CN110034711A - 一种双凸极永磁同步电机的控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种双凸极永磁同步电机的控制系统,电流检测器采集双凸极永磁同步电机的电流信号,转速测量器采集双凸极永磁同步电机的实际转速,微处理器比较、计算、处理电流信号给定值和反馈值,通过迭代学习来输出补偿后的理想电压信号给逆变器,控制逆变器输出三相电压给双凸极永磁同步电机的电源端,从而减小电机转矩脉动。本发明使双凸极永磁同步电机得到了更小的转矩脉动,提高了系统的控制精度,简化了电流控制器的调试结构和步骤,缩短了试验周期,提高了试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种双凸极永磁同步电机的控制系统。
背景技术
新型高磁能积的永磁材料研制成功,使永磁材料的性能不断提高,双凸极永磁同步电机(DSPM)受到了越来越多的专家和学者的重视。双凸极永磁同步电机是在开关磁阻电机和永磁电机的基础上发展起来的,同时吸收了两种电机的优势,降低了诸如驱动控制复杂、成本昂贵、利用率低、噪声大等问题,具有功率密度高、成本低出功大等优点,作为船舶推进电机,可为船舶提供强劲的动力、节省机舱空间、降低造船成本。双凸极永磁同步电机的缺点也很明显,那就是转矩脉动比较大,而目前现有的电机控制算法并不能理想地满足减小转矩脉动、转速脉动的要求。
发明内容
本发明提供一种双凸极永磁同步电机的控制系统,使双凸极永磁同步电机得到了更小的转矩脉动,提高了系统的控制精度,简化了电流控制器的调试结构和步骤,缩短了试验周期,提高了试验效率。
为了达到上述目的,本发明提供一种双凸极永磁同步电机的控制系统,包含:
电流检测器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的电流信号;
转速测量器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的实际转速;
微处理器,其输入端连接电流检测器和转速测量器,其输出端连接逆变器,该微处理器用于比较、计算、处理电流信号给定值和反馈值,通过迭代学习来输出补偿后的理想电压信号给逆变器,从而减小电机转矩脉动;
逆变器,其输入端连接微处理器,其输出端连接双凸极永磁同步电机,用于在微处理器输出的信号控制下输出三相电压给双凸极永磁同步电机的电源端。
所述的微处理器包含:
转速加减计算器,其输入端分别输入给定转速参考值nref和转速测量器输出的电机实际转速n,其输出端输出转速偏差量Δn;
转速调节器,其输入端连接转速加减计算器的输出端,其输出端输出电流参考值横轴分量iqref;
Park变换模块,其输入端连接电流检测器,将电流检测器输出的电流信号iabc通过坐标变换为id和iq输出;
电流调节器,其输入端连接转速调节器的输出端和Park变换模块的输出端,通过迭代学习输出补偿后的电压Ud和Uq;
anti-Park变换模块,其输入端连接电流调节器的输出端,将Ud和Uq通过坐标变换为Uα和Uβ输出;
SVPWM发生器,其输入端连接anti-Park变换模块的输出端,其输出端连接逆变器的输入端,该SVPWM发生器不断产生开关控制信号,用于驱动逆变器中的功率开关器件的开通与关断,将直流电压源逆变为三相正弦对称电压源,给双凸极永磁同步电机供电。
电流调节器输出的补偿后的电压Udq的计算公式为:Udq=udq+Δui+1(t);
其中,udq是传统PI电流控制器的输出电压,Δui+1(t)=(1-α)Δui(t)+G1ei(t)+G2ei+1(t),其中Δui+1(t)为当前这一拍的电压补偿量,ui(t)为上一拍的电压补偿量,α为遗忘因子,ei+1(t)是当前这一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,ei(t)是上一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,G1是开环学习律常数,G2是闭环学习律常数。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:温度传感器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的定子和转子的温度。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:散热器,其连接双凸极永磁同步电机,用于根据温度传感器的测量值来调节散热器风速,降低双凸极永磁同步电机在大负载试验下的定子和转子的温度。