CN104320033B - 一种永磁同步感应电动机的混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步感应电动机的混合控制方法，先通过速度检测单元和电流检测单元测得永磁同步感应电动机的实际转速参数和电动机电流值，然后将实际转速参数和电动机电流值分别送给信号控制器模块和能量控制器模块，两个控制模块根据实际转速参数、电动机电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块，再由选择开关模块根据判断条件选择控制电压值并送给三相逆变器，然后三相逆变器根据控制电压值将直流电源转变为三相交流电源驱动被控的永磁同步感应电动机，实现电动机稳定输出；其设计原理简单，安全可靠，控制步骤简单，控制速度精确，控制环境友好。

Description

一种永磁同步感应电动机的混合控制方法

技术领域：

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步感应电动机的混合控制方法，特别是一种能量控制与信号控制相结合控制永磁同步感应电动机速度的混合控制方法。

背景技术：

交流伺服系统由于控制精度高、恒转矩输出、响应速度快和转速高等特点，在自动控制系统中扮演者越来越重要的角色。现有的永磁同步感应电动机具有体积小、性能好、结构简单、可靠性高、转矩大和鲁棒性强等优点，被广泛地应用于高精度、高性能要求的伺服系统中，永磁同步感应电动机属于非线性电磁能量转换设备，是一个双端口网络，其输入端口是电气端口，输出端口是机械端口；单位时间内电气端口的电压与电流的乘积是电能，机械端口的转矩与转速的乘积是机械能，根据能量守恒原理，电气端口的电能需要与机械端口的机械能相等，能量成形的端口受控哈密顿方法是通过向电气端口注入电能来确定系统对于给定转速的跟踪，故称之为能量控制。该方法应用于永磁同步感应电动机的速度控制虽然已经取得了一定的成果，但还存在着缺陷。

目前，电机的两种控制方法分别为能量控制方法和信号控制方法，申请人检索到的由于海生、王海亮和赵克友等在《青岛大学学报(工程技术版)》2005年3期发表的“永磁同步电机的哈密顿系统建模与控制”等共12篇相关论文，均是通过能量成形的端口受控哈密顿方法对永磁同步感应电动机进行速度控制，使速度在期望的平衡点上取得最小值，但这种方法在参数或负载转矩发生较大变化时均存在不能快速响应的缺点；传统的控制理论和方法如比例-积分-微分控制等，在永磁同步感应电动机速度控制中也取得了显著的成就，在这种传统的控制方法中，控制器被认为是一种将输入信号转换为相应输出信号处理设备，故称之为信号控制，其控制目标是使永磁同步感应电动机控制系统受到非线性、不确定因素的影响，控制器使系统保持误差信号最小、减小干扰信号对输出的影响；此方法应用于永磁同步感应电动机的速度控制虽然也取得了一定的成果，但也还存在着诸多缺陷；申请人还检索到强勇、凌有铸和贾冕茜等在《微电机》2013年4期发表的“基于RBF神经网络的永磁同步电机速度控制”等37篇文章也涉及到传统的控制方法，均为比例-积分-微分方法及其与其它方法相结合对永磁同步感应电动机进行速度控制，单纯使用比例-积分-微分方法虽然具有快速响应的特点，但存在静态误差的缺点，与其它方法相结合虽然减小静态误差，但使得响应速度下降。为此，有必要寻求设计提出一种新的控制方法，在能量成形的端口受控哈密顿方法的基础上加入比例-积分控制策略，当系统受到不确定因素影响(例如参数变化、负载干扰等)导致速度远离给定值时，比例-积分控制器工作，使系统获得较快的动态性能；当速度接近给定值时，能量控制器工作，使系统获得更好的稳定性能；从而使永磁同步感应电动机控制系统在提高快速的同时，能够确保速度响应不产生超调和稳态误差最小。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种永磁同步感应电动机速度控制方法，将能量成形的端口受控哈密顿方法与比例-积分控制方法相结合，实现混合控制，能有效克服响应速度慢和稳态误差的缺点。

