一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，通过设计单永磁同步电机的控制算法、确定双电机驱动系统的同步控制结构、建立双永磁同步电机动态数学模型、将数学模型写成奇异摄动系统的形式、分解子系统、分解最优状态调节问题和性能指标、求解子系统Riccati方程、子系统最优解合并为主系统的最优解，从而实现对双永磁同步电机协调控制的优化；可实现通过减少电机间的同步误差来实现双永磁同步电机协调控制，而不是依靠实现单台电机的跟踪误差和控制精度来实现电机间协调控制；设计简单、容易理解、计算量小、实用性强；利用奇异摄动理论降低了系统的求解阶次更加减小了系统设计时的计算量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法
本专利技术涉及一种双电机协调控制优化方法，属电力电子与电力传动
，具体是一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法。
技术介绍
随着工业应用技术水平的不断提高，传统的单电机驱动方案已经不能满足复杂系统的控制要求，所以我们逐渐开始研究多电机驱动方案。多电机系统在众多领域中有着广泛的应用，例如造纸、带式输送机、航空航天、轨道交通[4]等领域。多电机协调系统的好坏直接影响着直接影响生产效率和产品质量，甚至还涉及设备使用寿命和工作环境安全等问题。多电机同步控制系统中，各个电机在实际工作运行过程中，由于每台电机的内部的参数不可能完全相同、外界负载的可能发生突变以及运行过程中存在随机干扰和噪声等，因此往往很难保持各电机的输出转矩或者速度达到同步。经过对现有的关于多电机协调控制方法相关文献的检索发现，涉及的控制方法主要分为经典控制策略、现代控制策略、智能控制策略和前三者组合而成的混合控制策略，例如PID控制、滑膜控制、自适应控制、模糊PID控制、自适应滑模控制、自适应神经网络控制等。PID控制结构简单、参数容易调整，但是在一些复杂过程的控制中有超调大、鲁棒性不强等缺点；滑模控制解决非线性系统的控制问题，但同时带来抖振问题；自适应控制能够有效克服被控对象参数变化的干扰，它的不足之处在于，数学模型、算法复杂，辨识、校正较慢；神经网络控制具有非线性映射能力、有学习能力和智力处理能力等，但是其控制算法相对复杂，数据计算量大；模糊PID控制鲁棒性强、动态响应好、调节效果好，能实现系统解耦，但是模糊控制的规则制定主要依赖于专家意见，且一经确定不能改变；自适应滑模控制方法最大限度地减少控制成本，也减少了因滑模控制引起的抖振现象，但是却增加了系统复杂性和物理实现难度的缺点。因此，尽管多电机协调控制的研究已经取得了很多成果，但仍有相关学者和工程专家对于这个具有挑战性的重要难题进行研究和探讨，以满足当前对复杂工况中多电机驱动系统的高效运行、高控制精度的迫切要求。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，可确保减小整个系统同步误差为控制目标，实现多电机驱动系统的速度同步和功率平衡。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，包括以下步骤：S10、根据现有方法，设计单永磁同步电机的控制算法，保证单台电机具有比较好的控制性能；S20、选择两台电机的联接特点，确定双电机驱动系统的同步控制结构；S30、建立双永磁同步电机驱动系统的协调控制下的动态数学模型；S40、根据奇异摄动理论，将步骤S30中的数学模型写成奇异摄动系统的形式，将系统中慢、快变量分别提出来；S50、将奇异摄动系统分解成慢、快两个子系统；S60、将奇异摄动系统的最优状态调节问题和性能指标分解为慢、快两个子系统调节问题；S70、通过求解两个子系统的Riccati方程，得到慢、快两个子系统的最优解；S80、通过慢、快两个子系统的最优解合并成双永磁同步电机驱动系统的最优解，实现对双永磁同步电机协调控制的优化。优选的，所述的步骤S30中建立的双永磁同步电机驱动系统进行数学模型化简：由于PMSM输出的电磁转矩只取决于d轴电流分量和q轴电流分量，可调节电磁转矩与电流成线性关系，再通过调节两电机ACDR的PI参数，从而简化数学模型。本专利技术的有益效果是：可实现通过减少电机间的同步误差来实现双永磁同步电机协调控制，而不是依靠实现单台电机的跟踪误差和控制精度来实现电机间协调控制；设计简单、容易理解、计算量小、实用性强；利用奇异摄动理论降低了系统的求解阶次更加减小了系统设计时的计算量。