双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法技术方案

技术编号:14873488 阅读:107 留言:0更新日期:2017-03-23 21:17
本发明专利技术公开了一种双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法:建立永磁同步电机的离散数学模型:包括永磁同步电机在d‑q轴坐标系下的电压方程和电磁转矩方程,以及永磁同步电机的运动方程;基于滑模控制原理,分别对两台永磁同步电机的转速环控制器进行设计,均设计为积分型滑模速度控制器;基于交叉耦合原理设计速度同步控制器,分别对两台永磁同步电机的电流环进行补偿。本发明专利技术对于负载扰动具有较好的鲁棒性和快速性,能够有效提升双电机驱动系统的转速跟踪和同步性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多电机速度协同控制领域,更具体的说,是涉及一种双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法
技术介绍
在大型数控转台、雷达天线、龙门起重机等大功率、大转矩负载场合,为减小电机体积、降低成本,同时满足输出功率的需求,常采用两台电机或者多台电机共同驱动负载的方式,而多台电机间转速同步性能的好坏将直接影系统的可靠性和控制精度。电气传动系统中使用的交流电机主要包括异步电机和永磁同步电机,而永磁同步电机(Permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)以其体积小、重量轻、功率密度高、可靠性好、控制性能优越等优点在电机调速系统中得到了广泛应用。当采用两台电机共同驱动负载时,由于两条传动链的抗扭特性差异以及两台电机所受负载扰动不同等因素,电机之间很可能存在转速偏差出现失同步现象,极易激发差速振荡而影响系统的稳定性,严重时还会造成单台电机过载甚至机械轴断裂,因此必须采取一定的控制方法来加强两台驱动电机之间的转速同步性能。传统的双电机转速同步控制方法通常采用双PI并行控制,即两台电机之间采用并行运行方式,具有相同的转速参考输入,两台电机的控制系统均采用电流、转速双PI闭环控制。传统控制方法结构简单,易于调节,系统在起停阶段的同步性能较好,但存在以下几方面的问题:(1)PMSM具有多变量、非线性、强耦合等特点,难以建立起其准确的数学模型,这使得采用PI控制容易受到系统内部参数变化和外部扰动等因素的影响,系统鲁棒性不强。(2)当其中一台电机受到负载扰动而发生转速变化时,由于两台电机之间无耦合,并不能被另一台电机所“感知”,从而两台电机之间会产生转速同步误差出现失同步现象,系统的同步性能较差。(3)当两台电机转速出现同步误差时,只能通过各自的转速环和电流环进行调节,调节速度较慢。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足,结合滑模控制算法和交叉耦合控制结构,提供一种算法简单、易于实现的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,对于负载扰动具有较好的鲁棒性和快速性,能够有效提升双电机驱动系统的转速跟踪和同步性能。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现。本专利技术的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,包括以下步骤:步骤一,建立永磁同步电机的离散数学模型:包括永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电压方程和电磁转矩方程,以及永磁同步电机的运动方程;步骤二,基于滑模控制原理,分别对两台永磁同步电机的转速环控制器进行设计,均设计为积分型滑模速度控制器;步骤三,基于交叉耦合原理设计速度同步控制器,分别对两台永磁同步电机的电流环进行补偿。所述步骤一中永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电压方程为:永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电磁转矩方程为:永磁同步电机的运动方程为:其中,ud(k)为k时刻电机的d轴电压分量;uq(k)为k时刻电机的q轴电压分量;R为电机的定子绕组电阻;id(k)为k时刻电机的d轴电流分量;iq(k)为k时刻电机的q轴电流分量;ωe(k)为k时刻电机转子的电角速度;Ld为电机的d轴电感;Lq为电机的q轴电感;ψf为电机的永磁体与定子交链磁链;id(k+1)为k+1时刻电机的d轴电流分量;iq(k+1)为k+1时刻电机的q轴电流分量;Ts为系统采样周期;Te(k)为k时刻电机的电磁转矩;p为电机的极对数;TL(k)为k时刻电机的负载转矩;J为电机的转动惯量;ωe(k+1)为k+1时刻电机转子的电角速度;B为电机的摩擦系数。所述步骤二中积分型滑模速度控制器的具体设计过程为:取永磁同步电机控制系统的离散状态变量为:永磁同步电机控制系统的离散状态方程为:选择永磁同步电机控制系统的滑模面s(k)为:s(k)=x1(k)+cx2(k)选取状态变量的初始值为:为减弱控制信号的高频抖动,采用的滑模趋近律如下:得到k时刻的滑模速度控制量iqi_ref(k)为:其中,x1(k)、x2(k)为k时刻永磁同步电机控制系统的离散状态变量;ω*为电机的参考转速;ωi(k)为k时刻电机i的实际转速;x1(k+1)、x2(k+1)为k+1时刻永磁同步电机控制系统的离散状态变量;ωi(k-1)为k-1时刻电机i的实际转速;p为电机的极对数;ψf为电机的永磁体与定子交链磁链;J为电机的转动惯量;iqi(k)为k时刻电机i的q轴电流;B为电机的摩擦系数;TLi(k)为k时刻电机i的负载转矩;s(k)为k时刻永磁同步电机控制系统的滑模面;c为大于零的常数;x1(0)、x2(0)为k=0时刻x1(k)、x2(k)的取值;s(k+1)为k+1时刻永磁同步电机控制系统的滑模面;ε是系统克服外扰动的主要参数,ε>0;γ为趋近速度参数,γ>0;1-γTs>0,Ts为系统采样周期;sat(s(k))为关于s(k)的饱和函数;Δ为滑模面的边界层厚度;iqi_ref(k)为k时刻电机i的积分型滑模速度控制器的输出。所述步骤三中速度同步控制器的设计过程:将两台永磁同步电机的实时转速进行比较,得到一个差值信号,将该差值信号乘以反馈同步系数后作为速度补偿信号分别反馈到两台永磁同步电机的电流环。6.根据权利要求4所述的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,其特征在于,所述速度补偿信号为:iqsi(k)=(-1)iK(ω1(k)-ω2(k)),i=1,2其中,iqsi(k)为k时刻电机i的速度补偿信号;K为反馈同步系数,K>0;ω1(k)为k时刻电机1的实际转速;ω2(k)为k时刻电机2的实际转速。与现有技术相比,本专利技术的技术方案所带来的有益效果是:本专利技术是对传统双电机驱动系统转速同步控制方法进行了算法和结构上的改进。PMSM具有多变量、非线性、强耦合等特点,难以建立起其准确的数学模型,这使得采用PI控制容易受到系统内部参数变化和外部扰动等因素的影响,系统鲁棒性不强,而滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、对模型精度要求不高、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点,因此本专利技术在算法上通过采用积分型滑模速度控制器,提高了系统受到负载扰动时的跟踪性能和鲁棒性能;在结构上基于交叉耦合原理设计了速度同步控制器,增强了两台电机之间的转速耦合作用,将转速同步误差信号反馈到两台电机的电流环,缩短了系统受到负载扰动时的恢复时间,提高了系统的同步性能。附图说明图1为永磁同步电机的空间矢量图;图2为传统双PI并行控制的结构图;图3为本专利技术的系统结构图;图4为积分型滑模速度控制器的结构图;图5为电机1的速度同步控制原理结构图。具体实施方式本专利技术提出的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,为了增强整个系统对负载扰动的鲁棒性,首先基于滑模控制原理,设计了积分型滑模速度控制器,来提高单台电机对于负载扰动的鲁棒性,然后基于交叉耦合原理,设计了速度同步控制器来对两台电机的电流环进行补偿,通过选择合适的反馈同步系数,使两台电机转速在受到负载扰动时尽快地达到同步,从而提高整个系统受到负载扰动的同步性和转速恢复的快速性。下面结合附图从永磁同步电机数学模型、控制系统设计、控制原理分析等方面对本专利技术进一步说明。(一)在实际工程中,计算机实时控制均为离散系统,因此本专利技术首先建立永磁同步电机的离散数学模型。系统中采用两台参数相同的永磁同步电机,图1为永磁同步电机本文档来自技高网
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双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法