为了实现上述目的，本发明涉及的技术方案在常规的控制系统中实现，包括以下控制步骤：

(1)、先通过速度检测单元测得永磁同步感应电动机的实际转速参数；

(2)、再通过电流检测单元测得永磁同步感应电动机定子的三相电流值；

(3)、然后将步骤(1)测得的实际转速参数与步骤(2)测得的电动机电流值分别送给信号控制器模块与能量控制器模块；

(4)、再由能量控制器模块根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块，实现控制；

(5)、信号控制器模块根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块，实现控制；

(6)、再由选择开关模块根据预先设置的判断条件选择控制电压值并送给三相逆变器；

(7)、然后三相逆变器根据控制电压值将直流电源转变为三相交流电源驱动被控的永磁同步感应电动机；

(8)、被控永磁同步感应电动机实现稳定输出，然后转回步骤(1)，实现对被控永磁同步感应电动机的连续的混合控制；

其中步骤(4)涉及的能量控制器模块的控制过程包括以下步骤：

(21)、先给出永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿模型；

(22)、再确定永磁同步感应电动机的平衡点；

(23)、然后确定隐极永磁同步感应电动机(L_d＝L_q)的平衡点对应的输入；

(24)、设计永磁同步感应电动机的负载转矩观测器；

(25)、设计永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿控制系统器；

其中，信号控制器模块的设计控制过程包括以下步骤：

(31)、先设计比例-积分-微分速度调节器对速度进行调节；

(32)、再设计比例-积分电流调节器对电流进行调节，从而实现对永磁同步感应电动机的混合控制。

本发明涉及的常规的控制系统由信号控制器模块、能量控制器模块、选择开关模块、逆变器和被控永磁同步感应电动机电信息连通组合而成，能量控制器模块包括负载转矩观测器和端口受控哈密顿控制器；信号控制器模块包括比例-积分-微分速度调节器和比例-积分电流调节器。

本发明与现有技术相比，将现有的两种控制技术有机的结合形成一种混合式控制电机转速的方法，其设计原理简单，安全可靠，控制步骤简单，控制速度精确，控制环境友好。

附图说明：

图1为本发明的混合控制电机速度的流程原理示意框图。

图2为本发明涉及的比例-积分-微分控制方法、端口受控哈密顿控制方法、端口受控哈密顿控制方法与比例-积分-微分控制方法相结合的混合控制方法下的电磁转矩对比图，在负载转矩未知和0.05s突加3N·m干扰转矩情况下仿真实验得到。

图3为本发明的比例-积分-微分控制方法、端口受控哈密顿控制方法、端口受控哈密顿控制方法与比例-积分-微分控制方法相结合的混合控制方法下的转速对比图，在负载转矩未知和0.05s突加3N·m干扰转矩情况下仿真实验得到。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步的说明。

实施例：

本实施例涉及的技术方案在常规的控制系统中实现，包括以下控制步骤：

(1)、先通过速度检测单元3测得永磁同步感应电动机的实际转速参数；

(2)、再通过电流检测单元4测得永磁同步感应电动机定子的三相电流值；

(3)、然后将步骤(1)测得的实际转速参数与步骤(2)测得的电动机电流值分别送给信号控制器模块2与能量控制器模块1；

(4)、再由能量控制器模块1根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块7，实现控制；

(5)、信号控制器模块2根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压并送给选择开关模块7，实现控制；

(6)、再由选择开关模块7根据预先设置的判断条件选择控制电压值并送给三相逆变器6；

(7)、然后三相逆变器6根据控制电压值将直流电源转变为三相交流电源驱动被控的永磁同步感应电动机5；

(8)、被控永磁同步感应电动机5实现稳定输出，然后转回步骤(1)，实现对被控永磁同步感应电动机5的连续的混合控制。

本实施例涉及的常规的控制系统由信号控制器模块2、能量控制器模块1、选择开关模块7、逆变器6和被控永磁同步感应电动机5电信息连通组合而成，能量控制器模块1包括负载转矩观测器和端口受控哈密顿控制器；信号控制器模块2包括比例-积分-微分速度调节器和比例-积分电流调节器；

