CN107800334B - 一种pmsm预同步同轴运行控制方法及系统 - Google Patents

一种pmsm预同步同轴运行控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PMSM预同步同轴运行控制方法，其中，该方法适用于微型压缩空气储能系统，所述微型压缩空气储能系统包括第一级和第二级两个串联连接的永磁同步电动机，第一级永磁同步电动机与第二级永磁同步电动机之间依次串接有齿轮箱和离合器；其中，该方法包括：步骤1：第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；步骤2：在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。

Description

一种PMSM预同步同轴运行控制方法及系统
技术领域
本发明属于微型压缩空气储能系统的PMSM同轴转速控制领域，尤其涉及一种PMSM预同步同轴运行控制方法及系统。
背景技术
能量存储是平抑风力发电系统波动性和间歇性、改善电能输出质量的最有效手段之一。与其他储能方式相比，压缩空气储能是唯一在储能容量可以和抽水储能相媲美的储能方式，且具有易于检测、控制精确及成本低廉等优点，在世界范围内备受关注。在总结现有的压缩空气储能结构特性的基础上，山东大学提出了一种基于电气耦合和机械耦合方式灵活切换的混合耦合式压缩空气储能系统新结构，该压缩方式采用电磁离合器来实现耦合模式的相互切换，其中系统中使用到的电磁离合器可以实现系统双电机的同轴电气耦合运行。因此，在离合器闭合时需要控制离合器两侧的电机转速实现预同步，使离合器的冲击最小。
在传统的电机控制中，通常采用PI控制方法。然而，由于该系统存在增速齿轮，在系统运行时两侧电机的转速就会存在误差，在系统双电机同步运行时，采用传统的PI控制方法容易造成电机失控，进而导致整个系统运行失控。
因为随着永磁体制造技术、电力电子技术以及电机控制策略的快速发展，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)由于具有气隙磁密高、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高等优点，在高性能机床控制、位置控制以及风力发电领域得到广泛应用。近年来，随着风力发电不断发展以及风电装机量的迅速提升，永磁同步电机应用前景更加广阔。同时，永磁同步电机的控制精度和响应速度也面临更高的要求。
预测控制是在20世纪70年代提出的一种新型控制方法，随着半导体变流技术和计算机技术的发展，预测控制可实时应用在动态快速变化的系统中，并逐步应用到交流电机控制中，并得到了科研人员的高度重视，并预计预测控制最有可能成为继PI控制之后电力电子控制领域的替代方案。最近，模型预测控制作为一种新的且性能更强大的预测控制已在电机控制领域得到了应用，该方法通过利用系统模型的输入输出数据预测未来时刻的输出，通过优化含有控制目标的成本函数，得到模型预测控制率，具有动态性能好，能够处理约束等优点
永磁同步电机的预测控制可以改进其转速控制的动态性和鲁棒性，同时还降低了其控制器的参数调整难度。电机的预测控制使得其转速控制的超调降低，使得电机的转速超调大幅度的降低。在电机的模型预测控制中，电机的负载扰动是影响电机控制性能的关键因素，为了减小运行过程中由于负载变化导致的转速扰动，在控制过程中加上了负载扰动观测器，能够使电机输出转速尽量跟随电机的给定转速，使系统运行更加稳定。
如图1所示，微型压缩空气储能系统包括：两个永磁同步电机PMSM、两个扭矩传感器、一个模拟风机的三相异步电机、一个涡旋机负载、两个二电平逆变器。
在永磁同步电机PMSM(G)运行过程中该电机只能为一个发电机来用，它的能量来源全部是依靠前面的异步机来提供，相当于系统中的一个负载，当系统中的能量多的时候需要增加负载，就需要对系统进行调整，增加一个涡旋机负载，增加涡旋机负载的过程需要永磁同步电动机PMSM(G/M)来对系统进行预同步，来实现系统的同轴运行。
如图2所示，由于涡旋机负载的工作速度较风机的转速高，在模拟系统中，电机的转速虽然提高了但是在两个永磁同步电动机之间还是加上了一个增速齿轮箱，提高电机的转速，于是两个电机之间就存在一个转速的比例关系，预同步过程就会出现电机的转速不是很匹配，会存在转速差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种PMSM预同步同轴运行控制方法。该方法适用于微型压缩空气储能系统，该方法能够有效地实现永磁同步电机的转速跟随控制以及解决双电机同时转速控制时出现的失控问题。
