CN111327246A - 一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，包括步骤：1)建立反馈***输出电压方程，进行Park变换；2)建立负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表达；3)将步骤1)反馈***输出电压方程和步骤2)负载电动机转矩方程用标准状态方程形式表达；4)将步骤3)中负载电动机转矩标准状态方程作为扰动信号，得到扰动信号与其估计之间的关系，将扰动信号带入电机转速状态方程，得出不确定干扰估计器数学模型；5)为保证步骤4)得到的不确定干扰估计器数学模型在负载转矩未知的情况下，对负载转矩突变引起的调速误差问题，设计新型转速控制律。本发明所采用的不确定干扰估计器是引入至调速控制***中，永磁调速耦合器体积和开发成本得到了控制。

Description

一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法

技术领域

本发明涉及一种提高永磁耦合调速性能的方法，具体涉及一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法。

背景技术

永磁调速作为一种先进电动机调速节能技术，因为其可靠性已经在工业场合电动机节能领域得到了广泛应用，在人类各个领域的生产活动中有着重要的应用价值。

电动机调速目前按照调速目标可分为：原动机调速和定速原动机调速。原动机调速包括：直流电动机调速；三相异步电动机的变极调速、变压调速、变频调速；其它各种特殊设计的调速电机等。定速原动机调速又称为滑差调速，可分为：调速型液力偶合器，液粘调速离合器，机械摩擦片式调速装置等。

绕组式永磁耦合调速器作为差调速的一种实现手段，因为其调速范围广(0-99.2％转速可调)、调速效率高(≥96％)，受到了业内广泛关注。但是因为其在实际应用中，无法响应因为负载转矩突变引起的调速误差，从而影响其调速控制鲁棒性。

不确定扰动观测器(Uncertainty Disturbance Estimator，UDE)是将控制***中模型参数变化和***随机扰动视为未知项，采用一个稳定的参考模型来满足闭环***所期望跟踪给定的性能，从而提高控制***的鲁棒性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，来解决因为负载转矩突变引起的调速误差问题，增加***抗扰动能力。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，包括以下步骤：

1)建立反馈***输出电压方程，进行Park变换；

2)建立负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表达；

3)将步骤1)反馈***输出电压方程和步骤2)负载电动机转矩方程用标准状态方程形式表达；

4)将步骤3)中负载电动机转矩标准状态方程作为扰动信号，得到扰动信号与其估计之间的关系，将扰动信号带入电机转速状态方程，得出不确定干扰估计器数学模型；

5)为保证步骤4)得到的不确定干扰估计器数学模型在负载转矩未知的情况下，对负载转矩突变引起的调速误差问题，设计新型转速控制律。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，反馈***输出电压表示为

式中，u_a、u_b、u_c为反馈***输出三相电压，U_U、U_V、U_W为原动电机输出三相电压，L、R为负载电动机三相绕组等效电感、电阻；i为负载电动机输入电流；ω为负载电动机转速；ψ_f为负载电动机定子三相磁链；

对输出电压进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

式中，U_d、U_q分别表示原动电机加在直轴和交轴上的电压；i_d、i_q分别表示dq旋转坐系中直轴和交轴电流；L_d、L_q分别表示定子直轴电感和交轴电感；R_s表示定子电阻；λ_αf表示转子磁链；u_d、u_q为反馈***输出电压施加在直轴和交轴上的电压。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表示为

式中，J表示负载电动机的惯性转矩，B表示摩擦系数，P表示极数，ω_m表示电机转动时的机械角速度，机械角速度可以表示为：

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：首先将dq旋转坐标系下反馈***输出电压转换为标准状态方程形式

其中

接着将调速***转速状态方程用标准状态方程表示：

其中：x₁＝ω、

u＝i_q、

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：将负载电动机转矩作为状态方程扰动信号，该信号用d表示，

将扰动信号带入电机转速状态方程，可得不确定干扰估计器数学模型为

式中：A₁和B₁大小由控制对象的动态特性决定；

永磁耦合调速控制***的实质是设计输入u，使得跟踪参考速度轨迹或将其调节到相同的期望值；当连续信号通过适当带宽的低通滤波器时，近似并估计连续信号；干扰d与其估计

之间的关系为

其中

为传递函数，s表示拉普拉斯变换，τ表示的是滤波器的带宽。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，为保证含有不确定干扰估计器的绕组式永磁耦合器调速***在负载转矩未知的情况下，进行有效的转速跟踪的准确，转速控制律为：

