CN108923693B - 两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两电机交叉耦合控制方法，为能够在不影响两电机传统交叉耦合控制效果的基础上，实现跟踪误差和同步误差的二自由度独立控制，同时控制器参数易于整定，在工程中方便实现。本发明给出两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法，步骤如下：(1)两永磁电机系统电气量采集与计算；(2)前馈补偿与二自由度控制：采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制。本发明主要应用于两电机交叉耦合控制场合。

Description

两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法

技术领域

本发明涉及一种两电机交叉耦合控制方法。特别是涉及一种应用于两永磁电机系统的二自由度交叉耦合控制方法。

背景技术

两电机系统广泛应用于起重、轧钢等现代工业系统中，多电机之间的转速同步性能与各电机自身的转速跟踪性能直接决定工业产品的质量水平。交叉耦合控制结构能够实现比非耦合结构更好的同步性能，因而成为目前两电机控制主要应用的控制结构之一。

传统的两电机交叉耦合控制结构中，反馈系数既影响跟踪性能，同时也影响同步性能，在实际工程中，很难做到二者性能兼顾。针对这一问题，发明了两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法，该方法引入了专门控制同步误差的控制器，控制上增加了一个自由度；并且增加了前馈环节，实现了跟踪误差和同步误差的独立控制，同时控制器参数易于整定，在工程中方便实现。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种方法，能够在不影响两电机传统交叉耦合控制效果的基础上，实现跟踪误差和同步误差的二自由度独立控制，同时控制器参数易于整定，在工程中方便实现。

本发明采取的技术方案是，两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法，步骤如下：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采集两台电机的实际转速，将每台电机实际转速和参考转速相减得到跟踪误差；

b、将两台电机转速相减，得到同步误差；

c、采集两台电机的三相定子电流，并将所述的三相定子电流、电压变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；

d、采集两台电机的转子磁场角度，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量；

e、采集直流侧电压；

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下：

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减。对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减；

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机1跟踪误差相加；对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机2跟踪误差相加；

c、将上述运算产生的信号分别作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}；

d、交叉耦合控制。两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压；

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

在一个实例中具体地：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采用增量式/绝对式编码器采集两台电机的实际转速，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，然后令每台电机实际转速和参考转速相减得到控制电机所需的转速跟踪误差；

b、在微处理器中，令两台电机转速相减，得到控制电机所需的转速同步误差；

c、采用霍尔电压、电流传感器采集两台电机的三相定子电流，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，在微处理器内将上述三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量。

式中，i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2分别为两台电机的三相定子电流；i_α1、i_β1、i_α2、i_β2分别为两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；

d、采用增量式/绝对式编码器获取两台电机的转子磁场角度，并利用该角度将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量，

式中，θ₁、θ₂分别为两台电机的转子磁场角度，i_d1、i_q1、i_d2、i_q2分别为两台电机在两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量；

e、采用霍尔电压传感器采集直流侧电压，并将采集到的直流侧电压信号传输至微处理器。

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统都包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下。

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减；对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减；

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机1跟踪误差相加。对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机2跟踪误差相加。

c、将上述运算产生的信号分别作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}；

d、交叉耦合控制。两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压；

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

本发明的特点及有益效果是：

本发明的一种应用于两永磁电机控制系统的转速同步控制方法，提出了一种二自由度交叉耦合控制方法，与传统算法相比，新算法实现跟踪误差和同步误差的二自由度独立控制，同时控制器参数易于整定，在工程中方便实现。

附图说明：

图1两永磁电机系统电路结构图。

图2传统交叉耦合控制结构图。

图3二自由度交叉耦合控制结构图。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案是：系统输入侧接三相电网和不控整流器，不控整流器输出接两套三相桥式逆变器，每套桥式逆变器输出接一台永磁同步电机，每台永磁同步电机后接独立的负载，即系统包括两台永磁同步电机和两套三相桥式逆变器。

还包括如下具体步骤：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采集两台电机的实际转速，将每台电机实际转速和参考转速相减得到跟踪误差。

b、将两台电机转速相减，得到同步误差。

c、采集两台电机的三相定子电流，并将所述的三相定子电流、电压变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量。

d、采集两台电机的转子磁场角度，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量。

e、采集直流侧电压。

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下。

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减。对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减。