其中步骤(4)涉及的能量控制器模块1的控制过程包括以下步骤：

(21)、先给出永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿模型；

(22)、再确定永磁同步感应电动机的平衡点；

(23)、然后确定隐极永磁同步感应电动机(L_d＝L_q)的平衡点对应的输入；

(24)、设计永磁同步感应电动机的负载转矩观测器；

(25)、设计永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿控制系统器；

其中，信号控制器模块2的设计控制过程包括以下步骤：

(31)、先设计比例-积分-微分速度调节器对速度进行调节；

(32)、再设计比例-积分电流调节器对电流进行调节，从而实现对永磁同步感应电动机的混合控制。

本实施例中涉及的能量控制器模块1的控制的具体步骤如下：

步骤(21)给出永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿模型

被控永磁同步感应电动机5采用三相交流电源供电，将多相绕组等效为直轴d和交轴q两相绕组，而直轴d和交轴q两相绕组在空间上互差90°电角度。在忽略磁饱和、不计磁滞和涡流损耗影响、空间磁场呈正弦分布的条件下，当阻尼系数B＝0时，直轴-交轴(d-q)坐标系下永磁同步感应电动机系统的数学模型为

其中，n_p为极对数，ω是转子机械角速度，J是转动惯量，L_d和L_q是d-q坐标系下的定子电感，R_s是定子电阻，τ_L是负载转矩，Φ是永磁体产生的磁链；永磁同步感应电动机的参数为：n_p＝4，J＝0.0008kg·m²，L_d＝L_q＝0.0085H，R_s＝2.875Ω，Φ＝0.175Wb；给定负载转矩τ_L0＝3N·m；给定转速ω₀＝60rad/s；其状态向量、机械动能、输入、输出向量分别为

取永磁同步感应电动机系统的哈密顿函数为电能与机械能的总和，即：

利用端口受控哈密顿系统，将能量耗散的概念引入到端口受控哈密顿系统框架中，得端口受控哈密顿系统模型为

其中，x∈Rⁿ,u,y∈R^m；R(x)为半正定对称矩阵，R(x)＝R^T(x)≥0，它反映了端口上的附加阻性结构；J(x)为反对称矩阵，J(x)＝-J^T(x)，它反映了系统内部的互联结构；

可以推得永磁同步感应电动机系统的端口受控哈密顿系统模型为

步骤(22)确定永磁同步感应电动机系统平衡点

对于期望的ω₀，在负载转矩恒定已知(τ_L＝τ_L0)时，根据“最大转矩/电流”原理(i_d0＝0)，由式(1)和式(2)得到期望的平衡点为

系统模型(4)在平衡点处有

步骤(23)确定隐极永磁同步感应电动机(L_d＝L_q)系统平衡点对应的输入为

步骤(24)永磁同步感应电动机系统的负载转矩观测器设计

负载转矩观测器用于根据电动机运行的状态估计系统的负载转矩。

当负载转矩恒定已知(τ_L＝τ_L0)时，由式(1)可知负载转矩观测器为

当负载转矩恒定未知时，可用式(9)和误差反馈校正，构造负载转矩观测器为

式(10)中，k₁、k₂是设计参数；ω、i_d、i_q通过传感器测量得到。

在我们的观测器中k₁＝1000，k₂＝200；

步骤(25)永磁同步感应电动机系统的端口受控哈密顿控制系统器设计选取期望哈密顿函数

构造一个加入控制后的闭环期望能量函数H_d(x)，使系统模型(4)渐近地稳定在期望的平衡点x₀附近，且闭环系统

选取期望的闭环能量函数H_d(x)＝H(x)+H_a(x)＞0，并且H_d(0)＝0，配置满足

其中

将期望的闭环系统(12)与系统模型(4)相比较得到

进一步得到

解方程得：

u_d＝-r₁(i_d-i_d0)+J₁₂(i_q-i_q0)-n_Pω₀L_q(i_q-i_q0)+J₁₃(ω-ω₀)+u_d0 (17)

u_q＝-J₁₂(i_d-i_d0)-r₂(i_q-i_q0)+n_Pω₀L_d(i_d-i_d0)+J₂₃(ω-ω₀)+u_q0 (18)

