MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法技术

本发明专利技术涉及一种MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法，首先建立由蜗簧箱、永磁同步电动机和变频器依次连接而成机械弹性储能装置全系统数学模型；其次采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数：再次结合辨识结果设计转角，转速，转矩和磁链反推控制器并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量，同时设计转动惯量和转矩自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响，最后应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号，控制变频器运行，实现对永磁同步电机的有效控制，保证储能过程的平稳。

【技术实现步骤摘要】
MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法
本专利技术属于电机
，涉及以机械弹性储能箱为负载的永磁同步电机的控制方法，由其是一种MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法。
技术介绍
机械弹性储能装置的储能元件为机械弹性储能箱，其内部结构为蜗卷弹簧的并列。通过永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)的驱动实现电能到机械弹性势能的转换与存储。在储能过程中储能箱的转矩和转动惯量连续时变，特别是储能箱反向作用力矩随储能过程的进行而逐渐变大，如果电机输出转矩不能快速匹配，可能导致储能箱带着电机反转，损毁电机。同时转动惯量的时变特性可能造成电机转速的抖震，影响储能箱的机械性能和破坏储能过程的平稳性。蜗卷弹簧作为大型刚性机械部件，需要一种自治性较强的控制系统，保证储能时永磁同步电动机在低速下平稳运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的电机控制方案对时变负载控制性能的不足，提供一种反推自适应直接转矩控制方法,实现储能控制系统的平稳运行。本专利技术所述问题是以下述技术方案实现的：一种MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法，所述方法首先建立由机械弹性储能箱、PMSM、变频器依次连接而成的机械弹性储能系统的数学模型；然后设计遗忘因子递推最小二乘辨识算法辨识储能箱转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数，并结合其辨识结果设计速度、转矩、磁链反推控制器，同时设计自适应控制方法，消除辨识误差对控制系统的影响，保证储能系统能在低速下平稳运行。上述为带机械弹性储能装置的PMSM反推自适应直接转矩控制方法，所述方法包括以下步骤：a.根据PMSM的实际运行参数，建立机械弹性储能装置的数学模型：T＝T0+cδ＝T0+cωt其中：T为蜗簧箱机械转矩，J为蜗簧箱转动惯量，T0为蜗簧箱初始转矩，ω、δ分别为蜗簧芯轴的转速和转过的角度，c为蜗簧转矩系数，E、l、b和h分别为蜗簧的材料弹性模量、长度、宽度和厚度，t为时间，Je为蜗簧完全释放时的转动惯量，n为蜗簧箱总的储能圈数，uα、uβ为定子α、β轴电压，iα、iβ为定子电流α、β轴分量，L为定子电感，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，ψ为定子磁链，R为定子相电阻，np为转子极对数，ω为转子机械角速度，Te为电磁转矩，Bm为粘滞阻尼系数，Eα、Eβ为电机的反电动势α、β轴分量。b.蜗簧箱转矩和转动惯量同时辨识：Δω(k)＝ω(k)-ω(k-1)式中，T为蜗簧箱机械转矩，J为蜗簧箱转动惯量，np为转子极对数，是θ的估计值，K和P分别为增益矩阵和协方差矩阵，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，iα、iβ为定子电流α、β轴分量，λ是遗忘因子，和蜗簧箱转动惯量和转矩的辨识值，Ts为采样周期，k为采样点，和表示和的辨识误差，I为单位矩阵。c.反推自适应直接转矩控制器设计eθ＝θ-θrefeω＝ω-ωrefeT＝T-Trefeψ＝ψ-ψrefEα＝-ωψfsinθEβ＝ωψfcosθ式中，θref、ωref、Tref和ψref分别为θ、ω、T和ψ的参考值，θ、ω、T和ψ分别为储能箱工作圈数，电机转子角速度，储能箱转矩和转子磁链，eθ、eω、eT和eψ为误差变量，分别为θref的一、二、三阶导数，为的导数，kθ、kω、kT、kψ为正的控制增益，L为定子电感，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，iα、iβ为定子电流α、β轴分量，Eα、Eβ为电机的反电动势α、β轴分量，ψf为转子永磁磁链，Te为电磁转矩，为uα、uβ的参考值。c.将控制电压和输入到PMSM数学模型，实现对PMSM的控制。本专利技术的优点和积极效果：1、本专利技术充分利用了直接转矩控制控制的优点，并引入了辨识和反推自适应控制算法，使控制系统具有更好的动态性能。2、本专利技术针对蜗簧储能特点，设计了遗忘因子最小二乘法递推辨识算法同时辨识转矩和转动惯量；并且基于辨识结果设计反推自适应直接转矩控制器。试验结果表明，本专利技术实现了永磁同步电机的高精度控制，保证机械弹性储能系统平稳高效的储能。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是机械弹性储能机组储能部分系统模型；图2是反推自适应直接转矩控制实现框图；图3(a)是储能箱转矩辨识效果曲线图；图3(b)是储能箱转动惯量辨识效果曲线图图4是储能箱工作圈数曲线图；图5是电机转速变化曲线图；图6是转矩跟踪变化曲线图；图7是电机相电流变化曲线图；文中各符号为：T为蜗簧箱机械转矩，J为蜗簧箱转动惯量，T0为蜗簧储能时的初始转矩，δ储能箱转过的角度，c为蜗簧转矩系数，E、L、b和h分别为储能蜗簧的材料弹性模量、长度、宽度和厚度，t为时间，Je为蜗簧完全释放时的转动惯量，n为蜗簧总的储能圈数，uα、uβ为定子α、β轴电压，iα、iβ为定子α、β轴电流，L为定子电感，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，ψ为定子磁链，R为定子相电阻，np为转子极对数，ω为转子机械角速度，Te为电磁转矩，Bm为粘滞阻尼系数，Eα、Eβ为电机的反电动势α、β轴分量，是θ的估计值，K和P分别为增益矩阵和协方差矩阵，λ是遗忘因子，和蜗簧箱转动惯量和转矩的辨识值，Ts为采样周期，k为采样点，和表示和的辨识误差，θref、ωref、Tref和ψref分别为θ、ω、T和ψ的参考值，eθ、eω、eT和eψ为误差变量，分别为θref的一、二、三阶导数，为的导数，kθ、kω、kT、kψ为正的控制增益，ψf为转子永磁磁链，为uα、uβ的参考值。具体实施方式本专利技术由以下技术方案实现：1.机械弹性储能系统数学建模机械弹性储能装置储能部分模型如图1所示，电网通变频器和PMSM相连，通过本专利技术控制策略，驱动PMSM实现的平稳储能。在储能过程中，永磁同步电动机运行于电动机机状态，永磁同步电动机在α、β轴坐标系下的数学模型可写为：定子电流方程定子磁链方程转子运动方程电磁转矩方程式中：iα、iβ为定子α、β轴电流，L为定子电感，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，ψ为定子磁链，R为定子相电阻，np为转子极对数，ω为转子机械角速度，uα、uβ为定子电压α、β轴分量，T为蜗簧箱机械转矩，J为蜗簧箱转动惯量，Te为电磁转矩，Bm为粘滞阻尼系数，Eα、Eβ为电机的反电动势。储能时，蜗簧箱作为负载，根据材料力学知识，其数学模型可通过机械转矩T和转动惯量J予以描述，如式(5)和(6)所示。T＝T0+cδ＝T0+cωt(5)其中，T0为蜗簧储能时的初始转矩，ω、δ分别为蜗簧芯轴的转速和转过的角度，c为蜗簧转矩系数，是一个常量，对于矩阵截面的蜗簧，E、b、h和l分别表示蜗簧材料的弹性模量、宽度、厚度和长度，t为时间，Je为蜗簧完全释放时的转动惯量，n为蜗簧总的工作圈数。式(5)和式(6)表明，储能过程中，作为负载的涡卷弹簧转矩不断增大，转动惯量则逐渐减小。公式(1)到(6)就构成了机械弹性储能机组储能部分全系统数学模型。2.控制方案设计2.1蜗簧箱转矩和转动惯量的同时辨识鉴于遗忘因子递推最小二乘法辨识的优越性，将其应用于实时辨识蜗簧箱的转矩和转动惯量。忽略Bm，PMSM转子运动方程(3)可离散化为：式中，Ts为采样周期，k为采样点。令Δω(k)＝ω(k+1)-ω(k)，式(7)可表示为：式中，基于式(8)，采用带遗忘因子的最小二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法，其特征在于：首先建立由蜗簧箱、永磁同步电动机和变频器依次连接而成的机械弹性储能装置全系统数学模型；其次采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数：再次结合辨识结果设计转角，转速，转矩和磁链反推控制器并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量，同时设计转动惯量和转矩自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响，最后应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号，控制变频器运行，实现对永磁同步电机的控制。

