基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法技术

基于变阻尼的二自由度无源控制的永磁同步电机控制系统，由主电路和控制电路构成，控制电路包括信号检测电路、转速控制外环，以及转矩控制内环；其采用PI控制方法实现转速外环控制器的设计，输出为无源控制的给定信号，转矩磁链内环控制器采用变阻尼的二自由度无源控制方法，其输出为两相旋转坐标系上的两相交流电压，经空间矢量脉宽调制变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电机的无源控制。本发明专利技术实现了跟踪性能和干扰性能独立整定，使电动机转速达到精确控制的要求，能够有效地改善系统的整体性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制
，涉及一种。
技术介绍
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,永磁同步电机)是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，具有高精度、高动态性能、高可靠性、小体积等优势，在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用，如工业、民用、军事等领域。现有的永磁同步电机控制方法基本以矢量控制或者直接转矩控制为基础，虽然都能获得较高的动、静态性能，但矢量控制系统存在结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。直接转矩控制系统在起动和低速运行时转矩波动较大。对此，为获得高性能永磁同步电机控制系统，一些利用非线性控制系统设计的控制方案被提出，如自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等控制方法来进行研究，使永磁同步电机系统的性能有了较大的提高，但仍存在一些问题。自适应控制方法在处理非线性系统及系统结构变化的能力较差，在多输出系统中的应用尚不成熟。滑模变结构控制方法由于频繁高速的开关切换会带来高频抖动。模糊控制方法的控制精度不高，稳态精度低，甚至产生震荡。
技术实现思路
本专利技术是为克服上述现有技术所存在的不足之处，提出一种，以解决电机转速，电机参数影响永磁同步电机控制系统控制精度和动态响应速度的问题。本专利技术是这样实现的，，为建立永磁同步电机端口受控哈密顿系统模型，将其分解为电气和机械2个无源子系统的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正系统受到的各种外扰d(s)，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分跟踪器实现。本专利技术的特点还在于上述控制方法采用的控制系统包括主电路和控制电路，主电路包括逆变器模块和永磁同步电机模块；控制电路包括转速外环控制器PI模块，变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块，速度编码器模块，两个2/2坐标变换模块，3/2坐标变换模块，空间矢量脉宽调制模块；控制系统所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到，具体实施步骤如下I)基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立永磁同步电机无源控制的模型为udHnpa>Ldiq K1 二 _k2 (4 -'Q+Rfq+np(po) +npLjdco式中，ki，k2可调阻尼参数，Ld、Lq是d_q坐标系下电感， 转子机械角速度，炉永磁体产生的磁链，Rs为定子电阻，np极对数；2) 二阶跟踪微分器是一个这样的动态系统对它输入一个信号V(t),它将输出两个信号X1和X2，其中X1是跟踪v(t)，从而X2作为v(t)的“近似微分”，变阻尼注入值由下面方程确定 X1=JC2 (X IxI I^x2 = -asat X1 —v⑷ + 2 2\d I la ) y=K-{K -k2)xi其中 sign{A)\A\>8sa((j,S)=< ^5,3 >Q` kx>k2 >0上式中Ic1是启动开始时希望加入的阻尼值，k2是接近稳态时希望加入较小阻尼的值，y为阻尼输出值，结合步骤I，构成变阻尼无源控制器模块；3)为了更好的实现跟踪性和鲁棒性，在电流反馈通道中加入了一个低通滤波器Fr(S)模块，将Fr(S)设计为KO) = +，至此，完成了基于变阻尼二自由度无源控制模块 As+ I7的建模；4)永磁同步电机控制系统工作流程如下将永磁同步电机模块的定子绕组电流ia、ib、i。，输入到控制电路中的3/2坐标变换模块，得到两相静止坐标系下的电流分量ia、i 0，再输入到2/2坐标变换模块，得到两相旋转坐标系下的电流分量id、iq,然后将上述信号送至变阻尼二自由度无源控制器模块7，速度编码器模块8得到转子位置0和转速《，然后分别送给两个2/2坐标变换模块和转速外环控制器PI模块；将q轴电流的期望值与反馈电流作差，得到电流误差Aiq，d轴的电流给定值idMf=0与输出的d轴电流作差，得到A id，经过变阻尼二自由度无源控制器模块7的调节输出电压分量Ud、Uq，经2/2坐标变换模块反变换输出Ua、Ue，最后通过空间矢量脉宽调制模块，输出六路PWM信号供给逆变器模块工作，将直流母线电压Udc以PWM波的形式施加到永磁同步电机模块上。