CN109245643B - 船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，包括以下步骤：首先建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型，根据数学模型设计积分滑模面，再根据积分滑模面设计基于积分滑模的速度控制器；然后对设计广义比例积分观测器对干扰进行估计，用于干扰补偿；最后建立复合积分滑模速度控制器，将永磁调速高压三相异步电动机输出的信号分成两路，记为：第一路信号和第二路信号；将经过频域抗干扰处理后的第一路信号和第二路信号分别进行傅立叶逆变换后做重叠处理后，重叠处理后的信号即为经过频域抗干扰处理后的输出数据；再进行加权处理，即完成抗干扰处理。本发明提高了抗干扰性和稳定性。

Description

船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法。

背景技术

随着航空航天、医疗器件、机器人技术、制造业等发展，越来越多的领域对精度的要求越来越高。而永磁调速高压三相异步电动机具有结构简单、体积小、质量低、功率密度高、寿命长等优点而被广泛应用于各个领域。但是实际控制系统中存在各种干扰，例如系统参数变化、负载突变、未建模动态、摩擦等干、信号采集误差等干扰。

为了抑制干扰，提高对电机速度的控制精度，专家们相续提出了各种抗干扰控制算法。其中滑模控制也是研究的热点之一。传统的滑模控制虽然具有结构简单、响应速度快、具有较强的鲁棒性等优点，但是存在一定的稳态误差；对速度的进行微分的过程会引入高频扰动，不利于对电机速度的高精度的控制，并且传统滑模控制中对负载或者干扰进行观测时因受电机参数的变化而具有较大的观测误差，进而降低了对速度的控制精度。因此为了对永磁调速高压三相异步电动机速度的精准控制，研究抗干扰控制技术非常重要。

时域和频域滤波对宽带干扰的抑制效果很差；空域抗干扰技术可以有效地抑制宽带干扰，空时抗干扰技术比单纯的空域抗干扰技术具有更高的自由度，但是其算法复杂，不易工程实现。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高控制精确度、提高稳定性的永磁调速高压三相异步电动机的抗干扰控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其包括以下步骤：首先建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型，所述船用变频调速三相异步电动机包括机座(8)、定子装配(9)、转子装配(10)、接线盒装配(7)、带有盐雾过滤器(17)的风机(18)、后端盖(1)、前端盖(11)和出风罩装配(19)；定子装配(9)包括定子铁心和定子绕组，转子装配(10)包括转轴、转子铁心、转子导条和端环；机座(8)采用全钢板焊接结构，筒体部位采用钢板卷制焊接而成并搭配纵筋组成的框架式结构，机座筒体两侧设有矩形通风孔；机座(8)前端侧面设置有风机安装座，顶部设置有接线盒安装座；机座两端分别固定有前端盖(11)、后端盖(1)，前端盖(11)、后端盖(1)分别经前轴承(13)、后轴承(3)支撑在转轴上，前端盖(11)上分别固定有前内轴承盖(12)、前外轴承盖(16)、前内封环(14)、前外内封(15)，后端盖(1)上分别固定有后内轴承盖(6)、后外轴承盖(2)、后外封环(4)、后内封环(5)，轴承室密封采用沟槽密封结构，同时设置加油油路和泄油油路，并配置加油嘴和溢油嘴，加油嘴和溢油嘴布置在前外轴承盖(16)、后外轴承盖(2)上，加油嘴通过油管引出电机；转子装配(10)上装有转子压板并热套在转轴上，转轴上热套有转子铁心，转子铁心上还留有轴向通风孔；电机前端顶部安装有风机(18)强制通风冷却，进风口装有盐雾过滤器(17)，吸入的冷风经转子通风孔、定子装配(10)和机座筒体内壁之间的间隙、定、转子之间气隙，并通过机座(8)侧面的通风孔，到达出风罩装配(19)，并由此吹出，机座上接线盒安装座安装防盐雾材质接线盒装配(7)；

根据数学模型设计积分滑模面，再根据积分滑模面设计基于积分滑模的速度控制器；然后对船用变频调速三相异步电动机系统设计广义比例积分观测器对干扰进行估计，用于干扰补偿；最后根据基于积分滑模的速度控制器和干扰估计值，建立复合积分滑模速度控制器，将船用变频调速三相异步电动机输出的信号分成两路，记为：第一路信号和第二路信号；将第一路信号依次经过加窗处理、1/2延迟处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理处理；将第二路信号依次经过1/2延迟处理、加窗处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理处理；将经过频域抗干扰处理后的第一路信号和第二路信号分别进行傅立叶逆变换后做重叠处理后，重叠处理后的信号即为经过频域抗干扰处理后的输出数据；将多个每个天线阵元输出的经过频域抗干扰处理后的输出数据分别输入到对应的空域滤波器中，再将各个空域滤波器输出的数据进行加权处理，即完成抗干扰处理；所述建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型的数学模型具体包括：建立电压电流数学模型

ia为等效的三相电机a相电流的瞬时值，i_a1为双三相绕组a₁相电流；转子侧双三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为R_r1、L_lr1和L_mr1；等效三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为R_r、L_lr和L_mr；