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机1跟踪误差相加。对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机2跟踪误差相加。

c、将上述运算产生的信号分别作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}。

d、交叉耦合控制。两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压。

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

由上述描述可知，本发明将跟踪误差和同步误差在两个自由度上分别进行独立的控制，控制灵活性大大提高，同时也降低了工程上PI控制器参数的整定难度。

下面结合实施例和附图对本发明的一种应用于两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法做出详细说明。

为改善传统交叉耦合控制算法性能，本发明的一种应用于两永磁电机控制系统的转速同步控制方法，提出了一种二自由度交叉耦合控制方法，与传统算法相比，新算法实现跟踪误差和同步误差的二自由度独立控制，同时控制器参数易于整定，在工程中方便实现。

在本实施例中，选用TI公司的TMS320F28335微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号。电路结构如附图1所示，图中左侧为三相电网和不可控整流桥，其中，u_sa、u_sb、u_sc为三相电网的各相相电压；u_dc为直流侧电容电压；右侧为两套三相桥式逆变器，分别控制两台永磁同步电机1、电机2。

1、传统交叉耦合控制算法

传统两电机交叉耦合控制算法控制框图如图2所示。图中，ω_ref为两台电机的参考转速；ω₁、ω₂分别为两台电机的实际转速；Δω_s为两台电机之间的同步误差；K为同步误差反馈系数；T_{e1_ref}、T_{e2_ref}分别为两台电机的参考电磁转矩；T_L1、T_L2分别为两台电机的负载转矩；F(s)为控制跟踪误差的PI控制器；G(s)为电机转矩到电机转速的传递函数。

设定两台电机参数：两台电机的定子电阻分别为R₁、R₂；两台电机的d轴定子电感分别为L_d1、L_d2；两台电机的q轴定子电感分别为L_q1、L_q2；两台电机的转子永磁体磁链分别为ψ_f1、ψ_f2；两台电机的转动惯量分别为J_m1、J_m2。在本实施例中，取两台电机额定值相等，则两台电机参数近似相等，则有

G(s)为电机转矩到电机转速的传递函数，当忽略摩擦力的影响时，可得

式中，J_m为电机转动惯量。

以电机1为例，由图2可得

假设稳态时电机1负载转矩T_L1和电机2转速ω₂保持稳定，此时系统跟踪性能可以表示为

采用与电机1相同的方法对电机2进行分析，由图2可得

式(3)和式(5)相减可得

式中，ΔT_L为两台电机负载转矩差值。

由式(4)和式(6)可以看出，反馈系数K同时对跟踪性能和同步性能都有影响，这使得在实际工程中二者的性能很难同时兼顾，同时控制器参数也难于整定。

2、二自由度交叉耦合控制方法

针对上述问题，新加入了控制同步误差的PI控制器H(s)，同时增加了前馈控制，实现了同步性能和跟踪性能二自由度控制，控制器框图如图3所示。

图中，ω_ref为两台电机的参考转速；ω₁、ω₂分别为两台电机的实际转速；Δω_s为两台电机之间的同步误差；T_{e1_ref}、T_{e2_ref}分别为两台电机的参考电磁转矩；T_L1、T_L2分别为两台电机的负载转矩；F(s)为控制跟踪误差的PI控制器；H(s)为控制同步误差的PI控制器；G(s)为电机转矩到电机转速的传递函数。

还包括如下具体步骤：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采用增量式/绝对式编码器采集两台电机的实际转速，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，然后令每台电机实际转速和参考转速相减得到控制电机所需的转速跟踪误差。

b、在微处理器中，令两台电机转速相减，得到控制电机所需的转速同步误差。

c、采用霍尔电压、电流传感器采集两台电机的三相定子电流，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，在微处理器内将上述三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量。

式中，i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2分别为两台电机的三相定子电流；i_α1、i_β1、i_α2、i_β2分别为两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量。

d、采用增量式/绝对式编码器获取两台电机的转子磁场角度，并利用该角度将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量。

式中，θ₁、θ₂分别为两台电机的转子磁场角度，i_d1、i_q1、i_d2、i_q2分别为两台电机在两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量。

e、采用霍尔电压传感器采集直流侧电压，并将采集到的直流侧电压信号传输至微处理器。

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统都包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下。

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减。对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减。