附图说明图1为单台永磁同步电机控制方案；图2为双永磁同步电机的控制结构图；图3为双永磁同步电机的优化控制策略；图4(a)为双永磁同步电机优化控制后的给定角速度和两电机实际角速度图；图4(b)为双永磁同步电机优化控制后的角速度之差；图4(c)为双永磁同步电机优化控制后的电流只差；图5(a)为未使用优化策略的DPMSMs系统的给定角速度和两电机实际角速度图；图5(b)为未使用优化策略的DPMSMs系统的两电机角速度之差；图5(c)为未使用优化策略的DPMSMs系统的两电机q轴电流之差；图6(a)为使用LQR优化算法的DPMSMs系统的给定角速度和两电机实际角速度图；图6(b)为使用LQR优化算法的DPMSMs系统的两电机角速度之差；图6(c)为使用LQR优化算法的DPMSMs系统的两电机q轴电流只差。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，包括以下步骤：S10、根据现有方法，设计单永磁同步电机的控制算法，保证单台电机具有比较好的控制性能：建立PMSM的在d-q旋转坐标系下的数学模型；单台PMSM在d-q坐标系下的动态数学模型为：其中，Lsd,Lsq分别是d,q轴轴电感，Rs是定子电阻；是永磁磁通；np是极对数；B是摩擦系数；J是转动惯量；id,iq分别是d,q轴轴电流；ud,uq分别是d,q轴轴电压；ω是转子角速度；Tl是负载转矩；而PMSM电磁转矩方程为：从上式可以看到，在转子磁链恒定不变的情况下，PMSM的电磁转矩取决于定子交直轴电流分量(id,iq)；当采用id＝0策略时，从单电机单元整体上来观察，定子绕组中只有交轴分量电流，且转子磁场空间矢量与定子中磁动势空间矢量正交，永磁同步电机相当于普通的他励直流电机；此时，PMSM的电磁转矩方程化简为：从式(2)可以看出，通过控制iq的大小能控制电机的转矩；PMSM的功率为：P＝3*(U*Id*sinθ+U*Iq*cosθ)；从上式中可以看出，电机的功率只和转矩有关，结合式(2)，通过调节电流的大小，可以改变电机的功率；为了保证单台电机具有良好的跟踪效果、鲁棒性等，我们采用双闭环矢量控制策略，原理框图如图1所示：通过设定电机转子角速度进而通过PI转速调节器设定定子交直轴电流分量，经过电流调节器从而转换为电压经过PARK变换及SVPWM再经过反相器，其电流经过内环Clarl变换、PARK变换后反馈；电流作用到电机后通过速度检测器，检测器转速，进而将转速通过外观反馈；其中，速度环为外环、电流环为内环，且两控制环均采用PI控制。S20、选择两台电机的联接特点，确定双电机驱动系统的同步控制结构：理想情况下，两有机械联接的双永磁同步电机的转速是相同的，可是受到周围环境和自身参数的影响导致两电机转速不一致。当两永磁同步电机的转速不一致时，两电机将会产生对彼此相互影响的耦合力，并将它们等效为附加负载，建立整个系统的数学模型。在单台电机数学模型(1)的基础上，得到两耦合永磁同步电机数学模型为：两台电机之间因柔性联接，存在耦合关系，所以常用的控制策略有主从控制和并行控制。本文为了保证具有较高的响应速度和准确的调速性能，采用主从同步控制结构，且主电机有转速调节器和电流调节器，而从电机只有电流调节器，并且主电机的输出电流作为从电机的电流调节器的给定输入。DPMSMs同步控制结构框图如图2所示：主电机控制电路通过速度调节器、主电机电流调节器、主电机变频器至主电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、设计单永磁同步电机的控制算法：建立单台PMSM在d‑q坐标系下的动态数学模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于有机械联接的双永磁同步电机协调控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、设计单永磁同步电机的控制算法：建立单台PMSM在d-q坐标系下的动态数学模型：S20、选择两台电机的联接特点，确定双电机驱动系统的同步控制结构：在单台电机数学模型的基础上，得到两耦合永磁同步电机数学模型为：S30、建立双永磁同步电机驱动系统的协调控制下的动态数学模型，后写成状态空间形式：数学模型为：状态空间形式为：S40、根据奇异摄动理论，将步骤S30中的数学模型写成奇异摄动系统的形式，将系统中慢、快变量分别提出来：将两电机的电流作为快变量，转速等状态作为慢变量；奇异摄动线性时变系统为：S50、将奇异摄动系统分解成慢、快两个子系统：慢子系统为：快子系统为：S60、将奇异摄动系统的最优状态调节问题和性能指标分解为慢、快两个子系...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春雨，孟凡仪，周林娜，褚菲，车志远，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32