CN109150046A - 用于感应电机pchd模型的扰动抑制控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

用于感应电机PCHD模型的扰动抑制控制系统及控制方法，通过分析感应电机的PCHD特性，设计了转矩和期望转速控制器，然后以转子电流、定子电流和转速为状态变量设计了PCHD控制器，并加入了变阻尼注入控制和L2扰动抑制控制，对感应电机的动态性能和稳态性能进行了优化。本发明有益效果：应用本系统时，实际转速能够快速达到期望值，动态性能良好；实际磁链和转矩在增加负载后，对负载扰动抑制有效，稳态性能表现良好。

Description

用于感应电机PCHD模型的扰动抑制控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及感应电机技术领域，具体地说是用于感应电机PCHD模型的扰动抑制控制系统及控制方法。

背景技术

基于感应电机PCHD模型的无源性控制是一种利用能量交换和耗散特性进行控制器设计的新方法，具有简单、易于实现和物理意义清晰明确的特点。其控制精度主要取决于U_α，U_β估算的准确性；目前国内对于感应电动机转速控制主要从动态性能和稳态性能两方面考虑。在高速跟踪中，感应电机PCHD控制由于大阻尼矩阵造成的震荡问题及实际情况中负载扰动问题等，因此负载扰动下提高感应电机PCHD模型的动静态性能的问题有待解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供用于感应电机PCHD模型的扰动抑制控制系统及控制方法，解决负载扰动下感应电机PCHD模型的动静态性能有待提高的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制系统，包括期望电流估算模块、PCHD控制器、SVPWM开关信号输出模块、逆变器、定子电流转换模块、感应电机、转速编码器、变阻尼注入模块以及L₂扰动抑制模块，定子电流转换模块输出信号、转速编码器输出信号、期望电流估算模块输出信号以及变阻尼注入模块输出信号和L₂扰动抑制模块输出信号共同作为输入与PCHD控制器连接，得到输出电压U_d、U_q，U_d、U_q经过2r/2s变换为静止坐标系下的U_α、U_β与SVPWM开关信号输出模块连接，SVPWM开关信号输出模块的信号输出端与逆变器的信号输入端连接，逆变器的信号输出端与感应电机的信号输入端连接，感应电机的信号输出端与转速编码器的信号输入端连接，其中定子电流转换模块是由感应电机端通过传感器采集来的三相定子电流，经过3s/2r转换得到的，将上述转速和期望转速进行反馈比较，其输出信号与PI控制器信号输入端连接，PI控制器与期望电流估算模块连接，在DSP中计算得期望电流值。

用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制方法，包括以下步骤：

步骤一、信号的调理：从传感器采集来的三相定子电流分量，经过滤波处理，去除干扰的毛刺信号。

步骤二、定子电流计算：将去除毛刺的定子电流在DSP中经过3s/2r转换得到，其转换公式为：

其中i_A,i_B,i_C为定子侧三相静止坐标系下的电流，i_α,i_β为定子侧二相静止坐标系下的电流，i_d,i_q为定子侧旋转坐标系下的电流，dq坐标系以ω₁的角速度旋转，为α轴与d轴夹角。

步骤三、期望定转子电流计算：根据感应电机矢量控制的转子磁场定向原理，转子磁链Ψ_r在d轴上的分量Ψ_rd渐进的等于Ψ_r0，在q轴上的分量Ψ_rq渐进等于零，即设Ψ_r0为常值，令i_rd0＝0，由上式可得期望电流的各个分量如下公式所示：

其中i_sd0，i_sq0和i_rd0，i_rq0分别为定子与转子电流在d轴和q轴上的期望电流分量，n_p为磁极对数，L_m为定子和转子绕组的等效互感，L_r为转子绕组的等效自感，T_e0＝n_pL_m(i_sq0i_rd0-i_sd0i_rq0)为电磁转矩。

