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永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法

申请号 CN202410129873.6 申请日 2024-01-29 公开(公告)号 CN117955371A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 重庆大学; 发明人 李辉; 伍云艳; 向学位; 袁彬; 李帅; 梁力元; 姚然;
摘要 本 发明 涉及一种永磁同步电驱系统 位置 同步抗扰动控制方法,属于双永磁同步 电机 传动领域,包括以下步骤:S1:建立交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型;S2:分析三个耦合系统的结构 框图 和对应的开环传递函数,画出相应波德图,分析出得出将耦合结构作用于 电流 环能够兼顾系统 稳定性 和抗扰能 力 ;S3:基于步骤S1所述交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型,考虑扰动得到新的耦合系统,考虑系统的稳态静差和稳定性,选用PID控制律为A(s);S4:将PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s);S5:对控制参数进行在线自适应整定。
权利要求

1.一种永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:建立交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型;
S2:分析三个耦合系统的结构框图和对应的开环传递函数,画出相应波德图,分析出得出将耦合结构作用于电流环能够兼顾系统稳定性和抗扰能
S3:基于步骤S1所述交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型,考虑扰动得到新的耦合系统,考虑系统的稳态静差和稳定性,选用PID控制律为A(s),其表达式如下:
其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数;
S4:将PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s);
S5:对控制参数进行在线自适应整定。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:步骤S1中,单电机的速度环和电流环均用PI控制器,两台自身的控制回路一致,ωref为速度环的给定速度,ω1和ω2分别为两台电机的实际速度,各自反馈到其速度环,形成速度反馈回* *
路,速度环的输出为q轴电流给定即iq1、iq2 ,电流环采用id=0控制,iq1、iq2、id1、id2分别为电机1和电机2的实际q轴和d轴电流,各自反馈到其电流环,形成电流反馈回路,电流环的输* * * *
出为电压的d、q轴给定即uq1、uq2、ud1、ud2,电压通过电机,产生位置θ1、θ2;
耦合结构的输入为两台电机的位置差Δθ,其输出为耦合电压uqc、耦合电流iqc或耦合速度ωc,对应作用到速度环、电流环、电压环,仅选用一种分别反向交叉补偿到两轴;
基于电压环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电压uqc,再经过电机得到θ1;基于电流环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电流iqc,再经过电机电流环和电机得到θ1;
基于速度环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合速度ωqc,再经过电机速度环、电流环和电机得到θ1。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:骤S2中,根据速度环、电流环、电压环的结构框图写出对应的开环传递函数,画出相应波德图,通过幅频曲线穿越0db的横坐标线性来表示系统的响应快慢,通过相频曲线是否低于‑180°来表示系统是否稳定,分析得出将耦合结构作用于电流环能够兼顾系统响应性和稳定性;
基于电压环的耦合系统的开环传递函数为:
式中Kt为电机转矩常数;J为电机转动惯量;Ls、Rs为分别为定子电感和电阻
基于电流环的耦合系统的开环传递函数为:
基于速度环的耦合系统的开环传递函数为:
4.根据权利要求1所述的永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:步骤S3中所述新的耦合系统包括:给定一个位置θref,经过A(s),输出电流iq,然后经过电机对应的表达式 得到电机速度ω,再经过积分1/s得到电机位置θ。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:步骤S4所述将PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s)如下:
其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数,Kt和J为电机转矩常数和电机转动惯量;
将G(s)和Gd(s)转换为下面两式:
其中Ta、Tb、T1、T2、T3对应着频率域的不同转折频率,且Kp、Ki、Kd、Ta、Tb能够用T1、T2、T3表示;
通过转换后的G(s)求出系统的穿越频率ωc如下:
6.根据权利要求1所述的永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,其特征在于:步骤S5中,针对步骤S2、S3中得到的参数提出以下定义:
其中λ为定义的一个中间变量,把Kp、Ki、Kd三个参数的选取最后转为λ和T2的选择,参数自整定的规则先取1/T2=f,f为要抑制的负载扰动频率;
再基于和电流环匹配需要选取的穿越频率来计算出参数λ;
然后计算出Kp、Ki、Kd三个参数;
最后再实时引入双电机的位置差,若位置差未控制到理想效果,则缓慢减小T2的值,并判断此时2/Ta是否小于fd/2,若小于则继续增大加强抑制效果,否则T2已达到稳定裕度范围内的最大值,T2变化后,重新计算参数λc以求取Kp、Ki、Kd三个参数。

说明书全文

永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于双永磁同步电机传动领域,涉及一种永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法。