-τ_L＝-J₁₃(i_d-i_d0)+n_PL_qi_qi_d0-J₂₃(i_q-i_q0)-n_PL_di_di_q0-r₃(ω-ω₀)-τ_L0 (19)

永磁同步感应电动机系统的控制任务是实现转速ω对于期望ω₀的渐近调节，对于期望的ω₀，在负载转矩恒定已知(τ_L＝τ_L0)时，由式(19)可得

r₃＝0，J₁₃＝-n_PL_di_q，J₂₃＝n_PL_di_d (20)

根据“最大转矩/电流”原理(即i_d0＝0)，并令互联参数J₁₂＝k₀，将式(8)、式(20)代入式(17)、式(18)后可得端口受控哈密顿控制器为

在负载转矩未知时，将负载转矩观测器式(10)代入式(21)、式(22)中可得端口受控哈密顿控制器为

在我们的控制器中r₁＝r₂＝1，k₀＝0.5；

本实施例涉及的信号控制模块的设计控制包括以下步骤：

步骤(31)设计比例-积分-微分速度调节器

比例-积分-微分速度调节器的传递函数设计为

所述的选择开关模块根据判断条件设计，包括以下步骤：

判断条件设计为

其中η是阈值，当实际转速与给定转速的差值小于阈值时，采用能量控制器模块1输出的电压进行控制；当实际转速与给定转速的差值大于阈值时，采用信号控制器模块4输出的电压进行控制，其中η＝0.5rad/s；

步骤(32)设计比例-积分电流调节器对电流进行调节，从而实现对永磁同步感应电动机的混合控制，比例-积分电流调节器的传递函数设计为

Claims (1)

1.一种永磁同步感应电动机的混合控制方法，在常规的控制系统中实现，常规的控制系统由信号控制器模块、能量控制器模块、选择开关模块、逆变器和被控永磁同步感应电动机电信息连通组合而成，能量控制器模块包括负载转矩观测器和端口受控哈密顿控制器；信号控制器模块包括比例-积分-微分速度调节器和比例-积分电流调节器，其特征在于包括以下控制步骤：

(1)、先通过速度检测单元测得永磁同步感应电动机的实际转速参数；

(2)、再通过电流检测单元测得永磁同步感应电动机定子的三相电流值；

(3)、然后将步骤(1)测得的实际转速参数与步骤(2)测得的电动机电流值分别送给信号控制器模块与能量控制器模块；

(4)、再由能量控制器模块根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块，实现控制；

(5)、信号控制器模块根据实际转速参数、电动机定子的三相电流值和给定转速计算出控制电压值并送给选择开关模块，实现控制；

(6)、再由选择开关模块根据预先设置的判断条件选择控制电压值并送给三相逆变器；

(7)、然后三相逆变器根据控制电压值将直流电源转变为三相交流电源驱动被控的永磁同步感应电动机；

(8)、被控永磁同步感应电动机实现稳定输出，然后转回步骤(1)，实现对被控永磁同步感应电动机的连续的混合控制；

其中步骤(4)涉及的能量控制器模块的控制过程包括以下步骤：

(21)、先给出永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿模型；

(22)、再确定永磁同步感应电动机的平衡点；

(23)、然后确定隐极永磁同步感应电动机的平衡点对应的输入；

(24)、设计永磁同步感应电动机的负载转矩观测器；

(25)、设计永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿控制系统器；

其中，信号控制器模块的设计控制过程包括以下步骤：

(31)、先设计比例-积分-微分速度调节器对速度进行调节；

(32)、再设计比例-积分电流调节器对电流进行调节。