步骤四、PCHD模型控制器：将电机控制系统分成两个串联的无源子系统，即电气和机械两个子系统，在保证系统的全局稳定性的情况下，可得PCHD模型控制器如下：

其中，u_sd和u_sq为定子电压在d轴和q轴上的分量；ω_r为转子角速度；ω₁为d-q坐标系旋转角速度；ω_m为机械角速度，ω_m＝ω_r/n_p，R_s和R_r分别为电动机定子和转子电阻；R_m为转矩阻尼系数；L_s和L_r分别为定子和转子绕组的等效自感；L_m为定子和转子绕组的等效互感；J_m为转子转动惯量；n_p为磁极对数；ρ为微分算子d/d_t；T_L为负载转矩；ω_m0表示期望旋转机械角速度；r_s表示待配置的阻尼参数，由步骤五计算可得；i_sd、i_sq表示步骤二中经旋转变换后定子电流在旋转坐标系下的分量；T_L0表示已知的负载转矩，即本控制为恒负载情况下的转速控制。

步骤五、利用变阻尼注入参数对感应电机的控制性能进行调整，对于感应电机转速和转矩实时控制系统，采用二阶跟踪微分器可以实现变阻尼的注入，二阶跟踪微分器为：

其中，

对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中v(t)是被跟踪信号，x₁和x₂是跟踪微分器系统的状态变量，x₁跟踪v(t)，x₂作为v(t)的“近似微分”，a为跟踪参数，其输出信号x₁(t)可控制r_s的变化，把定子电流与期望定子电流之差作为输入信号v(t)，即r_s(i_s-i_s0)为所求，则有x₁＝i_s-i_s0；式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂为接近稳态时希望加入较小的阻尼值，y为输出值，δ为启动向稳态转换时的阈值。

步骤六、L₂增益扰动抑制控制器：对于考虑负载扰动后的感应电机PCHD系统其性能评价信号z为：系统的L₂扰动抑制对象可由状态反馈方程来控制，其中为端口连接矩阵，γ为任意常数，且大于零；性能评价函数z为将评价函数代入状态反馈控制方程可得L₂增益扰动抑制控制器为

由感应电机PCHD系统方程，L₂增益扰动抑制控制器，并结合PCHD控制器方程，可得基于PCHD的感应电机L₂扰动抑制控制器为：

其中J(x)为反对称矩阵，表征电机内部的互联结构，R(x)为半正定矩阵，表示系统端口的阻尼矩阵，H(x)表示系统能量函数，p＝J_mω_m，u表示控制输入量，w表示负载扰动w＝(0 0 T_L0)^T；ψ_s表示定子磁链，ψ_s＝(ψ_sd ψ_sq)^T＝L_si_s+L_mi_r；ψ_r表示转子磁链，ψ_r＝(ψ_rd ψ_rq)^T＝L_mi_s+L_ri_r；i_s表示步骤二坐标变换后的定子电流i_s＝(i_sd i_sq)^T；i_s0表示期望电流值，i_s0＝(i_sd0 i_sq0)^T；i_r表示转子电流值，i_r＝(i_rd i_rq)^T；i_r0表示期望电流值，i_r0＝(i_rd0 i_rq0)^T；ω_r表示电机转速；ω_r0表示期望电机转速。

步骤七、将步骤二至步骤六所述各模块信号在DSP中进行A/D转换及计算。

步骤八、将步骤七所得信号输入SVPWM，输出响应的开关信号来控制逆变器中功率开关的通断。

本发明的有益效果是：本发明实现了感应电机的无源性控制，将本发明应用于感应电机变阻尼PCHD模型控制系统时，实际转速能够快速达到期望值，动态性能良好；实际磁链和转矩在增加负载后，对负载扰动抑制有效，稳态性能表现良好；本发明控制方法能有效达到感应电机高性能控制要求。

附图说明

图1为本发明扰动抑制控制系统框图；

图2为本发明控制系统控制原理图。

具体实施方式

本发明提供一种用于感应电机变阻尼PCHD模型的L2扰动抑制控制系统及方法，实现了感应电机的无源性控制，利用互联和阻尼配置(IDA-PBC,Interconnection andDamping Assignment)法，推导出互联反馈下的感应电机PCHD稳态模型，采用磁链定向的方式得出期望电流值，由状态误差方程与反馈镇定得出感应电机的PCHD控制器，变阻尼控制器采用二阶微分跟踪器，考虑负载扰动建立L2增益扰动抑制控制。

