CN103051274B - 基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法 - Google Patents

Abstract

基于变阻尼的二自由度无源控制的永磁同步电机控制***，由主电路和控制电路构成，控制电路包括信号检测电路、转速控制外环，以及转矩控制内环；其采用PI控制方法实现转速外环控制器的设计，输出为无源控制的给定信号，转矩磁链内环控制器采用变阻尼的二自由度无源控制方法，其输出为两相旋转坐标系上的两相交流电压，经空间矢量脉宽调制变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电机的无源控制。本发明实现了跟踪性能和干扰性能独立整定，使电动机转速达到精确控制的要求，能够有效地改善***的整体性能。

Description

基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,永磁同步电机)是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，具有高精度、高动态性能、高可靠性、小体积等优势，在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用，如工业、民用、军事等领域。现有的永磁同步电机控制方法基本以矢量控制或者直接转矩控制为基础，虽然都能获得较高的动、静态性能，但矢量控制***存在结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。直接转矩控制***在起动和低速运行时转矩波动较大。对此，为获得高性能永磁同步电机控制***，一些利用非线性控制***设计的控制方案被提出，如自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等控制方法来进行研究，使永磁同步电机***的性能有了较大的提高，但仍存在一些问题。自适应控制方法在处理非线性***及***结构变化的能力较差，在多输出***中的应用尚不成熟。滑模变结构控制方法由于频繁高速的开关切换会带来高频抖动。模糊控制方法的控制精度不高，稳态精度低，甚至产生震荡。

发明内容

本发明是为克服上述现有技术所存在的不足之处，提出一种基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，以解决电机转速，电机参数影响永磁同步电机控制***控制精度和动态响应速度的问题。

本发明是这样实现的，基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，为建立永磁同步电机端口受控哈密顿***模型，将其分解为电气和机械2个无源子***的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正***受到的各种外扰d(s)，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分***实现。

本发明的特点还在于：

上述控制方法采用的控制***包括主电路和控制电路，主电路包括逆变器模块和永磁同步电机模块；控制电路包括转速外环控制器PI模块，变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块，速度编码器模块，两个2/2坐标变换模块，3/2坐标变换模块，空间矢量脉宽调制模块；控制***所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到，具体实施步骤如下：

1)基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立永磁同步电机无源控制的模型为：

式中，k₁，k₂可调阻尼参数，L_d、L_q是d-q坐标系下电感，ω转子机械角速度，永磁体产生的磁链，R_s为定子电阻，n_p极对数；

2）二阶跟踪微分器是一个这样的动态***：对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中x₁是跟踪v(t)，从而x₂作为v(t)的“近似微分”，变阻尼注入值由下面方程确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=-\mathrm{asat}(x_1-v\left(t\right)+\frac{x_2\left|x_2\right|}{2a},\mathrm{\δ})\\ y=k_1-(k_1-k_2)x_1\end{array}\right.$

其中

$\mathrm{sat}(A,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(A\right),\left|A\right|>\mathrm{\δ}\\ \frac{A}{\mathrm{\δ}},\left|A\right|\≤\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0\\ k_1>k_2>0\end{array}\right.$

上式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂是接近稳态时希望加入较小阻尼的值，y为阻尼输出值，结合步骤1，构成变阻尼无源控制器模块；

3)为了更好的实现跟踪性和鲁棒性，在电流反馈通道中加入了一个低通滤波器Fr(s)模块，将Fr(s)设计为至此，完成了基于变阻尼二自由度无源控制模块7的建模；

4)永磁同步电机控制***工作流程如下：将永磁同步电机模块的定子绕组电流i_a、i_b、i_c，输入到控制电路中的3/2坐标变换模块，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β，再输入到2/2坐标变换模块，得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将上述信号送至变阻尼二自由度无源控制器模块7，速度编码器模块8得到转子位置θ和转速ω，然后分别送给两个2/2坐标变换模块和转速外环控制器PI模块；将q轴电流的期望值i_qref与反馈电流作差，得到电流误差Δi_q，d轴的电流给定值i_dref=0与输出的d轴电流作差，得到Δi_d，经过变阻尼二自由度无源控制器模块7的调节输出电压分量U_d、U_q，经2/2坐标变换模块反变换输出U_α、U_β，最后通过空间矢量脉宽调制模块，输出六路PWM信号供给逆变器模块工作，将直流母线电压U_dc以PWM波的形式施加到永磁同步电机模块上。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，完成了表面式永磁同步电机的PCH***的建模。从电动机的能量入手，利用不影响稳定性的无功力简化控制器的设计，直接利用输入输出反馈即可实现***的全局稳定性，无奇异点问题，对***参数变化及外来扰动有较强的鲁棒性。选择不同输出函数和能量函数，可设计出多种无源控制器，已成功应于EL（Euler-Lagrange，EL）方程所描述的控制***，且EL模型中有反对称矩阵，简化了无源控制律。