背景技术

[0002] 航空航天、汽车制造、工业生产等领域的真空系统中需要保持两台电机位置同步。早期同步控制以机械连接为主,但存在精度低、机械结构易磨损等问题,因此需要从电机驱动度来突破物理上的缺陷。受工作条件的影响,电机旋转过程中存在比较剧烈的负载脉动,且转速越低时越明显。电机受到负载扰动,会产生跟踪误差,降低同步性能,所以研究在负载扰动下保证两台电机位置同步,对于提高产品生产精度十分重要。
[0003] 目前,双电机或多电机的同步控制可以采用并行、主从、交叉耦合、虚拟轴等结构。并行控制的两台电机间无信息交互,因而出现负载扰动时同步能弱。主从控制结构中从电机的参考值由主电机的输出决定,但受到负载扰动时,该结构的性能不佳。交叉耦合控制结构在双电机转速同步及轮廓控制系统中得到了广泛应用,由于存在耦合补偿,抗负载扰动性能相对较好。基于交叉耦合的基础,针对多电机应用场景有相邻耦合和偏差耦合结构,但随着电机数量增加,补偿模型逐渐复杂,物理实现困难。虚拟主轴控制以主轴带动多电机同步,但该系统存在给定信号延时和虚拟主轴惯量难以确定等问题。上述方法已经努力从多种同步结构提高双电机控制精度,而实际系统中往往存在脉动的负载扰动,导致控制效果不佳。
[0004] 目前多从单电机控制和基于同步结构的控制两方面研究如何抑制周期性脉动的负载。有学者将现代先进控制算法如自适应控制、神经网络等运用到单电机控制系统,但这类方法并未针对双电机系统特点进行融合,无法协调负载扰动带来的同步性能下降问题。有学者基于主从控制结构分别提出了模型预测优化策略和带干扰观测器的滑模控制策略,能在一定程度上抑制负载扰动,但其在线运算量比较大。针对不确定性扰动造成同步性能下降问题,一种抗扰动转速同步控制策略被提出,该策略有良好的抗参数扰动性能,但不适应脉动的负载。当前负载扰动抑制方法多在单电机控制中作改进,或存在计算量大且易不稳定的问题,亟待开展结合双电机系统特性抑制负载脉动、保持同步的研究。