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机1跟踪误差相加。对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出与电机2跟踪误差相加。

c、将上述运算产生的信号分别作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}。

d、交叉耦合控制。两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压。

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

(3)原理分析

以电机1为例，由图3可得

仍假设稳态时电机1负载转矩T_L1和电机2转速ω₂保持稳定，此时系统跟踪性能可以表示为

由上式可知，此时系统跟踪性能只取决于跟踪误差控制器F(s)。

仍采用与电机1相同的方法对电机2进行分析，由图3可得

式(9)和式(11)相减可得

由上式可知，此时系统同步性能只取决于同步误差控制器H(s)。

由上述分析可知，本发明将跟踪误差和同步误差在两个自由度上分别进行独立的控制，控制灵活性大大提高，同时也降低了工程上PI控制器参数的整定难度。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法，其特征是，步骤如下：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采集两台电机的实际转速，将每台电机实际转速和参考转速相减得到跟踪误差；

b、将两台电机转速相减，得到同步误差；

c、采集两台电机的三相定子电流，并将所述的三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；

d、采集两台电机的转子磁场角度，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量；

e、采集直流侧电压；

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下：

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减，其结果为第1信号；对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减，其结果为第2信号；

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出结果为第3信号；对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出结果为第4信号；

c、将上述第1信号和第3信号、第2信号和第4信号分别对应作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}；

d、交叉耦合控制，两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压；

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

2.如权利要求1所述的两永磁电机二自由度交叉耦合控制方法，其特征是，其中：

(1)两永磁电机系统电气量采集与计算，包括：

a、采用增量式/绝对式编码器采集两台电机的实际转速，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，然后令每台电机实际转速和参考转速相减得到控制电机所需的转速跟踪误差；

b、在微处理器中，令两台电机转速相减，得到控制电机所需的转速同步误差；

c、采用霍尔电流传感器采集两台电机的三相定子电流，并将采集到的实时转速信号传输至微处理器，在微处理器内将上述三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；

式中，i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2分别为两台电机的三相定子电流；i_α1、i_β1、i_α2、i_β2分别为两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；

d、采用增量式/绝对式编码器获取两台电机的转子磁场角度，并利用该角度将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量，

式中，θ₁、θ₂分别为两台电机的转子磁场角度，i_d1、i_q1、i_d2、i_q2分别为两台电机在两相旋转d-q坐标系上的定子电流分量；

e、采用霍尔电压传感器采集直流侧电压，并将采集到的直流侧电压信号传输至微处理器；

(2)前馈补偿与二自由度控制

采用两个比例积分PI控制器，分别控制同步误差和跟踪误差，其传递函数分别为H(s)和F(s)，控制系统都包括反馈信号、前馈补偿、交叉耦合控制，具体控制器结构如下：

a、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机1跟踪误差，同时把电机2实际转速ω₂也反馈至输入端，与电机1跟踪误差相减，其结果为第1信号；对于电机2，输入为参考转速ω_ref，电机2实际转速ω₂反馈至输入端，并与参考转速相减得到电机2跟踪误差，同时把电机1实际转速ω₁也反馈至输入端，与电机2跟踪误差相减，其结果为第2信号；

b、前馈补偿，对于电机1，前馈补偿器的输入为电机1实际转速ω₁，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出结果为第3信号；对于电机2，前馈补偿器的输入为电机2实际转速ω₂，补偿器的传递函数为同步误差控制器除以跟踪误差控制器，即为H(s)/F(s)，前馈补偿器的输出结果为第4信号；

c、将上述第1信号和第3信号、第2信号和第4信号分别对应作为电机1、2的跟踪误差控制器F(s)的输入，其输出即为电机1、2的参考电磁转矩T_{e1_ref}、T_{e2_ref}；

d、交叉耦合控制：两台电机实际转速相减，得到同步误差Δω_s，将其作为同步误差控制器H(s)的输入，同步误差控制器H(s)的输出分别与电机1参考电磁转矩相减，与电机2参考电磁转矩相加，然后再分别与电机1、2的负载转矩相减，再经过内环电流控制器，得到电机1、2两相旋转d-q坐标系上的参考定子电压；

e、采用空间矢量脉宽调制的方法，产生每套逆变器开关管的控制信号，分别控制两台电机转速。

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