2、本发明提供的电流环控制方法，由变阻尼的二自由度无源控制器实现，生成并准确的控制d-q旋转坐标系下的两个电压分量u_d、u_q，且无积分饱和的问题。它实现了对给定转速和指令电流的无静差跟踪和对力矩的实时估算，进而准确的控制定子三相电流。

3、本发明简化了控制***结构，物理意义明确，***易于实现。不需要同时设计负载转矩观测器等。

4、本发明将变阻尼的二自由度结构引入到无源控制之中，提出了基于变阻尼二自由度的无源控制器，实现了跟踪性和鲁棒性同时优化，而且参数的实时调节也保证了***的稳定性。有效改善永磁同步电机的动静态性能，可应用于工程实践领域。

附图说明

图1为本发明基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法框图；

图2为本发明二阶跟踪微分器框图；

图3为本发明永磁同步电机***框图。

图中，1.变阻尼无源控制模块，2.低通滤波器Fr(s)模块，3.逆变器模块，4.永磁同步电机模块，5.控制电路，6.转速外环控制器PI模块，7.变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块，8.速度编码器模块，9.第一2/2坐标变换模块，10.第二2/2坐标变换模块，11.3/2坐标变换模块，12.空间矢量脉宽调制模块，13.主电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，如图1所示，包括变阻尼无源控制器模块1和低通滤波器Fr(s)模块2。

变阻尼是由二阶微分***来实现，如图2所示，为二阶微分***非线性函数。

本发明基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，为建立永磁同步电机端口受控哈密顿***模型，将其分解为电气和机械2个无源子***的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正***受到的各种外扰d(s)，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分***实现。其控制***如图3所示，包括主电路13和控制电路5，其中主电路包括逆变器模块3和永磁同步电机模块4，控制电路5包括转速外环控制器PI模块6，变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块7，速度编码器模块8，第一2/2坐标变换模块9、第二2/2坐标变换模块10，3/2坐标变换模块11，空间矢量脉宽调制模块12；其控制方法为建立永磁同步电机端口受控哈密顿***模型，将其分解为电气和机械2个无源子***的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正***受到的各种外扰，为了克服***到达稳态期间的速度波动，对此采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分***实现。

该方法可以使动态性能更加优化与转矩和转速跟踪效果更好。

控制***所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到，具体实施步骤如下：

1)基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立永磁同步电机无源控制的模型为：

式中，k₁，k₂可调阻尼参数，L_d、L_q是d-q坐标系下电感，ω转子机械角速度，永磁体产生的磁链，R_s为定子电阻，n_p极对数；

2）二阶跟踪微分器是一个这样的动态***：对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中x₁是跟踪v(t)，从而x₂作为v(t)的“近似微分”，如图2所示，变阻尼注入值由下面方程确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=-\mathrm{asat}(x_1-v\left(t\right)+\frac{x_2\left|x_2\right|}{2a},\mathrm{\δ})\\ y=k_1-(k_1-k_2)x_1\end{array}\right.$

其中

$\mathrm{sat}(A,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(A\right),\left|A\right|>\mathrm{\δ}\\ \frac{A}{\mathrm{\δ}},\left|A\right|\≤\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0\\ k_1>k_2>0\end{array}\right.$

上式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂是接近稳态时希望加入较小阻尼的值，y为阻尼输出值。结合步骤1，构成变阻尼无源控制器模块1；

3)为了更好的实现跟踪性和鲁棒性，在电流反馈通道中加入了一个低通滤波器Fr(s)模块2，将Fr(s)设计为如图1所示。至此，完成了基于变阻尼二自由度无源控制模块7的建模；

