùn)行電流控制策略

1u3000作為弱磁控制策略的量化方案間接向量控制軸的聲音矩陣是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其性能直接決定著數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量。高速弱磁范圍是主軸感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的一個(gè)關(guān)鍵衡量指標(biāo),目前,基于拓寬高速弱磁范圍的研究大多集中于弱磁控制方法、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)以及SVPWM策略?xún)?yōu)化三個(gè)方面。感應(yīng)電機(jī)基速以上運(yùn)行需要弱磁控制,其弱磁區(qū)電流矢量分配策略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力具有至關(guān)重要的影響,基于輸出轉(zhuǎn)矩最大化的弱磁策略主要有兩種方案:一是基于電機(jī)參數(shù)的弱磁策略;二是利用電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)弱磁控制。這些弱磁方法理論上都可以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化,但也存在一些問(wèn)題:方案一依賴(lài)于電機(jī)參數(shù),由于溫度變化、磁滯效應(yīng)和電壓、電流、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)耦合作用,電機(jī)參數(shù)會(huì)發(fā)生改變,因此其性能難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求;方案二對(duì)電機(jī)參數(shù)具有魯棒性,雖然對(duì)系統(tǒng)快速性有一定的影響,但仍然是目前應(yīng)用較廣泛的弱磁控制策略。目前關(guān)于電流矢量分配策略的研究大多局限于2~3倍工頻以下弱磁,該速度段難以滿(mǎn)足高速數(shù)控系統(tǒng)的加工要求,而在更高范圍內(nèi)的弱磁則需要考慮高頻電流和極低磁場(chǎng)等多因素對(duì)電流帶寬和SVPWM策略的影響,使得電流能否快速、有效跟隨給定變化成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵問(wèn)題。電流調(diào)節(jié)器通常采用基于同步坐標(biāo)系的比例積分(ProportionalIntegral,PI)調(diào)節(jié)器,其參數(shù)一般依據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)的研究表明,這種方式設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器帶寬隨著轉(zhuǎn)速的上升會(huì)不斷下降,其主要原因是轉(zhuǎn)矩電流和磁場(chǎng)電流存在交叉耦合,比較典型的解決方法是采用復(fù)矢量進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì),令fqd=fq-jfd。雖然復(fù)矢量設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器考慮了耦合作用,但在弱磁高速區(qū)由于溫度變化以及極低磁場(chǎng)導(dǎo)致磁滯效應(yīng)明顯,電機(jī)參數(shù)會(huì)發(fā)生較大變化,調(diào)節(jié)器帶寬依然會(huì)有所下降,影響電流響應(yīng)快速性,并且,隨著電流頻率的不斷上升,數(shù)字化離散系統(tǒng)存在的時(shí)滯對(duì)電流調(diào)節(jié)器性能的影響也不再可以忽略。SVPWM是矢量控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的PWM策略之一,但在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,基于軟件效率和調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的考慮,采樣頻率、電流調(diào)節(jié)器計(jì)算頻率與SVPWM開(kāi)關(guān)頻率是保持一致和固定不變的。而電流頻率隨著轉(zhuǎn)速上升而不斷提高,因此載波比會(huì)逐漸下降,并且由于處理器速度的限制,當(dāng)前周期內(nèi)計(jì)算得到的PWM信號(hào)在下一周期才能輸出,因此實(shí)際電壓與給定電壓存在一定的相角和幅值偏差,電流頻率越高偏差越大,如果PWM進(jìn)入過(guò)調(diào)制區(qū)域,則偏差會(huì)進(jìn)一步加大,這兩方面的影響嚴(yán)重削弱電流調(diào)節(jié)能力,降低電流響應(yīng)快速性?？傊?