建立电磁转矩和运动方程

T_e＝n_pL_m(i_sβi_rα-i_sαi_rβ)

L_s、L_r和L_m分别为定子、转子同轴等效两相静止绕组的自感和互感：ω为电子转子的角速度，J为转动惯量，p为微分算子，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩。

进一步的，所述基于积分滑模的控制器的设计，具体步骤如下：

定义误差e(t)＝ω-ω_r，则积分滑模面设计为：

，相对应的控制律设计为：

其中，ω_r为给定转速，k₁为滑模面相关系数，k为控制律相关系数，

为ω_r的导数，b为控制律系数，b＝K_t/J，sign(s)为标准符号函数，k，k₁需满足k＞0，k₁＞0。

进一步的，所述对系统中的不可测干扰设计广义比例积分观测器，具体步骤如下：

由电机的运动方程(2)，对其设计广义比例积分：

其中，λ₁，…，λ_m+1为观测器系数，m为整数，且λ需满足

p(s)＝s^m+1+λ_m+1s^m+λ_ms^m-1+…+λ₂s+λ₁根全部落在复平面的左半平面，

为ω的估计值，d^(j-1)为d的j-1阶导数，d_j＝d^(j-1)，

为d₁，…d_m的干扰估计。

进一步的，所述复合积分滑模速度控制器由滑模控制律和干扰估计值组成；

根据滑模控制律(4)和广义比例积分观测器(5)得复合积分滑模控制器为：

其中，

为干扰d的估计值，k需满足k＞k_ed，k_ed＝|d(t)-d₁(t)|。

进一步的，所述的加窗处理采用hamming窗。

进一步的，所述的频域抗干扰处理采用门限检测法。

进一步的，所述门限检测法采用一阶距法，一阶距法的具体过程如下：

设每次处理的数据的长度为M，那么每次傅立叶变换后会得到M根谱线，设其幅值为a(i)，其中，i＝1,2,…,M，那么干扰检测门限计算公式为

其中，λ是预先设置的门限优化因子。

本发明的有益效果

本发明中积分滑模控制能够保证滑模面的连续性，减小抖震问题。比例积分观测器能够有限时间对干扰进行估计，并进行补偿，是一种主动控制方法。复合控制器对干扰及系统参数变化不敏感，响应速度快，能够在有限时间内跟踪给定速度ω_r，有效减小稳态误差，并且能够抑制各种时变干扰，具有很好的鲁棒性能。在普通积分滑模的基础上，通过比例积分感测器来估计干扰，并对干扰补偿，与普通积分滑模控制相比对永磁同步电机调速系统抗干扰能力更强，对速度调节精度更高。处理后的信号先经过频域抗干扰处理后，再将处理后的信号经过空域抗干扰处理。频域抗干扰处理能够抑制强窄带干扰，再经过空域抗干扰处理后，能够将进入接收机的宽带干扰信号的滤除。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法框图；

图2是本发明提供优选实施例船用变频调速三相异步电动机的机械结构图。

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示为一种船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其包括以下步骤：首先建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型，如图2所示，所述船用变频调速三相异步电动机包括机座8、定子装配9、转子装配10、接线盒装配7、带有盐雾过滤器17的风机18、后端盖1、前端盖11和出风罩装配19；定子装配9包括定子铁心和定子绕组，转子装配10包括转轴、转子铁心、转子导条和端环；机座8采用全钢板焊接结构，筒体部位采用钢板卷制焊接而成并搭配纵筋组成的框架式结构，机座筒体两侧设有矩形通风孔；机座8前端侧面设置有风机安装座，顶部设置有接线盒安装座；机座两端分别固定有前端盖11、后端盖1，前端盖11、后端盖1分别经前轴承13、后轴承3支撑在转轴上，前端盖11上分别固定有前内轴承盖12、前外轴承盖16、前内封环14、前外内封15，后端盖1上分别固定有后内轴承盖6、后外轴承盖2、后外封环4、后内封环5，轴承室密封采用沟槽密封结构，同时设置加油油路和泄油油路，并配置加油嘴和溢油嘴，加油嘴和溢油嘴布置在前外轴承盖16、后外轴承盖2上，加油嘴通过油管引出电机；转子装配10上装有转子压板并热套在转轴上，转轴上热套有转子铁心，转子铁心上还留有轴向通风孔；电机前端顶部安装有风机18强制通风冷却，进风口装有盐雾过滤器17，吸入的冷风经转子通风孔、定子装配10和机座筒体内壁之间的间隙、定、转子之间气隙，并通过机座8侧面的通风孔，到达出风罩装配19，并由此吹出，机座上接线盒安装座安装防盐雾材质接线盒装配7；