发明内容

[0005] 有鉴于此,本发明的目的在于提供一种永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法。
[0006] 为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
[0007] 一种永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法,包括以下步骤:
[0008] S1:建立交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型;
[0009] S2:分析三个耦合系统的结构框图和对应的开环传递函数,画出相应波德图,分析出得出将耦合结构作用于电流环能够兼顾系统稳定性和抗扰能力;
[0010] S3:基于步骤S1所述交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型,考虑扰动得到新的耦合系统,考虑系统的稳态静差和稳定性,选用PID控制律为A(s),其表达式如下:
[0011]
[0012] 其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数;
[0013] S4:将PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s);
[0014] S5:对控制参数进行在线自适应整定。
[0015] 进一步,步骤S1中,单电机的速度环和电流环均用PI控制器,两台自身的控制回路一致,ωref为速度环的给定速度,ω1和ω2分别为两台电机的实际速度,各自反馈到其速度* *环,形成速度反馈回路,速度环的输出为q轴电流给定即iq1 、iq2 ,电流环采用id=0控制,iq1、iq2、id1、id2分别为电机1和电机2的实际q轴和d轴电流,各自反馈到其电流环,形成电流* * * *
反馈回路,电流环的输出为电压的d、q轴给定即uq1、uq2 、ud1、ud2,电压通过电机,产生位置θ1、θ2;
[0016] 耦合结构的输入为两台电机的位置差Δθ,其输出为耦合电压uqc、耦合电流iqc或耦合速度ωc,对应作用到速度环、电流环、电压环,仅选用一种分别反向交叉补偿到两轴;
[0017] 基于电压环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电压uqc,再经过电机得到θ1;基于电流环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电流iqc,再经过电机电流环和电机得到θ1;基于速度环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合速度ωqc,再经过电机速度环、电流环和电机得到θ1。
[0018] 进一步,步骤S2中,根据速度环、电流环、电压环的结构框图写出对应的开环传递函数,画出相应波德图,通过幅频曲线穿越0db的横坐标线性来表示系统的响应快慢,通过相频曲线是否低于‑180°来表示系统是否稳定,分析得出将耦合结构作用于电流环能够兼顾系统响应性和稳定性;
[0019] 基于电压环的耦合系统的开环传递函数为:
[0020]
[0021] 式中Kt为电机转矩常数;J为电机转动惯量;Ls、Rs为分别为定子电感和电阻
[0022] 基于电流环的耦合系统的开环传递函数为:
[0023]
[0024] 基于速度环的耦合系统的开环传递函数为:
[0025]
[0026] 进一步,步骤S3中所述新的耦合系统包括:给定一个位置θref,经过A(s),输出电流iq,然后经过电机对应的表达式 得到电机速度ω,再经过积分1/s得到电机位置θ。
[0027] 进一步,步骤S4所述将PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s)如下:
[0028]
[0029]
[0030] 其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数,Kt和J为电机转矩常数和电机转动惯量;
[0031] 将G(s)和Gd(s)转换为下面两式:
[0032]
[0033]
[0034] 其中Ta、Tb、T1、T2、T3对应着频率域的不同转折频率,且Kp、Ki、Kd、Ta、Tb能够用T1、T2、T3表示;
[0035] 通过转换后的G(s)求出系统的穿越频率ωc如下:
[0036]
[0037] 进一步,步骤S5中,针对步骤S2、S3中得到的参数提出以下定义:
[0038]
[0039] 其中λ为定义的一个中间变量,把Kp、Ki、Kd三个参数的选取最后转为λ和T2的选择,参数自整定的规则先取1/T2=f,f为要抑制的负载扰动频率;
[0040] 再基于和电流环匹配需要选取的穿越频率来计算出参数λ;
[0041] 然后计算出Kp、Ki、Kd三个参数;
[0042] 最后再实时引入双电机的位置差,若位置差未控制到理想效果,则缓慢减小T2的值,并判断此时2/Ta是否小于fd/2,若小于则继续增大加强抑制效果,否则T2已达到稳定裕度范围内的最大值,T2变化后,重新计算参数λc以求取Kp、Ki、Kd三个参数。
[0043] 本发明的有益效果在于:
[0044] (1)本发明分析了耦合结构作用于单电机不同位置控制的稳定性和带宽以及不同耦合控制律的抗扰能力,证明了基于电流环的自适应双电机PID同步控制在稳定性和抗扰动能力上皆优于传统PI控制。
[0045] (2)本发明证明了PID控制参数互相耦合着影响系统稳定和抗扰,推导出了表征系统稳定性和抗扰性的等效参数,提出了抗负载扰动的控制参数在线自适应整定方法,该法简单明了且易于在工程中实现。
[0046] (3)本发明提出的参数在线自适应整定方法在控制系统的CPU里运算,能够根据实际情况实时自行变化,抑制阶跃和脉动负载。
[0047] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
[0049] 图1为交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统结构图;
[0050] 图2中(a)为基于电压环的耦合系统结构框图,(b)为基于电流环的耦合系统结构框图,(c)为基于速度环的耦合系统结构框图;
[0051] 图3为考虑扰动系统且基于电流环的耦合系统结构图;
[0052] 图4为控制参数在线自适应整定流程图
[0053] 图5为阶跃负载下的位置同步实验波形图;
[0054] 图6为脉动负载下的位置同步实验波形图;
[0055] 图7为参数在线自适应整定时的位置差动态波形图。

