CN113241982A - 基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,包括以下步骤:步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的误差值进行模糊单神经元PID控制,得到交轴电流值i Mq *;步骤2)通过与闭环电流作差经过电流调节,得到直轴定子电压u Md *和交轴定子电压u Mq *;步骤3)将直轴定子电压u Md *和交轴定子电压u Mq *变换后得到电压u Mα * 和电压u Mβ * ,电压u Mα * 和电压u Mβ * 经过SVPWM变换后作用在主电路逆变上的功率开关件,实现永磁同步电主轴的转矩部分的控制;本发明解决了现有永磁同步电主轴弱磁调速控制中参数不可调、信号跟踪效果不好以及噪声等的问题,实现动态调节控制参数,降低转矩脉动,提高数控***性能以及加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及电主轴控制技术领域,特别涉及一种永磁同步电主轴矢量调速方法。
背景技术
现有数控加工中心所配置的高速电主轴单元,大多使用功率因数不高的电机,运行时会散发出大量热使轴承热变形,导致加工精度和加工稳定性低。
现有的永磁同步电主轴多使用传统PI控制方法进行调速,使用这种调速方法控制简单,但控制参数未知且不可调。目前,电流环控制指令信号直接取指令电流和实际电流的误差,但因初始控制力太大而出现超调,导致对信号跟踪效果不好。同时实际电流中夹杂很多噪声,对加工精度造成很大影响。无轴承永磁同步电主轴将是未来研究的一个重要方向,矢量控制技和磁悬浮控制技术的应用,可提高***加工的准确性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,解决了现有永磁同步电主轴弱磁调速控制中参数不可调、信号跟踪效果不好以及噪声等的问题,实现动态调节控制参数,降低转矩脉动,提高数控***性能以及加工精度。
本发明的目的是这样实现的:一种基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,包括以下步骤:
步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的误差值进行模糊单神经元PID控制,得到交轴电流值iMq *;所述模糊单神经元PID控制使用模糊单神经元PID控制包括模糊控制和单神经元PID控制,所述模糊控制根据所述误差值自动调节单神经元PID控制的增益系数,所述单神经元PID控制根据所述误差值自适应调整控制参数,并根据控制参数配合增益系数实时计算得到交轴电流值iMq *;
步骤2)通过与闭环电流作差经过电流调节,得到直轴定子电压uMd*和交轴定子电压uMq*;
步骤3)将直轴定子电压uMd*和交轴定子电压uMq*变换后得到电压uMα *和电压uMβ *,电压uMα *和电压uMβ *经过SVPWM变换后作用在主电路逆变上的功率开关件,实现无轴承永磁同步电主轴的转矩部分的控制。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明中模糊控制能根据输入信号动态地调节控制增益系数,防止因传统单神经元PID调节参数固化导致的***性能差的问题,也防止了传统PI调节积分饱和导致的***性能差的问题,有效减小了转矩脉动和转速波动,提高了***的动态稳定性与数控加工的精度,转速调节使用了单神经元PID控制,该控制可以自适应调整***控制参数,并对噪声和信号测量误差具有鲁棒性。
优选的,所述模糊控制在转速误差值大于200r/min时,采用模糊控制快速减小误差值,将转速误差值与误差值变化率经过量化处理后进行模糊化,接着再进行模糊推理与反模糊化,得出单神经元PID控制的增益系数;所述模糊控制在转速误差值小于200r/min时,将模糊单神经元PID控制切换为变结构PID控制。
模糊控制能动态调节单神经元增益系数,在转速误差值过大或过小时,***可以动态调节神经元参数,进而改变控制参数;当转速误差过大时,使用模糊单神经元控制方法进行调节,当转速误差减小到阈值范围内时,切换到变结构PI控制进行调节。
优选的,所述变结构PID切换控制内含抗积分饱和处理,控制参数平滑过渡,其函数表达式为:
其中,ap、bp、cp为比例环节的函数变化系数,ai、ci为积分环节的函数变化系数,以上系数均为正数。
变结构PI的比例、积分环节的系数根据误差变化,呈指数变化趋势,控制参数平滑变换,使得控制过程较为稳定,在误差较小时仍然可以得到很好的控制效果。
优选的,步骤1)中交轴电流值iMq *的离散化计算公式具体为:
w1(k)=w1(k-1)+ηI·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k))
w2(k)=w2(k-1)+ηP·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k))
w3(k)=w3(k-1)+ηD·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k))。
其中,iMq *=u(k),K=K0+ΔK(包含初值与模糊控制器的输出值),xi=e(k),wi(i=1,2,3)为单神经元的权重值,ηP,I,D为学习率,Δe(k)=e(k)-e(k-1)。
将输入的信号误差离散化,根据e(k)和△e(k)的值计算出单神经元的权重值,得到控制三个控制参数,同时根据信号误差和误差变化实时计算控制整体的增益系数,***抗干扰能力增强且在动态性能上取得较好效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体***结构图。
图2为本发明的模糊单神经元PID模块图。
图3为本发明的模糊单神经元PID结构图。
图4为本发明的模糊控制结构图。
图5为本发明的变结构PI切换控制的结构图。
图6为本发明一个实施例的模糊控制器的输入变量e、ec隶属度函数图。