本发明的一种PMSM预同步同轴运行控制方法，其中，该方法适用于微型压缩空气储能系统，所述微型压缩空气储能系统包括第一级和第二级两个串联连接的永磁同步电动机，第一级永磁同步电动机与第二级永磁同步电动机之间依次串接有齿轮箱和离合器；
其中，该方法包括：
步骤1：第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；
步骤2：在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。
进一步的，在所述步骤1中，利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速。
进一步的，在所述步骤2中，利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
进一步的，该方法还包括：在第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行之后，切除负载扰动观测器，通过控制第二级永磁同步电动机的输入转速大小来控制第二级永磁同步电机的输出转矩，实现控制整个系统的能量分配。
本发明的第二目的是提供一种PMSM预同步同轴运行控制系统。
本发明的一种PMSM预同步同轴运行控制系统，包括：
离合器转速及转向计算单元，其被配置为将第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；
转速匹配单元，其被配置为在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。
进一步的，所述离合器转速及转向计算单元，还配置为：
利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速。
进一步的，所述转速匹配单元，还配置为：
利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
进一步的，该系统还包括转矩控制单元，所述转矩控制单元配置为：
在第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行之后，切除负载扰动观测器，通过控制第二级永磁同步电动机的输入转速大小来控制第二级永磁同步电机的输出转矩，实现控制整个系统的能量分配。
进一步的，所述第一级永磁同步电动机通过第一变流器与直流母线相连。
进一步的，所述第二级永磁同步电动机通过第二变流器与直流母线相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用预测控制对电机控制的速度环进行重新的建模与优化，并根据电机实际工作状态进行在线参数的优化，得到了控制电流的大小，对电机的转矩控制就会通过电流来控制，从而省去了传统的PI控制在转速环控制时因预同步过程存在转速不匹配的情况导致给定转速与实际的转速不匹配出现积分环节的饱和导致电机的失控情况，并改善电机控制的动态响应。
(2)本发明采用模型参考自适应参数辨识的方法对电机的参数实时更新，利用参考模型和实时变化的可变模型的输出不同，将输出量的误差作为依据动态更新和调节模型的参数，得到电机实时参数，在电机工况不断变化的情况下保证模型的准确性，大大提高了电机的控制精度。
(3)本发明优化了传统双闭环中的速度环控制，只使用传统双环控制中的控制与反馈量，既没有改变拓扑也没有增加新的传感器，仅仅改变算法提高系统性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明所在系统的控制整体结构框图；
图2为同轴运行系统机构简图；
图3为模型参考自适应参数辨识的实现框图；
图4为永磁同步电动机控制结构框图；
图5为模型参考自适应参数辨识的实现框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
永磁同步电机的预测控制可以改进其转速控制的动态性和鲁棒性，同时还降低了其控制器的参数调整难度。电机的预测控制使得其转速控制的超调降低，使得电机的转速超调大幅度的降低。在电机的模型预测控制中，电机的负载扰动是影响电机控制性能的关键因素，为了减小运行过程中由于负载变化导致的转速扰动，在控制过程中加上了负载扰动观测器，能够使电机输出转速尽量跟随电机的给定转速，使系统运行更加稳定。
如图3所示，为一个降阶的负载扰动观测器，电机的控制在预测控制的基础上加上一个扰动观测器来提高转速的误差，让转速误差能够跟随上，通过预测电机的负载转矩来提高系统的稳定性。