4)永磁同步电机控制***工作流程如下：将永磁同步电机模块4的定子绕组电流i_a、i_b、i_c，输入到控制电路5中的3/2坐标变换模块11，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β，再输入到第二2/2坐标变换模块10，得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将上述信号送至变阻尼二自由度无源控制器模块7，速度编码器模块8得到转子位置θ和转速ω，然后分别送给2/2坐标变换模块9、10和转速外环控制器PI模块6；将q轴电流的期望值i_qref与反馈电流作差，得到电流误差Δi_q，d轴的电流给定值i_dref=0与输出的d轴电流作差，得到Δi_d，经过变阻尼二自由度无源控制器模块7的调节输出电压分量U_d、U_q，经第一2/2坐标变换模块9反变换输出U_α、U_β，最后通过空间矢量脉宽调制模块12，输出六路PWM信号供给逆变器模块3工作，将直流母线电压U_dc以PWM波的形式施加到永磁同步电机模块4上。本发明根据端口受控哈密顿***理论和无源控制方法，在隐级永磁同步电机的端口受控哈密顿***建模基础上，提出一种基于变阻尼二自由度控制的无源调速***，实时跟踪永磁同步电机的转矩和转速。能够同时满足①使***对参数变化和外部扰动具有较强的鲁棒性、最优的跟踪性能。②***具有较高的动、静态性能。③***结构简单、可靠、易于稳定性分析。④应用于多输出***当中，并且优化了永磁同步电机双闭环调速***。可应用于工程实践领域当中。

Claims (1)

1.基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，其特征在于：建立永磁同步电机端口受控哈密顿***模型，将其分解为电气和机械2个无源子***的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正***受到的各种外扰，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分***实现；

所采用的永磁同步电机***包括控制***，所述控制***包括主电路(13)和控制电路(5)，所述主电路(13)包括逆变器模块(3)和永磁同步电机模块(4)；控制电路(5)包括转速外环控制器PI模块(6)，变阻尼的二自由度无源控制内环控制器模块(7)，速度编码器模块(8)，两个2/2坐标变换模块(9、10)，3/2坐标变换模块(11)，空间矢量脉宽调制模块(12)；控制***所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到，具体实施步骤如下：

1)基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立永磁同步电机无源控制的模型为：

式中，k₁，k₂可调阻尼参数，L_d、L_q是d-q坐标系下电感，ω转子机械角速度，永磁体产生的磁链，R_s为定子电阻，n_p极对数；

2)二阶跟踪微分器是一个这样的动态***：对它输入一个信号v(t)，它将输出两个信号x₁和x₂，其中x₁是跟踪v(t)，从而x₂作为v(t)的“近似微分”，变阻尼注入值由下面方程确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{.}{x}}_2=-\mathrm{asat}(x_1-v\left(t\right)+\frac{x_2\left|x_2\right|}{2a},\mathrm{\δ})\\ y=k_1-(k_1-k_2)x_1\end{array}\right.$

其中

$\mathrm{sat}(A,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(A\right),\left|A\right|>\mathrm{\δ}\\ \frac{A}{\mathrm{\δ}},\left|A\right|\≤\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0\\ k_1>k_2>0\end{array}\right.$

上式中k₁是启动开始时希望加入的阻尼值，k₂是接近稳态时希望加入较小阻尼的值，y为阻尼输出值，a为给定界，δ为训练步长；结合步骤1，构成变阻尼无源控制器模块(1)；

3)为了更好的实现跟踪性和鲁棒性，在电流反馈通道中加入了一个低通滤波器Fr(s)模块2，将Fr(s)设计为至此，完成了基于变阻尼二自由度无源控制模块7的建模；

4)永磁同步电机控制***工作流程如下：将永磁同步电机模块(4)的定子绕组电流i_a、i_b、i_c，输入到控制电路5中的3/2坐标变换模块(11)，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β，再输入到2/2坐标变换模块(10)，得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，然后将上述信号送至变阻尼二自由度无源控制器模块(7)，速度编码器模块(8)得到转子位置θ和转速ω，然后分别送给2/2坐标变换模块(9、10)和转速外环控制器PI模块(6)；将q轴电流的期望值i_qref与反馈电流作差，得到电流误差Δi_q，d轴的电流给定值i_dref＝0与输出的d轴电流作差，得到Δi_d，经过变阻尼二自由度无源控制器模块7的调节输出电压分量u_d、u_q，经第一2/2坐标变换模块(9)反变换输出u_α、u_β，最后通过空间矢量脉宽调制模块(12)，输出六路PWM信号供给逆变器模块(3)工作，将直流母线电压U_dc以PWM波的形式施加到永磁同步电机模块(4)上。