【技术保护点】
双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,建立永磁同步电机的离散数学模型:包括永磁同步电机在d‑q轴坐标系下的电压方程和电磁转矩方程,以及永磁同步电机的运动方程;步骤二,基于滑模控制原理,分别对两台永磁同步电机的转速环控制器进行设计,均设计为积分型滑模速度控制器;步骤三,基于交叉耦合原理设计速度同步控制器,分别对两台永磁同步电机的电流环进行补偿。

【技术特征摘要】
1.双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,建立永磁同步电机的离散数学模型:包括永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电压方程和电磁转矩方程,以及永磁同步电机的运动方程;步骤二,基于滑模控制原理,分别对两台永磁同步电机的转速环控制器进行设计,均设计为积分型滑模速度控制器;步骤三,基于交叉耦合原理设计速度同步控制器,分别对两台永磁同步电机的电流环进行补偿。2.根据权利要求1所述的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,其特征在于,所述步骤一中永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电压方程为:ud(k)=Rid(k)-ωe(k)Lqiq(k)+Ldid(k+1)-id(k)Tsuq(k)=Riq(k)+ωe(k)(Ldid(k)+ψf)+Lqiq(k+1)-iq(k)Ts]]>永磁同步电机在d-q轴坐标系下的电磁转矩方程为:Te(k)=32p[ψfiq(k)+(Ld-Lq)id(k)iq(k)]=32pψfiq(k)]]>永磁同步电机的运动方程为:Te(k)-TL(k)=Jpωe(k+1)-ωe(k)Ts+Bpωe(k)]]>其中,ud(k)为k时刻电机的d轴电压分量;uq(k)为k时刻电机的q轴电压分量;R为电机的定子绕组电阻;id(k)为k时刻电机的d轴电流分量;iq(k)为k时刻电机的q轴电流分量;ωe(k)为k时刻电机转子的电角速度;Ld为电机的d轴电感;Lq为电机的q轴电感;ψf为电机的永磁体与定子交链磁链;id(k+1)为k+1时刻电机的d轴电流分量;iq(k+1)为k+1时刻电机的q轴电流分量;Ts为系统采样周期;Te(k)为k时刻电机的电磁转矩;p为电机的极对数;TL(k)为k时刻电机的负载转矩;J为电机的转动惯量;ωe(k+1)为k+1时刻电机转子的电角速度;B为电机的摩擦系数。3.根据权利要求1所述的双永磁同步电机驱动系统转速同步控制方法,其特征在于,所述步骤二中积分型滑模速度控制器的具体设计过程为:取永磁同步电机控制系统的离散状态变量为:x1(k)=ω*-ωi(k)x2(k)=TsΣk=-∞t[ω*-ωi(k)],i=1,2]]>永磁同步电机控制系统的离散状态方程为:x1(k+1)-x1(k)Ts=-ωi(k)+ωi(k-1)=-3pψf2Jiqi(k)+BJωi(k)+TLi(k)Jx2(...

【专利技术属性】
技术研发人员:夏长亮李莉王志强谷鑫
申请(专利权)人:天津工业大学
类型:发明
国别省市:天津;12

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