电机的运动方程在s域可以表示为
其中，为永磁同步电机的给定转速；Te为永磁同步电机的输出转矩；J为永磁同步电机的转动惯量；k1为负载观测器的比例系数；k2为负载观测器的比例系数。
本发明的PMSM预同步同轴运行控制方法，包括以下步骤：
步骤1：第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向。
在所述步骤1中，利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速。
步骤2：在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。
在所述步骤2中，利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
利用负载扰动观测器来预测电机的转速输出与电机的给定值之间的差值来进行补偿，使得电机的实际转速能够快速补偿到电机的给定转速；
重新检测永磁同步电机的位置信号θ，角速度ω，三相电流ia、ib、ic，并通过dq变换得到相应的电流id、iq；其中，id为直轴电流，iq为交轴电流；
利用模型参考自适应参数辨识的方法，依据直轴输入电压交轴输入电压和直轴测量电流id，交轴测量电流iq，角速度ω以及电机的位置信号θ对电机进行在线参数辨识，得到电机运行过程中的参数永磁同步电动机直轴电感Ld、交轴电感Lq、转子磁链ψf；
电机的电流内环仍然采用传统的PI控制，电动机的电流内环输入即为电机的转矩输入，改变q轴的电流就会改变电机的输出转矩大小；
电机的转矩是靠q轴电流的大小来确定的，在系统双电机运行时采用的是转速控制和转矩控制两种不同的控制方式，前面的发电机用转速控制后面的电机采用的是预测控制模式，通过控制电机的转速来控制电机的输出电流。
其中，永磁同步电动机在旋转坐标系下的数学模型可以表示为：
Te＝np[(Ld-Lq)idiq+ψfiq]
其中，Ld为旋转坐标系下d轴的定子电感，Lq为旋转坐标系下q轴的定子电感，id，iq，ud，uq为旋转坐标系下的电流和电压，Rs为定子电阻，np为电机的极对数，ω为转子机械的角速度，ψf为永磁体的磁链大小，J为电机的转动惯量，Te为电磁转矩，TL为系统的负载转矩，B为电机的摩擦系数。
本发明还构建了预测转速与参考转速的成本函数，具体地为：
其中，ty为预测的控制时域，ωr(t+τ)为预测的转速，ωref(t+τ)为参考的转速。
且，永磁同步电动机的模型可表示为
其中，
为实现转速的跟踪控制，需满足成本函数最小，即满足
利用系统模型通过泰勒级数展开后，可以得到转速控制器的输出：
电机运行时的参数变化通过模型参考自适应对电机的参数进行辨识，依据ud、uq、id、iq、ω以及θ进行在线参数辨识，得到电机参数R、Ld、Lq、
如图5所示，首先建立实际电机模型作为参考模型：
其中，Rs为定子电阻，Ls为直轴电感，对于表贴式永磁同步电机而言，直轴和交轴电感值相同，ωr为电机当前位置对应的角度，ψf为转子磁链，id为直轴电流，iq为交轴电流，ud为直轴输入电压，uq为交轴输入电压；
由于电机工况实时变化，利用实时采集的电压、电流建立参数调整模型如下：
其中，分别为参数调整模型的直轴电流和交轴电流，为参数调整模型的定子电阻，为参数调整模型的直轴电感，为参数调整模型的转子磁链。
根据Popov理论设计自适应律，保证误差模型是渐近超稳定，而整个非线性时变系统是超稳定的，使可调模型参数趋近于参考模型，从而保证整个系统误差趋近于零，完成电机的参数辨识。
本发明的一种PMSM预同步同轴运行控制系统，包括：
离合器转速及转向计算单元，其被配置为将第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；
转速匹配单元，其被配置为在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。
如图4所示，为预同步的永磁同步电动机的控制结构框图，还包括：
电流传感器模块，其被配置为将采集到的电机三相输出电流ia、ib和ic输入到三相静止到两相旋转变换的坐标变换模块；
所述坐标变换模块，被配置为将求得两相静止坐标系下的电流iα和iβ，然后iα和iβ以及通过旋转变压器得到的位置角θ输入到两相静止到两相旋转的坐标变换中得到id和iq。
永磁同步电机在运行过程中通过旋转变压器检测到转速及位置信号将得到的转速信号与目标转速相匹配得到电机的转速差信号，输入到电机的预测控制中去。
其中，所述离合器转速及转向计算单元，还配置为：