弱磁高速區(qū),尤其是5~6倍基速及以上速度運(yùn)行時(shí),由于低磁場(chǎng)、強(qiáng)耦合以及大時(shí)滯的影響,使得目前的間接矢量控制系統(tǒng)電流控制不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,電流響應(yīng)慢、易振蕩、嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致功率器件損毀,影響系統(tǒng)的可靠性,因此,必須對(duì)電流給定進(jìn)行處理,避免電流過(guò)快調(diào)節(jié)。本文通過(guò)引入專(zhuān)家控制器,依據(jù)電流跟隨情況對(duì)電流給定進(jìn)行處理,然而常規(guī)專(zhuān)家控制器往往由于指定不合理的性能指標(biāo),導(dǎo)致整定失敗,通過(guò)引入模糊推理式專(zhuān)家系統(tǒng),即使在整定失敗時(shí)仍能推理出次優(yōu)的電流給定,從而保證電流控制的穩(wěn)定性和有效跟隨。2主導(dǎo)自整定周期內(nèi)特征識(shí)別包含專(zhuān)家控制器的間接矢量控制系統(tǒng)電流控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,與傳統(tǒng)的間接矢量控制系統(tǒng)電流控制相比,在電流給定參與電流調(diào)節(jié)器運(yùn)算之前增加了專(zhuān)家控制器,對(duì)電流給定進(jìn)行再處理?；谀：评淼碾娏鹘o定專(zhuān)家控制器由知識(shí)庫(kù)、模糊推理、特征識(shí)別三部分組成。特征識(shí)別將idq與v*dq在整定周期中波形拐點(diǎn)等曲線特征記錄下來(lái),在整定周期結(jié)束時(shí)計(jì)算上升時(shí)間、衰減比、振蕩周期等性能指標(biāo)。特征識(shí)別為模糊推理過(guò)程提供推理依據(jù)。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)以下形式的事實(shí):若給定變化過(guò)大,則idq具有特征1,特征2,…;vd*q具有特征1,特征2,…。若給定變化可以跟隨,則idq具有特征1,特征2,…;v*dq具有特征1,特征2,…。而推理過(guò)程就是通過(guò)已知結(jié)論“idq具有特征1,特征2,…,v*dq具有特征1,特征2,…”,反推條件“給定大”,然后減小給定,直到電流可以跟隨。基于模糊推理的專(zhuān)家自整定電流給定的算法如圖2所示,其中tp定義為專(zhuān)家系統(tǒng)的整定周期。對(duì)于常規(guī)專(zhuān)家系統(tǒng),當(dāng)整定次數(shù)大于設(shè)定的最大次數(shù)時(shí),則認(rèn)為整定失敗。本文所提出的模糊推理式專(zhuān)家系統(tǒng),即使在整定失敗的情況下,也可以將整定過(guò)程中出現(xiàn)的指標(biāo)符合度最高的電流給定作為控制器的次優(yōu)選項(xiàng),保證了控制器的正常運(yùn)行。3y-tp2特征識(shí)別是專(zhuān)家系統(tǒng)推理的基礎(chǔ),因此必須保證波形捕獲的可靠性,在算法仿真階段充分剔除意外情況?？刂茖?duì)象的典型階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。tz1,tz2,…,tz(i),…為r-y過(guò)零時(shí)刻,(tp1,yp1),(tp2,yp2),…,(tp(i),yp(i)),…為y拐點(diǎn)。idq,v*dq各項(xiàng)性能指標(biāo)定義如下:上升時(shí)間tr=tz1;超調(diào)量OVR=(yp1-r)/r,考慮到r=0時(shí),將OVR重新定義為OVR=(yp1-r)/(r-y0),y0為參考r改變時(shí),y的初值。諧振周期OSC=(tz3-tz1)/2,剔除OVR(i)=(yp(i)-r)/(r-y0)<0.1時(shí)的tp(i),將OSC重新定義為OSC=(tp(N)-tp1)/N,其中N滿(mǎn)足OVR(N)>0.1,OVR(N+1)<0.1。靜差ess=y(∞)-r,重新定義均值靜差為上一過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻;則衰減比為同樣地,對(duì)控制器輸出,定義振蕩周期uOSC、單調(diào)性u(píng)Mon及穩(wěn)態(tài)控制器輸出uss。4基于模糊推理的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)專(zhuān)家系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)知識(shí),包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則等。知識(shí)庫(kù)定性地描述了控制器與控制對(duì)象的特性,是推理過(guò)程的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的原則包括:問(wèn)題知識(shí)化,知識(shí)概念化,概念形式化,形式規(guī)則化,規(guī)則合法化。