CN110492808A - 基于h无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统及方法,其包括转速环H∞鲁棒控制器、电流环PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块、Park变换模块、转速计算模块。本发明通过转速环H∞鲁棒控制器使得永磁同步电机矢量控制系统在受到外部扰动输入时,依旧能够保持良好的快速响应能力和鲁棒性,并且能够有效地抑制永磁同步电机的参数摄动对控制系统带来的影响。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机矢量控制技术领域,具体指代一种基于混合灵敏度H∞鲁棒控制的永磁同步电机矢量控制系统及控制方法。
背景技术
永磁同步电机凭借其优秀的快速响应能力、高功率因素、高效率、无刷、体积小等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车等国防和国民经济领域。由永磁同步电机的结构和电磁原理可知,其是一个具有强耦合、非线性的复杂多变量系统。为了实现对永磁同步电机的控制,一般采用坐标系变换的方法使其系统模型得到解耦,并选用矢量控制策略,使得永磁同步电机的控制方式与直流电机控制方式类似,从而可以通过控制q轴电流来间接控制电机转矩,实现整个电机的控制。
采用矢量控制的永磁同步电机控制系统有两个闭环,分别为电流环和转速环。一般,电流环和转速环均采用常见的PI控制方法。采用PI控制方法的永磁同步电机能够基本满足对电机伺服性能要求较低的应用场合。但是,在航空发动机、车辆、数控机床等对电机伺服性能要求非常高的应用场合,传统的PI控制方法不能满足要求。于是,随着控制技术的发展,滑模控制技术被应用在电机的控制中,使得电机的鲁棒性得到了提高。但是,滑模控制方法存在着恶劣的“抖阵”现象,会对电机产生破坏。并且,在航空航天等应用场合中,还存在许多的外干扰。于是,使永磁同步电机具有优异的鲁棒性和抗干扰能力成为了需要解决的问题。
发明内容
针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统及方法,以解决现有技术中永磁同步电机矢量控制的鲁棒性和抗干扰能力较差的问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明的一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统,包括:转速环H∞鲁棒控制器、电流环PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块(SVPWM模块)、逆变器模块、永磁同步电机模块(PMSM模块)、Clark变换模块、Park变换模块、转速计算模块;其中,
转速环H∞鲁棒控制器,用于对转速环的控制,使电机起动和变速时,角速度能够快速达到设定值,并维持稳定;其输入端输入设定角速度ωset与实际角速度ωr的差值,经过转速环H∞鲁棒控制器的计算处理后输出q轴的参考电流给电流环PI控制器;
电流环PI控制器,用于对电流环进行控制,使电流能够快速达到参考电流从而使电机电磁转矩达到负载转矩;包含两个电流环PI控制器,其中,第一个电流环PI控制器的输入为转速环H∞鲁棒控制器输出的q轴参考电流与Park变换模块输出的实际q轴电流iq的差值,经过该第一电流环PI控制器后,输出q轴电压uq给Park逆变换模块;第二个电流环PI控制器的输入为d轴参考电流与Park变换模块输出的实际d轴电流id的差值,其经过该第二个电流环PI控制器后,输出d轴电压ud给Park逆变换模块;
Park逆变换模块,其接收上述两个电流环PI控制器分别输出的d轴和q轴的电压ud、uq和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过坐标轴变换,输出α轴和β轴的电压uα、uβ给空间矢量脉宽调制模块;
空间矢量脉宽调制模块,其接收Park逆变换模块输出α轴和β轴的电压uα、uβ,通过调制处理后,输出调制信号给逆变器模块;
逆变器模块,其接收空间矢量脉宽调制模块输出的调制信号后,输出三相电流iA、iB、iC给永磁同步电机模块和Clark变换模块;
永磁同步电机模块,其接收外部输入的负载转矩TL和逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过永磁同步电机模块后,检测实际转速Nr和转子电角度θe;输出实际转速Nr给转速计算模块,输出转子电角度θe给Park变换模块和Park逆变换模块,作为坐标轴变换时所需的转子位置的参考值;
Clark变换模块,其接收逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过Clark变换后,输出α轴和β轴的电流iα、iβ给Park变换模块;