式中x^*为状态变量的反馈值，K为误差反馈增益，且K＞0。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用不确定干扰估计器来解决常规永磁耦合器抗扰动能力差的问题。

2.面对负载转矩未知情况，本发明设计新型的新型转速控制律，可以提高绕组式永磁耦合器应对负载转矩突变引起的调速误差问题。

3.本发明所采用的不确定干扰估计器是引入至调速控制***中，无需额外安装扰动抑制硬件单元，永磁调速耦合器体积和开发成本得到了控制。

附图说明

图1为本发明绕组式永磁耦合调速器原理及***连接图；

图2为本发明能量反馈***硬件电路拓扑图；

图3为本发明负载电动机电路拓扑图；

图4为本发明基于不确定干扰估计器的永磁耦合调速器控制原理图。

图5为本发明负载电动机空载起动，在0.6s施加24N·m的负载转矩，采用传统PI控制和UDE控制的负载电动机转速响应曲线对比图。

图6为本发明负载电动机空载起动，负载电动机半载起动，负载转矩从0.5s开始从12逐渐增加到24N·m，采用传统PI控制和UDE控制的负载电动机转速响应曲线对比图。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，绕组式永磁耦合调速器原理为：永磁外转子与原动电机连接后以转速n₁旋转，绕组内电流产生的磁场与永磁外转子的磁场相互作用传递转矩，带动负载轴以转速n旋转。此时绕组内产生感应电动势，通过集电环和碳刷结构将转子绕组与外部电路联接形成电流回路。为了实现绕组内转子转速可调，常规手段是在外接一可调节电阻，通过调节外接电阻大小来实现调速。

如图2所示，能量反馈***硬件电路由整流、逆变单元组成。其中绕组转子回路电势调节由控制逆变电路完成，具体是通过改变输入至IGBT的PWM占空比来调节绕组转子回路的等效附加直流电动势，从而改变转子绕组电流，达到调节转速的目的。逆变电路通过升压单元将转差功率转换为三相工频交流电反馈至电网达到节能的目的。在整流电路中采用二极管整流元器件，在逆变电路采用IGBT逆变元器件；在连接处有电解电容，其作用为储能、平波；输出为三相交流电。

如图3所示，负载电动机等效电路图可看作电感电阻元器件的串联***。

反馈***输出电压可表示为：

式中：u_a、u_b、u_c为反馈***输出三相电压，U_U、U_V、U_W为原动电机输出三相电压，L、R为负载电动机三相绕组等效电感、电阻；i为负载电动机输入电流；ω为负载电动机转速；ψ_f为负载电动机定子三相磁链。

对式(1)进行Park变换，可以得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

式中：U_d、U_q分别表示原动电机加在直轴和交轴上的电压；i_d、i_q分别表示dq旋转坐系中直轴和交轴电流；L_d、L_q分别表示定子直轴电感和交轴电感；R_s表示定子电阻；λ_αf表示转子磁链；u_d、u_q为反馈***输出电压施加在直轴和交轴上的电压。

负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表示为：

式中：J表示负载电动机的惯性转矩，B表示摩擦系数，P表示极数，ω_m表示电机转动时的机械角速度。机械角速度可以表示为：

如图4所示，将不确定干扰估计器引入到调速控制***中，首先将式(2)转换为标准状态方程形式：

式中：

调速***转速状态方程也可用标准状态方程表示：

式中：x₁＝ω、

u＝i_q、

为了使绕组式永磁耦合器调速***可以抑制因为负载转矩突变引起的调速误差，使整个控制***具有较强的抗干扰能力，本发明将负载电动机转矩作为状态方程扰动信号，该信号用d表示：

将扰动信号带入电机转速状态方程，可得不确定干扰估计器数学模型为：

式中：A₁和B₁大小由控制对象的动态特性决定。永磁耦合器调速控制***问题的实质是设计输入u，使得跟踪参考速度轨迹或将其调节到相同的期望值。

根据不确定干扰估计器算法可知：当连续信号通过适当带宽的低通滤波器时，可以近似并估计连续信号。干扰d与其估计

之间的关系为：

式中：

为传递函数，s表示拉普拉斯变换，τ表示的是滤波器的带宽。将式(7)代入式(8)，可得：

为了保证含有不确定干扰估计器的绕组式永磁耦合器调速***在负载转矩未知的情况下，进行有效的转速跟踪的准确，本发明设计转速控制律为：

式中：x^*为状态变量的反馈值，K为误差反馈增益，由于通常需要确保参考模型保持稳定，因此需要保持K＞0。将转速控制律代入转速不确定干扰估计器数学中可得：

令e＝x-x^*，

则上式可以转换为：

式中：e为干扰估计误差，决定了电机转速跟踪误差的动态变化。K为误差反馈增益，决定了状态轨迹误差的收敛性，且K＞0。当干扰为恒定或者是变化较为缓慢时，

将为0，此时控制器可以得到较好的转速跟踪性能。

为了验证本发明所提基于UDE的绕组式永磁耦合器调速***性能更优，在Matlab/Simulink下搭建控制***的仿真模型，仿真模型参数分为：原动机参数、反馈***参数、负载电动机参数。