本专利技术具有如下有益效果1、本专利技术基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，完成了表面式永磁同步电机的PCH系统的建模。从电动机的能量入手，利用不影响稳定性的无功力简化控制器的设计，直接利用输入输出反馈即可实现系统的全局稳定性，无奇异点问题，对系统参数变化及外来扰动有较强的鲁棒性。选择不同输出函数和能量函数，可设计出多种无源控制器，已成功应于EL (Euler-Lagrange,EL)方程所描述的控制系统,且EL模型中有反对称矩阵，简化了无源控制律。2、本专利技术提供的电流环控制方法，由变阻尼的二自由度无源控制器实现，生成并准确的控制d_q旋转坐标系下的两个电压分量ud、iv且无积分饱和的问题。它实现了对给定转速和指令电流的无静差跟踪和对力矩的实时估算，进而准确的控制定子三相电流。3、本专利技术简化了控制系统结构，物理意义明确，系统易于实现。不需要同时设计负载转矩观测器等。4、本专利技术将变阻尼的二自由度结构引入到无源控制之中，提出了基于变阻尼二自由度的无源控制器，实现了跟踪性和鲁棒性同时优化，而且参数的实时调节也保证了系统的稳定性。有效改善永磁同步电机的动静态性能，可应用于工程实践领域。附图说明图1为本专利技术框图；图2为本专利技术二阶跟踪微分器框图；图3为本专利技术永磁同步电机系统框图。图中，1.变阻尼无源控制模块，2.低通滤波器Fr(S)模块，3.逆变器模块，4.永磁同步电机模块，5.控制电路，6.转速外环控制器PI模块，7.变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块，8.速度编码器模块，9.第一 2/2坐标变换模块，10.第二 2/2坐标变换模块，11. 3/2坐标变换模块，12.空间矢量脉宽调制模块，13.主电路。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。，如图1所示，包括变阻尼无源控制器模块I和低通滤波器Fr (S)模块2。变阻尼是由二阶微分跟踪器来实现，如图2所示，为二阶微分跟踪器非线性函数。本专利技术，为建立永磁同步电机端口受控哈密顿系统模型，将其分解为电气和机械2个无源子系统的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正系统受到的各种外扰d (S)，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分跟踪器实现。其控制系统如图3所示，包括主电路13和控制电路5，其中主电路包括逆变器模块3和永磁同步电机模块4，控制电路5包括转速外环控制器PI模块6，变阻尼二自由度无源控制内环控制器模块7，速度编码器模块8，第一 2/2坐标变换模块9、第二 2/2坐标变换模块10，3/2坐标变换模块11，空间矢量脉宽调制模块12 ;其控制方法为建立永磁同步电机端口受控哈密顿系统模型，将其分解为电气和机械2个无源子系统的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正系统受到的各种外扰，为了克服系统到达稳态期本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，其特征在于：建立永磁同步电机端口受控哈密顿系统模型，将其分解为电气和机械2个无源子系统的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正系统受到的各种外扰，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分跟踪器实现。

【技术特征摘要】
1.基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，其特征在于建立永磁同步电机端口受控哈密顿系统模型，将其分解为电气和机械2个无源子系统的反馈并联，采用非线性分析方法建立电流误差方程，通过永磁同步电机的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量；引入二自由度控制技术实时矫正系统受到的各种外扰，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分跟踪器实现。2.如权利要求1所述的基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法，其特征在于包括控制系统，所述控制系统包括主电路(13)...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹忠刚，丁虎晨，钟彦儒，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：