Park变换模块,其接收Clark变换模块输出的α轴和β轴的电流iα、iβ和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过Park变换后,分别输出d轴和q轴的实际电流id、iq给电流环PI控制器作为输入;
转速计算模块,用于将永磁同步电机模块输出的实际转速Nr转换为实际角速度ωr,并将实际角速度ωr输出给转速环H∞鲁棒控制器。
进一步地,所述转速环H∞鲁棒控制器的设计步骤为:
1)根据基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构,对PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块和Park变换模块进行数学建模后,可以得到从转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流到永磁同步电机模块输出的角速度ωr之间的动态结构图;然后,求解得到该动态结构图的输入到输出ωr的传递函数Gh(s)为:
式中,Ki为电流环控制器,KT为转矩常数,Gif为电流反馈传递函数,J为电机转动惯量,Rs为定子每相绕组电阻,Bω为电机阻尼系数,Ls为d轴和q轴电感;
2)根据混合灵敏度H∞控制理论,建立与所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统所对应的混合灵敏度H∞控制系统,其主要包括:参考输入、评价信号、系统输出、H∞鲁棒控制器、被控对象和权函数;其中,参考输入为设定角速度ωset,系统输出为实际角速度ωr,H∞鲁棒控制器为转速环H∞鲁棒控制器,被控对象为上述步骤中得到的传递函数Gh(s);然后,根据混合灵敏度H∞控制系统的输入输出关系,得到广义传递函数矩阵为:
式中,W1、W2、W3为三个权函数;
3)根据广义传递函数矩阵,利用Matlab可以求解得到混合灵敏度H∞控制系统的H∞鲁棒控制器,即基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统中的转速环H∞鲁棒控制器。
本发明的一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制方法,基于上述系统,步骤如下:
步骤一:转速计算模块将永磁同步电机输出的实际转速Nr转换为实际角速度ωr,将设定角速度ωset与实际角速度ωr的差值作为转速环H∞鲁棒控制器的输入;
步骤二:Clark变换模块将逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC变换为α轴和β轴的电流iα、iβ;将α轴和β轴的电流iα、iβ通入Park变换模块,同时通入转子电角度θe进行校正后,得到d轴和q轴的实际电流id、iq;
步骤三:取转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流与实际电流iq的差值作为第一个电流环PI控制器的输入,输出为q轴电压uq,uq是电机的控制量;
步骤四:设定d轴参考电流为取参考电流与实际电流id的差值作为第二个电流环PI控制器的输入,输出为d轴电压ud;
步骤五:将d轴和q轴的电压ud、uq通过Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块后接入逆变器模块;将外部输入的负载转矩TL和逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC通入永磁同步电机模块;永磁同步电机模块检测输出电机的实际电磁转矩Te、实际转速Nr和转子转角θr;其中,实际转速Nr和转子电角度θe均为电机伺服系统的反馈输入所需参数,即为步骤一和步骤二中所需反馈参数。
进一步地,所述步骤一和步骤三中转速环H∞鲁棒控制器的设计步骤为:
1)根据基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构,对PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块和Park变换模块进行数学建模后,可以得到从转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流到永磁同步电机模块输出的角速度ωr之间的动态结构图;然后,求解得到该动态结构图的输入到输出ωr的传递函数Gh(s)为:
式中,Ki为电流环控制器,KT为转矩常数,Gif为电流反馈传递函数,J为电机转动惯量,Rs为定子每相绕组电阻,Bω为电机阻尼系数,Ls为d轴和q轴电感;
2)根据混合灵敏度H∞控制理论,建立与所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统所对应的混合灵敏度H∞控制系统,其主要包括:参考输入、评价信号、系统输出、H∞鲁棒控制器、被控对象和权函数。其中,参考输入为设定角速度ωset,系统输出为实际角速度ωr,H∞鲁棒控制器为转速环H∞鲁棒控制器,被控对象为上述步骤中得到的传递函数Gh(s);然后,根据混合灵敏度H∞控制系统的输入输出关系,得到广义传递函数矩阵为:
式中,W1、W2、W3为三个权函数;
3)根据广义传递函数矩阵,利用Matlab可以求解得到混合灵敏度H∞控制系统的H∞鲁棒控制器,即所提出的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统中的转速环H∞鲁棒控制器。
本发明的有益效果:
本发明相较于传统的基于PI控制的永磁同步电机矢量控制系统,具有相应速度快,抗干扰能力强、鲁棒性好等优点。
本发明采用基于混合灵敏度问题的H∞鲁棒控制器作为转速环的控制器,使得转速波动能够得到有效地抑制,实际角速度能够稳定在设定角速度值。基于混合灵敏度问题的H∞鲁棒控制以提高对象的抗干扰能力、降低模型的加性摄动和乘性摄动为优化目标,使得所设计的控制器对永磁同步电机这种非线性、强耦合系统具有较好的适应性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明系统的总体结构图;
图2是本发明示例中永磁同步电机带电流环的动态结构图;
图3是本发明示例中混合灵敏度H∞控制系统;
图4是本发明示例中仿真转速变化曲线图;
图5是本发明示例中仿真转矩变化曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示,本发明的一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统,包括:转速环H∞鲁棒控制器、电流环PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块(SVPWM模块)、逆变器模块、永磁同步电机模块(PMSM模块)、Clark变换模块、Park变换模块、转速计算模块;其中,
转速环H∞鲁棒控制器,用于对转速环的控制,使电机起动和变速时,转速能够快速达到设定值,并维持稳定;其输入端输入设定角速度ωset与实际角速度ωr的差值,经过转速环H∞鲁棒控制器的计算处理后输出q轴的参考电流给电流环PI控制器;
电流环PI控制器,用于对电流环进行控制,使电流能够快速达到参考电流从而使电机电磁转矩达到负载转矩;包含两个电流环PI控制器,其中,第一个电流环PI控制器的输入为转速环H∞鲁棒控制器输出的q轴参考电流与Park变换模块输出的实际q轴电流iq的差值,经过该第一电流环PI控制器后,输出q轴电压uq给Park逆变换模块;第二个电流环PI控制器的输入为d轴参考电流与Park变换模块输出的实际d轴电流id的差值,其经过该第二个电流环PI控制器后,输出d轴电压ud给Park逆变换模块;
Park逆变换模块,其接收上述两个电流环PI控制器分别输出的d轴和q轴的电压ud、uq和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过坐标轴变换,输出α轴和β轴的电压uα、uβ给空间矢量脉宽调制模块;
空间矢量脉宽调制模块,其接收Park逆变换模块输出α轴和β轴的电压uα、uβ,通过调制处理后,输出调制信号给逆变器模块;
逆变器模块,其接收空间矢量脉宽调制模块输出的调制信号后,输出三相电流iA、iB、iC给永磁同步电机模块和Clark变换模块;
永磁同步电机模块,其接收外部输入的负载转矩TL和逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过永磁同步电机模块后,其内部的检测电路检测输出实际转速Nr和转子电角度θe;输出实际转速Nr给转速计算模块,输出转子电角度θe给Park变换模块和Park逆变换模块,作为坐标轴变换时所需的转子位置的参考值;
Clark变换模块,其接收逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过Clark变换后,输出α轴和β轴的电流iα、iβ给Park变换模块;
Park变换模块,其接收Clark变换模块输出的α轴和β轴的电流iα、iβ和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过Park变换后,分别输出d轴和q轴的实际电流id、iq给电流环PI控制器作为输入;
转速计算模块,用于将永磁同步电机模块输出的实际转速Nr转换为实际角速度ωr,并将实际角速度ωr输出给转速环H∞鲁棒控制器。
如图2所示,主要包括:永磁同步电机的电流环PI控制器、电流环反馈传递函数、电机的传递函数模型。
如图3所示,主要包括:待求解转速环H∞鲁棒控制器、被控对象、三个与灵敏度对应的权函数。
转速环H∞鲁棒控制器具体设计如下:
1)根据基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构,对PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块和Park变换模块进行数学建模后,可以得到从转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流到永磁同步电机模块输出的角速度ωr之间的动态结构图,如图2所示;然后,求解得到该动态结构图的输入到输出ωr的传递函数Gh(s)为:
2)根据混合灵敏度H∞控制理论,建立与本文所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统所对应的混合灵敏度H∞控制系统,其主要包括:参考输入、评价信号、系统输出、H∞鲁棒控制器、被控对象和权函数,如图3所示。其中,参考输入为设定角速度ωset;系统输出为实际角速度ωr,H∞鲁棒控制器为转速环H∞鲁棒控制器,被控对象为上述步骤中得到的传递函数Gh(s);评价信号z1、z2、z3分别对应三个灵敏度函数:
系统的灵敏度函数S=(I+GK)-1
控制器灵敏度函数R=K(I+GK)-1
系统的补灵敏度函数T=GK(I+GK)-1
然后,根据混合灵敏度H∞控制系统的输入输出关系,得到广义传递函数矩阵为:
其中,W1、W2、W3分别为三个灵敏度函数所对应的权函数,这三个权函数可以根据经验选取或者采用优化算法求解得到。
3)根据广义传递函数矩阵,利用Matlab可以求解得到混合灵敏度H∞控制系统的H∞鲁棒控制器,即本文所提出的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统中的转速环H∞鲁棒控制器。
转速环H∞鲁棒控制器通过对转速误差进行处理,输出q轴的参考电流参考电流与实际电流iq的差为电流误差信号,其经过电流环PI控制器后即可得到永磁同步电机的控制信号uq。控制信号再经过空间矢量脉宽调制模块和逆变器模块,从而实现对永磁同步电机的控制。
图4是本发明示例中仿真转速变化曲线,图5是本发明示例中仿真转矩变化曲线。仿真中,设置电机初始空载起动,在时间为0.2秒时,加入负载。可以看出,转速曲线能够快速地达到设定值,在加入外干扰的情况下,也能迅速地回归设定值并保持恒定,具有极好的鲁棒性。转矩曲线,能够快速地达到负载转矩水平,带动负载旋转。
本发明能够有效地提高永磁同步电机的抗干扰能力、快速响应能力和鲁棒性,使电机在恶劣的环境中能够稳定、正常的工作。本发明对永磁同步电机应用于航空器、航空发动机、航天器等环境恶劣场合具有重要意义。
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统,其特征在于,包括:转速环H∞鲁棒控制器、电流环PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块、Park变换模块、转速计算模块;其中,
转速环H∞鲁棒控制器,其输入端输入设定角速度ωset与实际角速度ωr的差值,经过转速环H∞鲁棒控制器的计算处理后输出q轴的参考电流给电流环PI控制器;
电流环PI控制器,用于对电流环进行控制,使电流能够快速达到参考电流从而使电机电磁转矩达到负载转矩;包含两个电流环PI控制器,其中,第一个电流环PI控制器的输入为转速环H∞鲁棒控制器输出的q轴参考电流与Park变换模块输出的实际q轴电流iq的差值,经过该第一电流环PI控制器后,输出q轴电压uq给Park逆变换模块;第二个电流环PI控制器的输入为d轴参考电流与Park变换模块输出的实际d轴电流id的差值,其经过该第二个电流环PI控制器后,输出d轴电压ud给Park逆变换模块;
Park逆变换模块,其接收上述两个电流环PI控制器分别输出的d轴和q轴的电压ud、uq和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过坐标轴变换,输出α轴和β轴的电压uα、uβ给空间矢量脉宽调制模块;
空间矢量脉宽调制模块,其接收Park逆变换模块输出α轴和β轴的电压uα、uβ,通过调制处理后,输出调制信号给逆变器模块;
逆变器模块,其接收空间矢量脉宽调制模块输出的调制信号后,输出三相电流iA、iB、iC给永磁同步电机模块和Clark变换模块;
永磁同步电机模块,其接收外部输入的负载转矩TL和逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过永磁同步电机模块后,检测输出转速Nr和转子电角度θe;输出转速Nr给转速计算模块,输出转子电角度θe给Park变换模块和Park逆变换模块,作为坐标轴变换时所需的转子位置的参考值;
Clark变换模块,其接收逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC,经过Clark变换后,输出α轴和β轴的电流iα、iβ给Park变换模块;
Park变换模块,其接收Clark变换模块输出的α轴和β轴的电流iα、iβ和永磁同步电机模块输出的转子电角度θe后,经过Park变换后,分别输出d轴和q轴的实际电流id、iq给电流环PI控制器作为输入;
转速计算模块,用于将永磁同步电机模块输出的实际转速Nr转换为实际角速度ωr,并将实际角速度ωr输出给转速环H∞鲁棒控制器。
2.根据权利要求1所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统,其特征在于,所述转速环H∞鲁棒控制器的设计步骤为:
1)根据基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构,对PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块和Park变换模块进行数学建模后,得到从转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流到永磁同步电机模块输出的角速度ωr之间的动态结构图;求解得到该动态结构图的输入到输出ωr的传递函数Gh(s)为:
式中,Ki为电流环控制器,KT为转矩常数,Gif为电流反馈传递函数,J为电机转动惯量,Rs为定子每相绕组电阻,Bω为电机阻尼系数,Ls为d轴和q轴电感;
2)根据混合灵敏度H∞控制理论,建立与所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统所对应的混合灵敏度H∞控制系统,其包括:参考输入、评价信号、系统输出、H∞鲁棒控制器、被控对象和权函数;其中,参考输入为设定角速度ωset,系统输出为实际角速度ωr,H∞鲁棒控制器为转速环H∞鲁棒控制器,被控对象为上述步骤中得到的传递函数Gh(s);然后,根据混合灵敏度H∞控制系统的输入输出关系,得到广义传递函数矩阵为:
式中,W1、W2、W3为三个权函数;
3)根据广义传递函数矩阵,利用Matlab求解得到混合灵敏度H∞控制系统的H∞鲁棒控制器,即基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统中的转速环H∞鲁棒控制器。
3.一种基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制方法,基于上述权利要求1的系统,其特征在于,步骤如下:
步骤一:转速计算模块将永磁同步电机输出的实际转速Nr转换为实际角速度ωr,将设定角速度ωset与实际角速度ωr的差值作为转速环H∞鲁棒控制器的输入;
步骤二:Clark变换模块将逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC变换为α轴和β轴的电流iα、iβ;将α轴和β轴的电流iα、iβ通入Park变换模块,同时通入转子电角度θe进行校正后,得到d轴和q轴的实际电流id、iq;
步骤三:取转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流与实际电流iq的差值作为第一个电流环PI控制器的输入,输出为q轴电压uq,uq是电机的控制量;
步骤四:设定d轴参考电流为取参考电流与实际电流id的差值作为第二个电流环PI控制器的输入,输出为d轴电压ud;
步骤五:将d轴和q轴的电压ud、uq通过Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块后接入逆变器模块;将外部输入的负载转矩TL和逆变器模块输出的三相电流iA、iB、iC通入永磁同步电机模块;永磁同步电机模块检测输出电机的实际电磁转矩Te、实际转速Nr和转子转角θr;其中,实际转速Nr和转子电角度θe均为电机伺服系统的反馈输入所需参数,即为步骤一和步骤二中所需反馈参数。
4.根据权利要求3所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制方法,其特征在于,所述步骤一和步骤三中转速环H∞鲁棒控制器的设计步骤为:
1)根据基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构,对PI控制器、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器模块、永磁同步电机模块、Clark变换模块和Park变换模块进行数学建模后,得到从转速环H∞鲁棒控制器输出的参考电流到永磁同步电机模块输出的角速度ωr之间的动态结构图;求解得到该动态结构图的输入到输出ωr的传递函数Gh(s)为:
式中,Ki为电流环控制器,KT为转矩常数,Gif为电流反馈传递函数,J为电机转动惯量,Rs为定子每相绕组电阻,Bω为电机阻尼系数,Ls为d轴和q轴电感;
2)根据混合灵敏度H∞控制理论,建立与所述的基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统所对应的混合灵敏度H∞控制系统,其包括:参考输入、评价信号、系统输出、H∞鲁棒控制器、被控对象和权函数;其中,参考输入为设定角速度ωset,系统输出为实际角速度ωr,H∞鲁棒控制器为转速环H∞鲁棒控制器,被控对象为上述步骤中得到的传递函数Gh(s);然后,根据混合灵敏度H∞控制系统的输入输出关系,得到广义传递函数矩阵为:
式中,W1、W2、W3为三个权函数;
3)根据广义传递函数矩阵,利用Matlab求解得到混合灵敏度H∞控制系统的H∞鲁棒控制器,即基于H无穷控制的永磁同步电机矢量控制系统中的转速环H∞鲁棒控制器。
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