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:负载,其连接双凸极永磁同步电机,用于设置双凸极永磁同步电机的负载转矩。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:给定转速设定模块,其连接双凸极永磁同步电机,用于设置双凸极永磁同步电机的给定转速参考值。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:调试平台控制显示器,其连接微处理器,并通过散热器、负载、给定转速设定模块连接双凸极永磁同步电机。
所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:人机交互接口,其连接调试平台控制显示器,用于开启散热器并设置其风速、设置负载的转矩大小和设置给定转速的参考值。
本发明通过迭代学习智能控制算法得到理想的控制电压,使双凸极永磁同步电机得到了更小的转矩脉动,提高了系统的控制精度,简化了电流控制器的调试结构和步骤,缩短了试验周期,提高了试验效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种双凸极永磁同步电机的控制系统的电路框图。
图2是图1中微控制器的电路框图。
图3是图2中电流调节器的工作原理图。
具体实施方式
以下根据图1~图3,具体说明本发明的较佳实施例。
本发明以现有的传统PI调试平台结构为基础,针对电机转矩特性的要求,开发基于迭代学习控制的调试平台,以满足降低双凸极永磁同步电机转矩脉动的要求,通过调试得到理想的电机电气特性,尤其适用于减小64/48极双凸极永磁同步电机的转矩脉动。
如图1所示,本发明提供一种双凸极永磁同步电机的控制系统,包含:
电流检测器3,其连接双凸极永磁同步电机2,用于采集双凸极永磁同步电机2的电流信号;
转速测量器4,其连接双凸极永磁同步电机2,用于采集双凸极永磁同步电机2的实际转速;
温度传感器5,其连接双凸极永磁同步电机2和调试平台控制显示器10,用于采集双凸极永磁同步电机2的定子和转子的温度;
散热器6,其分别连接双凸极永磁同步电机2和调试平台控制显示器10,根据温度传感器5调节散热器风速,用于降低双凸极永磁同步电机2在大负载试验下的定子和转子的温度;
负载7,其分别连接双凸极永磁同步电机2和调试平台控制显示器10,用于设置双凸极永磁同步电机2的负载转矩;
给定转速设定模块8,其分别连接双凸极永磁同步电机2和调试平台控制显示器10,用于设置双凸极永磁同步电机2的给定转速参考值;
微处理器9,其输入端连接电流检测器3和转速测量器4,其输出端连接逆变器1,该微处理器9用于比较、计算、处理电流信号给定值和反馈值,通过迭代学习来输出补偿后的理想电压信号给逆变器1,从而减小电机转矩脉动;
逆变器1,其输入端连接微处理器9,其输出端连接双凸极永磁同步电机2,用于在微处理器9输出的信号控制下输出三相电压给双凸极永磁同步电机2的电源端;
调试平台控制显示器10,其连接微处理器9,并通过散热器6、负载7、给定转速设定模块8连接双凸极永磁同步电机2;
人机交互接口11,其连接调试平台控制显示器10,用于开启散热器6并设置其风速、设置负载7的转矩大小和设置给定转速的参考值。
如图2所示,所述的微处理器9包含:
转速加减计算器801,其输入端分别输入给定转速设定模块6设定的参考值nref和转速测量器4输出的电机实际转速n,其输出端输出转速偏差量Δn;
转速调节器802,其输入端连接转速加减计算器801的输出端,其输出端输出电流参考值横轴分量iqref;
Park变换模块803,其输入端连接电流检测器3,将电流检测器输出的电流信号iabc通过坐标变换为id和iq输出;其中,Park变换是指将自然坐标系下的abc相变量系统各电磁量(电流、电压、磁链等)转换到以转子纵轴d、横轴q及静止轴0为坐标轴的同步旋转坐标系下的dqo轴变量系统;
电流调节器804,其输入端连接转速调节器802的输出端、电流参考值纵轴分量idref(idref设置为固定值0)和Park变换模块803的输出端,通过迭代学习输出补偿后的电压Ud和Uq;
anti-Park变换模块805,其输入端连接电流调节器804的输出端,将Ud和Uq通过坐标变换为Uα和Uβ输出,其中,anti-Park变换是指将dq相变量系统各电磁量(电流、电压、磁链等)转换到以a相为α轴、逆时针90o为β轴及静止轴0为坐标轴的静止坐标系下的αβo轴变量系统;