根据数学模型设计积分滑模面，再根据积分滑模面设计基于积分滑模的速度控制器；然后对船用变频调速三相异步电动机系统设计广义比例积分观测器对干扰进行估计，用于干扰补偿；最后根据基于积分滑模的速度控制器和干扰估计值，建立复合积分滑模速度控制器，将船用变频调速三相异步电动机输出的信号分成两路，记为：第一路信号和第二路信号；将第一路信号依次经过加窗处理、1/2延迟处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理处理；将第二路信号依次经过1/2延迟处理、加窗处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理处理；将经过频域抗干扰处理后的第一路信号和第二路信号分别进行傅立叶逆变换后做重叠处理后，重叠处理后的信号即为经过频域抗干扰处理后的输出数据；将多个每个天线阵元输出的经过频域抗干扰处理后的输出数据分别输入到对应的空域滤波器中，再将各个空域滤波器输出的数据进行加权处理，即完成抗干扰处理；所述建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型的数学模型具体包括：建立电压电流数学模型

i_a为等效的三相电机a相电流的瞬时值，ia1为双三相绕组a1相电流；转子侧双三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为R_r1、L_lr1和L_mr1；等效三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为R_r、L_lr和L_mr；

建立电磁转矩和运动方程

T_e＝n_pL_m(i_sβi_rα-i_sαi_rβ)

L_s、L_r和L_m分别为定子、转子同轴等效两相静止绕组的自感和互感：ω为电子转子的角速度，J为转动惯量，p为微分算子，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩。