利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速。
具体地，所述转速匹配单元，还配置为：
利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
该系统还包括转矩控制单元，所述转矩控制单元配置为：
在第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行之后，切除负载扰动观测器，通过控制第二级永磁同步电动机的输入转速大小来控制第二级永磁同步电机的输出转矩，实现控制整个系统的能量分配。
所述第一级永磁同步电动机通过第一变流器与直流母线相连。
所述第二级永磁同步电动机通过第二变流器与直流母线相连。
本发明采用预测控制对电机控制的速度环进行重新的建模与优化，并根据电机实际工作状态进行在线参数的优化，得到了控制电流的大小，对电机的转矩控制就会通过电流来控制，从而省去了传统的PI控制在转速环控制时因预同步过程存在转速不匹配的情况导致给定转速与实际的转速不匹配出现积分环节的饱和导致电机的失控情况，并改善电机控制的动态响应。
本发明采用模型参考自适应参数辨识的方法对电机的参数实时更新，利用参考模型和实时变化的可变模型的输出不同，将输出量的误差作为依据动态更新和调节模型的参数，得到电机实时参数，在电机工况不断变化的情况下保证模型的准确性，大大提高了电机的控制精度。
本发明优化了传统双闭环中的速度环控制，只使用传统双环控制中的控制与反馈量，既没有改变拓扑也没有增加新的传感器，仅仅改变算法提高系统性能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种PMSM预同步同轴运行控制方法，其中，该方法适用于微型压缩空气储能系统，所述微型压缩空气储能系统包括第一级和第二级两个串联连接的永磁同步电动机，第一级永磁同步电动机与第二级永磁同步电动机之间依次串接有齿轮箱和离合器；
其特征在于，该方法包括：
步骤1：第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；
在所述步骤1中，利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速；
步骤2：在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行；
该方法还包括：在第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行之后，切除负载扰动观测器，通过控制第二级永磁同步电动机的输入转速大小来控制第二级永磁同步电机的输出转矩，实现控制整个系统的能量分配。
2.如权利要求1所述的一种PMSM预同步同轴运行控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
3.一种PMSM预同步同轴运行控制系统，其特征在于，包括：
离合器转速及转向计算单元，其被配置为将第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；
所述离合器转速及转向计算单元，还配置为：
利用实时检测的第一级永磁同步电动机输出的电压和电流信号以及预设的电机模型，结合自适应参数辨识的方法得到电机运行过程中的各个参数变化信息，进而获取第一级永磁同步电动机的实时转速；
转速匹配单元，其被配置为在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行；
该系统还还包括转矩控制单元，所述转矩控制单元配置为：
在第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行之后，切除负载扰动观测器，通过控制第二级永磁同步电动机的输入转速大小来控制第二级永磁同步电机的输出转矩，实现控制整个系统的能量分配。
4.如权利要求3所述的一种PMSM预同步同轴运行控制系统，其特征在于，所述转速匹配单元，还配置为：
利用与第二级永磁同步电动机相连的负载扰动观测器来预测第二级永磁同步电动机的转速输出与离合器的转速之间的差值来进行补偿，使得第二级永磁同步电动机与离合器的转速相匹配。
5.如权利要求3所述的一种PMSM预同步同轴运行控制系统，其特征在于，所述第一级永磁同步电动机通过第一变流器与直流母线相连。
6.如权利要求3所述的一种PMSM预同步同轴运行控制系统，其特征在于，所述第二级永磁同步电动机通过第二变流器与直流母线相连。
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