【技术特征摘要】
1.一种MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法，其特征在于：首先建立由蜗簧箱、永磁同步电动机和变频器依次连接而成的机械弹性储能装置全系统数学模型；其次采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数：再次结合辨识结果设计转角，转速，转矩和磁链反推控制器并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量，同时设计转动惯量和转矩自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响，最后应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号，控制变频器运行，实现对永磁同步电机的控制。2.根据权利要求1所述的MEES中永磁同步电机反推自适应直接转矩控制方法，其特征在于：所述的机械弹性储能装置全系统数学模型为：T＝T0+cδ＝T0+cωt其中：T为蜗簧箱机械转矩，J为蜗簧箱转动惯量，T0为蜗簧储能时的初始转矩，δ蜗簧芯轴转过的角度，c为蜗簧转矩系数，E、l、b和h分别为储能蜗簧的材料弹性模量、长度、宽度和厚度，t为时间，Je为蜗簧完全释放时的转动惯量，n为蜗簧总的储能圈数，uα、uβ为定子α、β轴电压，iα、iβ为定子电流α、β轴分量，L为定子电感，ψα、ψβ为定子磁链α、β轴分量，ψ为定子磁链，R为定子相电阻，np为转子极对数，ω为转子机械角速度，Te为电磁转矩，Bm为粘滞阻尼系数，Eα、Eβ为电机的反电动势α、β轴分量。3.根据权利要求1所述的MEES中永磁同步电机反...

【专利技术属性】
技术研发人员：米增强，郑晓明，余洋，畅达，李晓龙，孙辰军，魏明磊，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，国网河北省电力公司，
类型：发明
国别省市：河北,13