遵循以上原則,本文所提出的基于模糊推理的專(zhuān)家控制器,將“IFTHEN”語(yǔ)句制成表格,作為專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)見(jiàn)表1。rv(i,j)為特征矢量。rv(i,j)除了與工程師交互獲取外,在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)時(shí)記錄不同速度、不同電壓、不同磁場(chǎng)下的電流控制情況,從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的自動(dòng)獲取與更新。本文所提出的模糊推理機(jī)制解決了如何描述捕獲特征矢量ev符合知識(shí)庫(kù)中的結(jié)論的程度及怎樣調(diào)節(jié)電流給定的問(wèn)題。5規(guī)則觸發(fā)度的引入推理機(jī)制用于提供觸發(fā)規(guī)則和實(shí)施控制的機(jī)制。傳統(tǒng)的推理方法采用如“若(特征1)>閾值1,(特征2)<閾值2,則i*kdqs=αidqs*k-1”推理規(guī)則(α為修正權(quán)值,idqs*k-1為上一整定周期i*dqs值),這種推理機(jī)制采用硬性運(yùn)算(>,=,<),如果條件設(shè)定不當(dāng),容易造成整定失敗;α固定,易出現(xiàn)整定振蕩;條件順序觸發(fā),如果條件設(shè)置順序不合理,亦會(huì)造成整定失敗。本文所提出的模糊推理機(jī)制,引入了規(guī)則觸發(fā)度的概念,使整個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)能夠以并行觸發(fā)的方式工作。圖4定義三種高斯函數(shù),其中g(shù)auss1為負(fù)飽和高斯函數(shù),gauss3為正飽和高斯函數(shù)。捕獲的特征矢量ev(j)與表1中波形特征典型值rv(i,j)的相關(guān)度Corr(i,j)定義如下。其中g(shù)aussk為圖4所定義的高斯函數(shù),各特征量和規(guī)則對(duì)應(yīng)的高斯函數(shù)見(jiàn)表2。規(guī)則觸發(fā)度uG(i)定義為式中,N為特征變量的個(gè)數(shù),N=8;GCoeffs(j)≤1,為各項(xiàng)特征變量所占的權(quán)重。權(quán)重為表示特征變量在該規(guī)則中的確定性,若該特征變量是規(guī)則的主要“體現(xiàn)”變量,則認(rèn)為權(quán)重為1;若與規(guī)則無(wú)關(guān),則認(rèn)為權(quán)重為0,各特征量對(duì)應(yīng)的權(quán)值見(jiàn)表3。由此,id*s,iq*s更新系數(shù)Gid,Giq分別計(jì)算如下:id*s,iq*s更新公式如下:性能指標(biāo)符合度定義為opt=uG(5)。若性能指標(biāo)符合度在接受范圍時(shí),則整定過(guò)程即可停止。停止條件可設(shè)為opt=1或opt>0.8,若整定失敗,則可選取最大的opt對(duì)應(yīng)的控制器參數(shù)作為次優(yōu)參數(shù)采用,避免了一般專(zhuān)家PID整定失敗而無(wú)法找到控制器參數(shù)的情況。6治理問(wèn)題及仿真結(jié)果分析利用Saber仿真工具進(jìn)行仿真,采用7.5kW、額定轉(zhuǎn)速1470r/min的兩對(duì)極主軸電機(jī),參數(shù)見(jiàn)表4。電流失控主要體現(xiàn)在高速區(qū)制動(dòng)過(guò)程,因此,選取12000r/min時(shí)進(jìn)行速度階躍制動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖中顯示當(dāng)沒(méi)有采用模糊推理式電流給定專(zhuān)家系統(tǒng)算法時(shí),轉(zhuǎn)矩電流和磁場(chǎng)電流都明顯失控,如圖中曲線所示,磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流無(wú)法跟隨給定值,并出現(xiàn)振蕩,從而導(dǎo)致磁場(chǎng)定向偏差,雖然有很大的轉(zhuǎn)矩電流,但無(wú)法輸出足夠制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這在速度上亦有反映。物理實(shí)驗(yàn)與仿真用電機(jī)參數(shù)相同,慣量略大,功率模塊采用三菱公司的PM75RLA120,開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。在12000r/min時(shí)進(jìn)行階躍制動(dòng),通過(guò)DSP采集A相電流波形如圖6所示,由于調(diào)制比較低,電流畸變比較明顯,但沒(méi)有采用本文方法時(shí)電流畸變更為嚴(yán)重,并且發(fā)生振蕩,隨后模塊報(bào)警。7模糊推理方法的優(yōu)勢(shì)本文針對(duì)主軸感應(yīng)電機(jī)高速運(yùn)行電流控制穩(wěn)