用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制系统，包括期望电流估算模块1、PCHD控制器2、SVPWM开关信号输出模块3、逆变器4、定子电流转换模块5、感应电机6、转速编码器7、变阻尼注入模块8以及L₂扰动抑制模块9，定子电流转换模块5输出信号、转速编码器7输出信号、期望电流估算模块1输出信号以及变阻尼注入模块8输出信号和L₂扰动抑制模块9输出信号共同作为输入与PCHD控制器2连接，得到输出电压U_d、U_q，U_d、U_q经过2r/2s变换为静止坐标系下的U_α、U_β与SVPWM开关信号输出模块3连接，SVPWM开关信号输出模块3的信号输出端与逆变器4的信号输入端连接，逆变器4的信号输出端与感应电机6的信号输入端连接，感应电机6的信号输出端与转速编码器7的信号输入端连接，其中定子电流转换模块是由感应电机端通过传感器采集来的三相定子电流，经过3s/2r转换得到的，将上述转速和期望转速进行反馈比较，其输出信号与PI控制器信号输入端连接，PI控制器与期望电流估算模块1连接，在DSP中计算得期望电流值。

用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制方法，包括以下步骤：

步骤一、信号的调理：从传感器采集来的三相定子电流分量，经过滤波处理，去除干扰的毛刺信号。

步骤二、定子电流计算：将去除毛刺的定子电流在DSP中经过3s/2r转换得到，其转换公式为：

其中i_A,i_B,i_C为定子侧三相静止坐标系下的电流，i_α,i_β为定子侧二相静止坐标系下的电流，i_d,i_q为定子侧旋转坐标系下的电流，dq坐标系以ω₁的角速度旋转，为α轴与d轴夹角。

步骤三、期望定转子电流计算：根据感应电机矢量控制的转子磁场定向原理，转子磁链Ψ_r在d轴上的分量Ψ_rd渐进的等于Ψ_r0，在q轴上的分量Ψ_rq渐进等于零，即设Ψ_r0为常值，令i_rd0＝0，由上式可得期望电流的各个分量如下公式所示：

其中i_sd0，i_sq0和i_rd0，i_rq0分别为定子与转子电流在d轴和q轴上的期望电流分量，n_p为磁极对数，L_m为定子和转子绕组的等效互感，L_r为转子绕组的等效自感，T_e0＝n_pL_m(i_sq0i_rd0-i_sd0i_rq0)为电磁转矩。

步骤四、PCHD模型控制器：将电机控制系统分成两个串联的无源子系统，即电气和机械两个子系统，在保证系统的全局稳定性的情况下，可得PCHD模型控制器如下：

其中，u_sd和u_sq为定子电压在d轴和q轴上的分量；ω_r为转子角速度；ω₁为d-q坐标系旋转角速度；ω_m为机械角速度，ω_m＝ω_r/n_p，R_s和R_r分别为电动机定子和转子电阻；R_m为转矩阻尼系数；L_s和L_r分别为定子和转子绕组的等效自感；L_m为定子和转子绕组的等效互感；J_m为转子转动惯量；n_p为磁极对数；ρ为微分算子d/d_t；T_L为负载转矩；ω_m0表示期望旋转机械角速度；r_s表示待配置的阻尼参数，由步骤五计算可得；i_sd、i_sq表示步骤二中经旋转变换后定子电流在旋转坐标系下的分量；T_L0表示已知的负载转矩，即本控制为恒负载情况下的转速控制。

步骤五、变阻尼注入控制对于交流调速系统可以获得更好动态性能，利用变阻尼注入参数可以对电动机的控制性能进行调整，对于感应电机转速和转矩实时控制系统，采用二阶跟踪微分器可以实现变阻尼的注入，二阶跟踪微分器为：

其中，

对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中v(t)是被跟踪信号，x₁和x₂是跟踪微分器系统的状态变量，x₁跟踪v(t)，x₂作为v(t)的“近似微分”，a为跟踪参数，其输出信号x₁(t)可控制r_s的变化，把定子电流与期望定子电流之差作为输入信号v(t)，即r_s(i_s-i_s0)为所求，则有x₁＝i_s-i_s0；式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂为接近稳态时希望加入较小的阻尼值，y为输出值，δ为启动向稳态转换时的阈值。