优选的，所述基于积分滑模的控制器的设计，具体步骤如下：

定义误差e(t)＝ω-ω_r，则积分滑模面设计为：

，相对应的控制律设计为：

其中，ω_r为给定转速，k₁为滑模面相关系数，k为控制律相关系数，

为ω_r的导数，b为控制律系数，b＝K_t/J，sign(s)为标准符号函数，k，k₁需满足k＞0，k₁＞0。

优选的，所述对系统中的不可测干扰设计广义比例积分观测器，具体步骤如下：

由电机的运动方程(2)，对其设计广义比例积分：

其中，λ₁,…,λ_m+1为观测器系数，m为整数，且λ需满足

p(s)＝s^m+1+λ_m+1s^m+λ_ms^m-1+…+λ₂s+λ₁根全部落在复平面的左半平面，

为ω的估计值，d^(j-1)为d的j-1阶导数，d_j＝d^(j-1)，

为d₁,…d_m的干扰估计。

优选的，所述复合积分滑模速度控制器由滑模控制律和干扰估计值组成；

根据滑模控制律(4)和广义比例积分观测器(5)得复合积分滑模控制器为：

其中，

为干扰d的估计值，k需满足k＞k_ed，k_ed＝|d(t)-d₁(t)|。

优选的，所述的加窗处理采用hamming窗。

优选的，所述的频域抗干扰处理采用门限检测法。

优选的，所述门限检测法采用一阶距法，一阶距法的具体过程如下：

设每次处理的数据的长度为M，那么每次傅立叶变换后会得到M根谱线，设其幅值为a(i)，其中，i＝1,2,…,M，那么干扰检测门限计算公式为

其中，λ是预先设置的门限优化因子。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其特征在于，所述船用变频调速三相异步电动机包括机座、定子装配、转子装配、接线盒装配、带有盐雾过滤器的风机、后端盖、前端盖和出风罩装配；定子装配包括定子铁心和定子绕组，转子装配包括转轴、转子铁心、转子导条和端环；机座采用全钢板焊接结构，筒体部位采用钢板卷制焊接而成并搭配纵筋组成的框架式结构，机座筒体两侧设有矩形通风孔；机座前端侧面设置有风机安装座，顶部设置有接线盒安装座；机座两端分别固定有前端盖、后端盖，前端盖、后端盖分别经前轴承、后轴承支撑在转轴上，前端盖上分别固定有前内轴承盖、前外轴承盖、前内封环、前外内封，后端盖上分别固定有后内轴承盖、后外轴承盖、后外封环、后内封环，轴承室密封采用沟槽密封结构，同时设置加油油路和泄油油路，并配置加油嘴和溢油嘴，加油嘴和溢油嘴布置在前外轴承盖、后外轴承盖上，加油嘴通过油管引出电机；转子装配上装有转子压板并热套在转轴上，转轴上热套有转子铁心，转子铁心上还留有轴向通风孔；电机前端顶部安装有风机强制通风冷却，进风口装有盐雾过滤器，吸入的冷风经转子通风孔、定子装配和机座筒体内壁之间的间隙、定、转子之间气隙，并通过机座侧面的通风孔，到达出风罩装配，并由此吹出，机座上接线盒安装座安装防盐雾材质接线盒装配；

所述控制方法用于提高控制精确度、提高稳定性的永磁调速高压三相异步电动机，包括以下步骤：首先建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型，根据数学模型设计积分滑模面，再根据积分滑模面设计基于积分滑模的速度控制器；然后对船用变频调速三相异步电动机系统设计广义比例积分观测器对干扰进行估计，用于干扰补偿；最后根据基于积分滑模的速度控制器和干扰估计值，建立复合积分滑模速度控制器，将船用变频调速三相异步电动机输出的信号分成两路，记为：第一路信号和第二路信号；将第一路信号依次经过加窗处理、1/2延迟处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理；将第二路信号依次经过1/2延迟处理、加窗处理和傅立叶变换后进行频域抗干扰处理；将经过频域抗干扰处理后的第一路信号和第二路信号分别进行傅立叶逆变换后做重叠处理后，重叠处理后的信号即为经过频域抗干扰处理后的输出数据；将多个每个天线阵元输出的经过频域抗干扰处理后的输出数据分别输入到对应的空域滤波器中，再将各个空域滤波器输出的数据进行加权处理，即完成抗干扰处理；所述建立船用变频调速三相异步电动机的数学模型具体包括：建立电压电流数学模型

ia为等效的三相电机a相电流的瞬时值，ia1为双三相绕组a1相电流；转子侧双三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为Rr1、Llr1和Lmr1；等效三相绕组的每相电阻、漏感及互感最大值分别为Rr、Llr和Lmr；

建立电磁转矩和运动方程

T_e＝n_pL_m(i_sβi_rα-i_sαi_rβ)

L_s、L_r和L_m分别为定子、转子同轴等效两相静止绕组的自感和互感：ω为电子转子的角速度，J为转动惯量，p为微分算子，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩；

所述复合积分滑模速度控制器由滑模控制律和干扰估计值组成；

根据滑模控制律和广义比例积分观测器得复合积分滑模控制器为：

其中，

为干扰d的估计值，k需满足k＞k_ed，k_ed＝|d(t)-d₁(t)|；

所述基于积分滑模的控制器的设计，具体步骤如下：

定义误差e(t)＝ω-ω_r，则积分滑模面设计为：

,

相对应的控制律设计为：

其中，ω_r为给定转速，k₁为滑模面相关系数，k为控制律相关系数，

为ω_r的导数，b为控制律系数，b＝K_t/J，sign(s)为标准符号函数，k,k₁需满足k＞0，k₁＞0；设计广义比例积分观测器的具体步骤如下：由电机的运动方程，对其设计广义比例积分：

其中，λ₁,…,λ_m+1为观测器系数，m为整数，且λ需满足p(s)＝s^m+1+λ_m+1s^m+λ_ms^m-1+…+λ₂s+λ₁根全部落在复平面的左半平面，

为ω的估计值，d^(j-1)为d的j-1阶导数，d_j＝d^(j-1)，

为d₁,…d_m的干扰估计。

2.根据权利要求1所述的船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其特征在于，所述的加窗处理采用hamming窗。

3.根据权利要求2所述的船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其特征在于，所述的频域抗干扰处理采用门限检测法。

4.根据权利要求3所述的船用变频调速三相异步电动机的抗干扰控制方法，其特征在于，所述门限检测法采用一阶距法，一阶距法的具体过程如下：

设每次处理的数据的长度为M，那么每次傅立叶变换后会得到M根谱线，设其幅值为a(i)，其中，i＝1,2,…,M，那么干扰检测门限计算公式为：

其中，λ是预先设置的门限优化因子。

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