具体实施方式

[0056] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0057] 其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0058] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0059] 本发明提供一种永磁同步电驱系统位置同步抗扰动控制方法。该方法包括以下步骤:
[0060] S1:建立交叉耦合结构作用于不同位置的双永磁电机系统模型图1所示。单电机的速度环和电流环均用PI控制器,两台自身的控制回路一致,ωref为速度环的给定速度,ω1和ω2分别为两台电机的实际速度,各自反馈到其速度环,形成速度反馈回路,速度环的输* *出为q轴电流给定即iq1 、iq2 ,电流环采用id=0控制,iq1、iq2、id1、id2分别为电机1和电机2的实际q轴和d轴电流,各自反馈到其电流环,形成电流反馈回路,电流环的输出为电压的d、q* * * *
轴给定即uq1、uq2 、ud1、ud2,电压通过电机,产生位置θ1、θ2;耦合结构的输入为两台电机的位置差Δθ,可以输出耦合电压uqc、耦合电流iqc或耦合速度ωc,对应作用到速度环、电流环、电压环,仅选用一种分别反向交叉补偿到两轴。基于电压环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电压uqc,再经过电机得到θ1;基于电流环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合电流iqc,再经过电机电流环和电机得到θ1;基于速度环的耦合系统中,给定一个值Δθ,以Δθ为输入,以θ1为输出,通过耦合结构输出为耦合速度ωqc,再经过电机速度环、电流环和电机得到θ1,如图1中的Ⅰ。同理可推出基于电流环和速度环的耦合系统,对应如图1中的Ⅱ和Ⅲ。
[0061] S2:根据三个结构框图对应写出对应的开环传递函数,画出相应波德图,具体地,包括①确定传递函数的数学表达式②根据传递函数的表达式,确定其分子和分母的多项式表达式③可以使用专业的软件工具MATLAB来绘制。通过幅频曲线穿越0db的横坐标可以线性表示系统的响应快慢,通过相频曲线是否低于‑180°可以表示系统是否稳定,分析得出将耦合结构作用于电流环能够兼顾系统响应性和稳定性。
[0062] 其中,基于电压环的耦合系统结构框图如图2中的(a)所示,其开环传递函数表示如下:
[0063]
[0064] 式中Kt为电机转矩常数;J为电机转动惯量;Ls、Rs为分别为定子电感和电阻。
[0065] 基于电流环的耦合系统结构框图如图2中的(b)所示,其开环传递函数表示如下:
[0066]
[0067] 基于速度环的耦合系统结构框图如图2中的(c)所示,其开环传递函数表示如下:
[0068]
[0069] S3:由图2中(b)的基于电流环的耦合系统,考虑扰动得到新的耦合系统如图3,给定一个位置θref,经过A(s),输出电流iq,然后经过电机对应的表达式 可以得到电机速度ω,再经过积分1/s可以得到电机位置θ
[0070] 由图3的系统,考虑系统的稳态静差和稳定性,最后选用PID控制律为A(s),其表达式如下:
[0071]
[0072] 其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数;
[0073] S4:图3中把PID控制律带入A(s),得到系统的开环传递函数G(s)和扰动闭环传递函数Gd(s)如下:
[0074]
[0075]
[0076] 其中Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分的参数,Kt和J为电机转矩常数和电机转动惯量。由于三个参数相互耦合,一起影响着控制性能,为了理清参数和系统具体性能的关系,将G(s)和Gd(s)转换为下面两式:
[0077]
[0078]
[0079] 其中Ta、Tb、T1、T2、T3对应着频率域的不同转折频率,且Kp、Ki、Kd、Ta、Tb最后都能够用T1、T2、T3表示出来。并且可以通过转换后的G(s)可以求出系统的穿越频率ωc如下:
[0080]
[0081] S5:针对2、3步骤中得到的参数提出以下定义:
[0082]
[0083] 其中λ为定义的一个中间变量,把Kp、Ki、Kd三个参数的选取最后转为λ和T2的选择,参数自整定的规则先取1/T2=f(f为要抑制的负载扰动频率),f可以根据实际情况在线提取,也可以提前计算好;再基于和电流环匹配需要选取的穿越频率来计算出参数λ,然后就可以计算出Kp、Ki、Kd三个参数;最后再实时引入双电机的位置差,若是位置差未控制到理想效果,则缓慢减小T2的值,但为了预留稳定裕度,需要判断此时2/Ta是否小于fd/2,若小于则可以继续增大加强抑制效果,否则T2已达到稳定裕度范围内的最大值,T2变化后,需要重新计算参数λc以求取Kp、Ki、Kd三个参数。对应控制参数在线自适应整定流程图如图4所示。
[0084] 在500r/min下对采用传统控制策略和所提自适应控制策略进行了加阶跃负载位置同步对比实验,对电机2突加1.5N·m负载,位置差实验结果分别如图5所示。图中可以看出所提自适应PID控制位置同步误差最大值和位置同步稳态波动为0.012rad和±0.0012rad,而传统PI控制为0.036rad和0.0023rad。
[0085] 在500r/min下对采用传统控制策略和所提自适应控制策略进行了加脉动负载位置同步对比实验,对电机2加以0.6Hz脉动的负载,位置差实验结果分别如图6所示。图中可以看出所提自适应PID控制位置同步误差最大值和位置同步稳态波动为0.009rad和±0.005rad,而传统PI控制为0.015rad和0.009rad。
[0086] 如图7所示,双电机系统运行转速为300r/min时,负载脉动周期从2s增加为3s时参数T2不变和变化的对比曲线。Ta以前负载脉动频率为0.5Hz,T2取相应周期值为0.318,此时位置差为±0.005rad;Ta到Tb这段时间负载脉动频率为0.333Hz,T2取相应周期为0.477,此时变T2控制下的位置差被控制到±0.006rad,不变T2控制下的位置差增大为±0.007rad;Tb后,T2继续增大到0.53时,可以看到位置差也相应减小到了±0.005rad。实验结果验证在参数T2减小时,系统能更好的抑制位置同步误差。
[0087] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可以实现本方法的步骤,所述的存储介质,如:ROM/RAM、磁碟、光盘等。
[0088] 最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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