步骤六、L₂增益扰动抑制控制器：对于考虑负载扰动后的感应电机PCHD系统其性能评价信号z为：系统的L₂扰动抑制对象可由状态反馈方程来控制，其中为端口连接矩阵，γ为任意常数，且大于零；性能评价函数z为将评价函数代入状态反馈控制方程可得L₂增益扰动抑制控制器为

由感应电机PCHD系统方程，L₂增益扰动抑制控制器，并结合PCHD控制器方程，可得基于PCHD的感应电机L₂扰动抑制控制器为：

其中J(x)为反对称矩阵，表征电机内部的互联结构，R(x)为半正定矩阵，表示系统端口的阻尼矩阵，H(x)表示系统能量函数，p＝J_mω_m，u表示控制输入量，w表示负载扰动w＝(0 0 T_L0)^T；ψ_s表示定子磁链，ψ_s＝(ψ_sd ψ_sq)^T＝L_si_s+L_mi_r；ψ_r表示转子磁链，ψ_r＝(ψ_rd ψ_rq)^T＝L_mi_s+L_ri_r；i_s表示步骤二坐标变换后的定子电流i_s＝(i_sd i_sq)^T；i_s0表示期望电流值，i_s0＝(i_sd0 i_sq0)^T；i_r表示转子电流值，i_r＝(i_rd i_rq)^T；i_r0表示期望电流值，i_r0＝(i_rd0 i_rq0)^T；ω_r表示电机转速；ω_r0表示期望电机转速。

步骤七、将步骤二至步骤六所述各模块信号在DSP中进行A/D转换及计算。

步骤八、将步骤七所得信号输入SVPWM，输出响应的开关信号来控制逆变器中功率开关的通断。

所述的感应电机PCHD控制器包括PCHD控制器模块、2r/2s变换模块和旋转角速度计算模块。感应电机的转速信号输出端与期望转速信号输出端经过反馈比较，其输出信号与PI控制器信号输入端连接。PI控制器与期望定转子电流模块相连接，计算所得期望电流值输入感应电机PCHD控制器模块。

所述的变阻尼注入模块采用二阶跟踪微分器的方式进行实现。希望在启动开始时加入较大阻尼，接近稳态时加入较小阻尼。其过程为将定子电流作为输入信号，根据控制策略经过两次微分与输入信号进行比较，由变阻尼系数决定输出的定子电流值，达到变阻尼注入的目的。

所述的L₂扰动抑制模块由系统的性能评价函数决定L₂性能指标，对于系统的L₂扰动抑制对象可由状态反馈控制法来实现。

Claims (2)

1.用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制系统，其特征在于：包括期望电流估算模块(1)、PCHD控制器(2)、SVPWM开关信号输出模块(3)、逆变器(4)、定子电流转换模块(5)、感应电机(6)、转速编码器(7)、变阻尼注入模块(8)以及L₂扰动抑制模块(9)，定子电流转换模块(5)输出信号、转速编码器(7)输出信号、期望电流估算模块(1)输出信号以及变阻尼注入模块(8)输出信号和L₂扰动抑制模块(9)输出信号共同作为输入与PCHD控制器(2)连接，得到输出电压U_d、U_q，U_d、U_q经过2r/2s变换为静止坐标系下的U_α、U_β与SVPWM开关信号输出模块(3)连接，SVPWM开关信号输出模块(3)的信号输出端与逆变器(4)的信号输入端连接，逆变器(4)的信号输出端与感应电机(6)的信号输入端连接，感应电机(6)的信号输出端与转速编码器(7)的信号输入端连接，其中定子电流转换模块是由感应电机端通过传感器采集来的三相定子电流，经过3s/2r转换得到的，将上述转速和期望转速进行反馈比较，其输出信号与PI控制器信号输入端连接，PI控制器与期望电流估算模块(1)连接，在DSP中计算得期望电流值。

2.用于感应电机变阻尼PCHD模型的扰动抑制控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、信号的调理：从传感器采集来的三相定子电流分量，经过滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

步骤二、定子电流计算：将去除毛刺的定子电流在DSP中经过3s/2r转换得到，其转换公式为：

其中i_A,i_B,i_C为定子侧三相静止坐标系下的电流，i_α,i_β为定子侧二相静止坐标系下的电流，i_d,i_q为定子侧旋转坐标系下的电流，dq坐标系以ω₁的角速度旋转，为α轴与d轴夹角；