SVPWM(基于电压空间矢量合成的脉冲宽度调制信号)发生器806,其输入端连接anti-Park变换模块805的输出端,其输出端连接逆变器1的输入端,该SVPWM发生器806不断产生开关控制信号,用于驱动逆变器1中的六个功率开关器件的开通与关断,目的是将直流电压源逆变为三相正弦对称电压源,给双凸极永磁同步电机2供电。
电流调节器804输出的补偿后的电压Udq的计算公式为:Udq=udq+Δui+1(t);其中,udq是传统PI电流控制器输出电压,Δui+1(t)=(1-α)Δui(t)+G1ei(t)+G2ei+1(t),其中Δui+1(t)为当前这一拍的电压补偿量,ui(t)为上一拍的电压补偿量,α为遗忘因子,ei+1(t)是当前这一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,ei(t)是上一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,G1是开环学习律常数,G2是闭环学习律常数。
如图3所示,转速调节器802的电流输出端与电流加减计算器8041的正输入端相连,Park变换模块803的电流输出端与电流加减计算器8041的负输入端相连,电流加减计算器8041的输出端输出当前这一拍电流的差值ei+1(t),电流加减计算器8041的电流输出端分别与记忆存储器8042的电流输入端、闭环学习律模块8044的电流输入端、传统PI电流控制器8045的电流输入端相连。记忆存储器8042的电流输出端输出上一拍电流的差值ei(t),并与开环学习律模块8043的电流输入端相连,实际上,开环学习律模块8043和闭环学习律模块8044是常数量,分别为G1和G2。开环学习律模块的8043电流输出端、闭环学习律模块8044的电流输出端和带遗忘因子模块8047的电压输出端分别与电压加减计算器8046的输入端相连,电压加减计算器8046的输出端输出当前这一拍电压的值ui+1(t),并与记忆存储器8048的电压输入端相连。记忆存储器8048的电压输出端输出上一拍电压的值ui(t),并与带遗忘因子模块8047的电压输入端相连,其电压输出端再与计算器8049的输入端相连,即Δui+1(t)=(1-α)Δui(t)+G1ei(t)+G2ei+1(t),其中的Δui+1(t)为当前这一拍的电压补偿量。当前这一拍的电流经过传统PI电流控制器8045输出电压udq,并与电压加减计算器8046的电压正输入端相连。计算器8049的电压输出端输出Δui+1(t)与电压加减计算器8046的电压输入端相连,后者输出补偿后的电压Udq,即Udq=udq+Δui+1(t),因为64/48极DSPM电机是一个强耦合非线性的系统,所以补偿后的电压能有效降低转矩脉动。
为了验证本发明提供的双凸极永磁同步电机的控制系统的控制效果,本发明针对双凸极永磁同步电机启动特点,根据有关规程要求,选定实验电压和实验电流,按程序进行实验,流程如下:
1、双凸极永磁同步电机具有较大的电磁转矩并且即使在低转速下也能运行良好,连接电源启动电机并且给定参考转速50rpm,给定恒定负载转矩1845Nm。在传统PI控制器的基础下,观察电机输出电磁转矩波形、输出转速波形是否正常,调节系统转速环和电流环的比例系数和积分系数,使得转矩脉动尽可能的小,随时观察定子和转子的温度变化。
2、进行多次试验,在0-100rpm之间选择不同转速给定值,记录电机输出电磁转矩、输出转速试验数据点,整理并计算出每组值的脉动系数。
3、为了获得大转矩低脉动的电机电气特性,启动微处理器中的基于迭代学习控制的电流调节器,电流调节器设有开环学习律模块和闭环学习律模块。接通电源启动电机,首先求出电机反馈过来的电流信号和期望值的差值,将计算结果分别传给开环学习律模块和闭环学习律模块,将处理好的数值求和。
4、在实际系统中为了避免周期性扰动带来的误差积累问题,通常引入遗忘机制,这样误差积累就能得到一定程度的削弱。在本发明中选择遗忘因子为0.01的迭代学习律,故将上述补偿电压Udq中的和值乘以(1-α)作为新的补充控制电压量。
5、在传统PI控制计算结果的基础上,补偿上经过迭代学习控制的电压量作为新一拍的电机控制量,通过试错法分别调试开环学习律模块和闭环学习律模块的学习律大小。按照规程改变给定电机转速,重复上述步骤4进行试验,记录每个实验条件下的电机输出电磁转矩的最大值、最小值和平均值,将数据上传至调试平台控制显示器10,拟合相关数据,得到优化算法后的转矩脉动分析图。观察相应的定转子温度是否超过70度,作为迭代学习智能算法是否符合要求的参考数据。