表1原动机参数

Tab.1 Prime mover parameters

表2反馈***参数

Tab.2 Feedback system parameters

表3负载电动机参数

Tab.3 Parameters of load motor

如图5所示，传统PI控制的响应速度较慢，负载电动机启动到稳定的时间约为0.3s，超调量较大，约为10.35％，而采用UDE进行转速控制时，负载电动机启动到稳定的时间约为0.17s，且超调量极小可忽略不计；当在0.6秒时突然施加干扰时，采用传统PI控制时负载电动机转速在约0.2秒内达到1250rad/min参考值，而采用UDE控制时负载电动机转速在约0.08s内即可达到1250rad/min参考值。

如图6所示，当干扰变化较为缓慢时，采用传统PI控制超调量约为7.9％，相比于突然施加干扰的情况超调量有所下降，但是从负载电动机启动到趋于稳定的时间约为0.45s，相比图4中达到稳态的时间有所增加；而采用UDE进行转速控制时，响应达到稳态的时间约为0.32s，虽然响应时间有所增加，但是超调量无限趋近于0，***很快达到稳定状态，控制效果明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立反馈***输出电压方程，进行Park变换；

2)建立负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表达；

3)将步骤1)反馈***输出电压方程和步骤2)负载电动机转矩方程用标准状态方程形式表达；

4)将步骤3)中负载电动机转矩标准状态方程作为扰动信号，得到扰动信号与其估计之间的关系，将扰动信号带入电机转速状态方程，得出不确定干扰估计器数学模型；

5)为保证步骤4)得到的不确定干扰估计器数学模型在负载转矩未知的情况下，对负载转矩突变引起的调速误差问题，设计新型转速控制律。

2.根据权利要求1所述的一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，步骤1)中，反馈***输出电压表示为

式中，u_a、u_b、u_c为反馈***输出三相电压，U_U、U_V、U_W为原动电机输出三相电压，L、R为负载电动机三相绕组等效电感、电阻；i为负载电动机输入电流；ω为负载电动机转速；ψ_f为负载电动机定子三相磁链；

对输出电压进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

式中，U_d、U_q分别表示原动电机加在直轴和交轴上的电压；i_d、i_q分别表示dq旋转坐系中直轴和交轴电流；L_d、L_q分别表示定子直轴电感和交轴电感；R_s表示定子电阻；λ_αf表示转子磁链；u_d、u_q为反馈***输出电压施加在直轴和交轴上的电压。

3.根据权利要求2所述的一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，步骤2)中，负载电动机电磁转矩T_e和负载转矩T_L表示为

式中，J表示负载电动机的惯性转矩，B表示摩擦系数，P表示极数，ω_m表示电机转动时的机械角速度，机械角速度可以表示为：

4.根据权利要求3所述的一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：首先将dq旋转坐标系下反馈***输出电压转换为标准状态方程形式

接着将调速***转速状态方程用标准状态方程表示：

其中：x₁＝ω、

u＝i_q、

5.根据权利要求1所述的一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：将负载电动机转矩作为状态方程扰动信号，该信号用d表示，

将扰动信号带入电机转速状态方程，可得不确定干扰估计器数学模型为

式中：A₁和B₁大小由控制对象的动态特性决定；

永磁耦合调速控制***的实质是设计输入u，使得跟踪参考速度轨迹或将其调节到相同的期望值；当连续信号通过适当带宽的低通滤波器时，近似并估计连续信号；干扰d与其估计

之间的关系为

其中

为传递函数，s表示拉普拉斯变换，τ表示的是滤波器的带宽。

6.根据权利要求1所述的一种提高永磁耦合调速***鲁棒性方法，其特征在于，步骤5)中，为保证含有不确定干扰估计器的绕组式永磁耦合器调速***在负载转矩未知的情况下，进行有效的转速跟踪的准确，转速控制律为：

式中x^*为状态变量的反馈值，K为误差反馈增益，且K＞0。

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