步骤三、期望定转子电流计算：根据感应电机矢量控制的转子磁场定向原理，转子磁链Ψ_r在d轴上的分量Ψ_rd渐进的等于Ψ_r0，在q轴上的分量Ψ_rq渐进等于零，即设Ψ_r0为常值，令i_rd0＝0，由上式可得期望电流的各个分量如下公式所示：

其中i_sd0，i_sq0和i_rd0，i_rq0分别为定子与转子电流在d轴和q轴上的期望电流分量，n_p为磁极对数，L_m为定子和转子绕组的等效互感，L_r为转子绕组的等效自感，T_e0＝n_pL_m(i_sq0i_rd0-i_sd0i_rq0)为电磁转矩；

步骤四、PCHD模型控制器：将电机控制系统分成两个串联的无源子系统，即电气和机械两个子系统，在保证系统的全局稳定性的情况下，可得PCHD模型控制器如下：

其中，u_sd和u_sq为定子电压在d轴和q轴上的分量；ω_r为转子角速度；ω₁为d-q坐标系旋转角速度；ω_m为机械角速度，ω_m＝ω_r/n_p，R_s和R_r分别为电动机定子和转子电阻；R_m为转矩阻尼系数；L_s和L_r分别为定子和转子绕组的等效自感；L_m为定子和转子绕组的等效互感；J_m为转子转动惯量；n_p为磁极对数；ρ为微分算子d/d_t；T_L为负载转矩；ω_m0表示期望旋转机械角速度；r_s表示待配置的阻尼参数，由步骤五计算可得；i_sd、i_sq表示步骤二中经旋转变换后定子电流在旋转坐标系下的分量；T_L0表示已知的负载转矩，即本控制为恒负载情况下的转速控

制；

步骤五、利用变阻尼注入参数对感应电机的控制性能进行调整，对于感应电机转速和转矩实时控制系统，采用二阶跟踪微分器可以实现变阻尼的注入，二阶跟踪微分器为：

其中，

对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中v(t)是被跟踪信号，x₁和x₂是跟踪微分器系统的状态变量，x₁跟踪v(t)，x₂作为v(t)的“近似微分”，a为跟踪参数，其输出信号x₁(t)可控制r_s的变化，把定子电流与期望定子电流之差作为输入信号v(t)，即r_s(i_s-i_s0)为所求，则有x₁＝i_s-i_s0；式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂为接近稳态时希望加入较小的阻尼值，y为输出值，δ为启动向稳态转换时的阈值；

步骤六、L₂增益扰动抑制控制器：对于考虑负载扰动后的感应电机PCHD系统其性能评价信号z为：系统的L₂扰动抑制对象可由状态反馈方程来控制，其中为端口连接矩阵，γ为任意常数，且大于零；性能评价函数z为将评价函数代入状态反馈控制方程可得L₂增益扰动抑制控制器为

由感应电机PCHD系统方程，L₂增益扰动抑制控制器，并结合PCHD控制器方程，可得基于PCHD的感应电机L₂扰动抑制控制器为：

其中J(x)为反对称矩阵，表征电机内部的互联结构，R(x)为半正定矩阵，表示系统端口的阻尼矩阵，H(x)表示系统能量函数，p＝J_mω_m，u表示控制输入量，w表示负载扰动w＝(0 0 T_L0)^T；ψ_s表示定子磁链，ψ_s＝(ψ_sd ψ_sq)^T＝L_si_s+L_mi_r；ψ_r表示转子磁链，ψ_r＝(ψ_rd ψ_rq)^T＝L_mi_s+L_ri_r；i_s表示步骤二坐标变换后的定子电流i_s＝(i_sd i_sq)^T；i_s0表示期望电流值，i_s0＝(i_sd0 i_sq0)^T；i_r表示转子电流值，i_r＝(i_rd i_rq)^T；i_r0表示期望电流值，i_r0＝(i_rd0 i_rq0)^T；ω_r表示电机转速；ω_r0表示期望电机转速；

步骤七、将步骤二至步骤六所述各模块信号在DSP中进行A/D转换及计算；

步骤八、将步骤七所得信号输入SVPWM，输出响应的开关信号来控制逆变器中功率开关的通断。