本发明通过迭代学习智能控制算法得到理想的控制电压,使双凸极永磁同步电机得到了更小的转矩脉动,提高了系统的控制精度,简化了电流控制器的调试结构和步骤,缩短了试验周期,提高了试验效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,包含:
电流检测器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的电流信号;
转速测量器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的实际转速;
微处理器,其输入端连接电流检测器和转速测量器,其输出端连接逆变器,该微处理器用于比较、计算、处理电流信号给定值和反馈值,通过迭代学习来输出补偿后的理想电压信号给逆变器,从而减小电机转矩脉动;
逆变器,其输入端连接微处理器,其输出端连接双凸极永磁同步电机,用于在微处理器输出的信号控制下输出三相电压给双凸极永磁同步电机的电源端。
2.如权利要求1所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的微处理器包含:
转速加减计算器,其输入端分别输入给定转速参考值nref和转速测量器输出的电机实际转速n,其输出端输出转速偏差量Δn;
转速调节器,其输入端连接转速加减计算器的输出端,其输出端输出电流参考值横轴分量iqref;
Park变换模块,其输入端连接电流检测器,将电流检测器输出的电流信号iabc通过坐标变换为id和iq输出;
电流调节器,其输入端连接转速调节器的输出端和Park变换模块的输出端,通过迭代学习输出补偿后的电压Ud和Uq;
anti-Park变换模块,其输入端连接电流调节器的输出端,将Ud和Uq通过坐标变换为Uα和Uβ输出;
SVPWM发生器,其输入端连接anti-Park变换模块的输出端,其输出端连接逆变器的输入端,该SVPWM发生器不断产生开关控制信号,用于驱动逆变器中的功率开关器件的开通与关断,将直流电压源逆变为三相正弦对称电压源,给双凸极永磁同步电机供电。
3.如权利要求2所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,电流调节器输出的补偿后的电压Udq的计算公式为:Udq=udq+Δui+1(t);
其中,udq是传统PI电流控制器的输出电压,Δui+1(t)=(1-α)Δui(t)+G1ei(t)+G2ei+1(t),其中Δui+1(t)为当前这一拍的电压补偿量,ui(t)为上一拍的电压补偿量,α为遗忘因子,ei+1(t)是当前这一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,ei(t)是上一拍转速调节器与Park变换模块输出电流的差值,G1是开环学习律常数,G2是闭环学习律常数。
4.如权利要求3所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:温度传感器,其连接双凸极永磁同步电机,用于采集双凸极永磁同步电机的定子和转子的温度。
5.如权利要求4所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:散热器,其连接双凸极永磁同步电机,用于根据温度传感器的测量值来调节散热器风速,降低双凸极永磁同步电机在大负载试验下的定子和转子的温度。
6.如权利要求5所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:负载,其连接双凸极永磁同步电机,用于设置双凸极永磁同步电机的负载转矩。
7.如权利要求6所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:给定转速设定模块,其连接双凸极永磁同步电机,用于设置双凸极永磁同步电机的给定转速参考值。
8.如权利要求7所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:调试平台控制显示器,其连接微处理器,并通过散热器、负载、给定转速设定模块连接双凸极永磁同步电机。
9.如权利要求8所述的双凸极永磁同步电机的控制系统,其特征在于,所述的双凸极永磁同步电机的控制系统还包含:人机交互接口,其连接调试平台控制显示器,用于开启散热器并设置其风速、设置负载的转矩大小和设置给定转速的参考值。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190719 |
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