图7为本发明一个实施例的模糊控制器的输出变量ΔK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。
如图1-3所示的一种基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,包括以下步骤:
S1,获取永磁同步电主轴的实际转速n;
具体的,可通过旋转变压器获取永磁同步电主轴的实际转速;
S2,对永磁同步电主轴的实际转速n与给定转速n*的误差值进行模糊单神经元PID控制,得到交轴电流值iMq *;
具体的,模糊单神经元PID控制采用模糊单神经元PID控制器(FSNPID),其包括模糊控制器和单神经元PID控制器,模糊控制器用以实现模糊控制,模糊控制根据误差值自动调节单神经元PID控制的增益系数,单神经元PID控制器用以实现单神经元PID控制,单神经元PID控制根据误差值自适应调整控制参数,并根据控制参数配合增益系数实时计算得到交轴电流值iMq *;交轴电流值iMq *的离散化计算公式具体为:
w1(k)=w1(k-1)+ηI·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k))
w2(k)=w2(k-1)+ηP·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k))
w3(k)=w3(k-1)+ηD·e(k)·u(k)·(e(k)+Δe(k));
其中,iMq *=u(k),K=K0+ΔK,K0为初值,ΔK为模糊控制器的输出值,xi=e(k),wi(i=1,2,3)为单神经元的权重值,ηP,I,D为学习率,Δe(k)=e(k)-e(k-1);
步骤2)交轴电流值iMq *通过与闭环电流交轴电流值iMq作差经过通过电流调节器进行电流调节,得到和交轴定子电压uMq*;直轴电流值iMd *=0通过与闭环电流直轴电流值iMd作差经过通过电流调节器进行电流调节,得到直轴定子电压uMd*;
步骤3)将直轴定子电压uMd*和交轴定子电压uMq*通过Anti-Park变换后得到电压uMα *和电压uMβ *,电压uMα *和电压uMβ *经过SVPWM变换后作用在主电路逆变上的功率开关件,实现永磁同步电主轴的转矩部分的控制。
如图4所示,模糊控制在转速误差值(n*-n)在大于200r/min时,采用模糊单神经元控制快速减小误差值,将转速误差值与误差值变化率经过量化处理后进行模糊化,接着再进行模糊推理与反模糊化,得出单神经元PID控制的增益系数ΔK。模糊控制在转速误差值小于200r/min时,将模糊单神经元PID控制切换为变结构PID控制;变结构PID切换控制含抗积分饱和处理,控制参数平滑过渡,如图5所示,其函数表达式为:
其中,ap、bp、cp为比例环节的函数变化系数,ai、ci为积分环节的函数变化系数,以上系数均为正数,u(t)的值即为切换控制后的电流输出值。
在本发明的一个实施例中,可设定模糊控制器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,并利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,最终利用设定的模糊规则对输出变量进行量化输出。
具体地,设定模糊控制器的输入变量量化等级为7级,即{-3,-2,-1,0,1,2,3},其中瞬时误差e的基本论域为[-10000,10000],瞬时误差变化ec的基本论域为[-150000,150000],均服从高斯形隶属度函数分布曲线;同时将ΔK设定为模糊控制器的输出量,并设定其量化等级为7级,即{-6,-4,-2,0,2,4,6},其中输出量ΔK在K0为10时的基本论域为[-6,6],并服从三角形隶属度函数分布曲线;进一步地,可将模糊控制器的输入变量e、ec和输出变量ΔK的模糊子集均设定为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
综上所述,可得到图6所示的模糊控制器的输入变量e、ec和图7所示输出变量ΔK的隶属度函数图。
进一步地,可使用Mamdani算法的max-min合成模糊控制器的模糊逻辑决策,并采用该合成的模糊逻辑决策对模糊控制器的输入变量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,从而得到模糊控制器的输出变量ΔK。其中,输出变量ΔK可通过表1所示模糊规则表进行整定。
表1
进一步地,在转速误差小于200r/min后切换变结构PI控制,在传统比例、积分环节使用函数改变其固定结构,其函数变化系数如表2所示。
表2
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的误差值进行模糊单神经元PID控制,得到交轴电流值iMq *;所述模糊单神经元PID控制使用模糊单神经元PID控制包括模糊控制和单神经元PID控制,所述模糊控制根据所述误差值自动调节单神经元PID控制的增益系数,所述单神经元PID控制根据所述误差值自适应调整控制参数,并根据控制参数配合增益系数实时计算得到交轴电流值iMq *;
步骤2)通过与闭环电流作差经过电流调节,得到直轴定子电压uMd*和交轴定子电压uMq*;
步骤3)将直轴定子电压uMd*和交轴定子电压uMq*变换后得到电压uMα *和电压uMβ *,电压uMα *和电压uMβ *经过SVPWM变换后作用在主电路逆变上的功率开关件,实现永磁同步电主轴的转矩部分的控制。
2.根据权利要求1所述的基于模糊单神经元控制的永磁同步电主轴矢量调速方法,其特征在于,所述模糊控制在转速误差值大于200r/min时,采用模糊单神经元控制快速减小误差值,将转速误差值与误差值变化率经过量化处理后进行模糊化,接着再进行模糊推理与反模糊化,得出单神经元PID控制的增益系数;所述模糊控制在转速误差值小于200r/min时,将模糊单神经元PID控制切换为变结构PID控制。
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