一種永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合控制方法，先通過速度檢測(cè)單元和電流檢測(cè)單元測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)和電動(dòng)機(jī)電流值，然后將實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)和電動(dòng)機(jī)電流值分別送給信號(hào)控制器模塊和能量控制器模塊，兩個(gè)控制模塊根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)電流值和給定轉(zhuǎn)速計(jì)算出控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊，再由選擇開關(guān)模塊根據(jù)判斷條件選擇控制電壓值并送給三相逆變器，然后三相逆變器根據(jù)控制電壓值將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娫打?qū)動(dòng)被控的永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定輸出；其設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，安全可靠，控制步驟簡(jiǎn)單，控制速度精確，控制環(huán)境友好。
【專利說明】一種永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合控制方法， 特別是一種能量控制與信號(hào)控制相結(jié)合控制永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度的混合控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 交流伺服系統(tǒng)由于控制精度高、恒轉(zhuǎn)矩輸出、響應(yīng)速度快和轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，在自動(dòng) 控制系統(tǒng)中扮演者越來越重要的角色?，F(xiàn)有的永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有體積小、性能好、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、轉(zhuǎn)矩大和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高精度、高性能要求的伺服 系統(tǒng)中，永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屬于非線性電磁能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，是一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，其輸入端 口是電氣端口，輸出端口是機(jī)械端口；單位時(shí)間內(nèi)電氣端口的電壓與電流的乘積是電能，機(jī) 械端口的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積是機(jī)械能，根據(jù)能量守恒原理，電氣端口的電能需要與機(jī)械端 口的機(jī)械能相等，能量成形的端口受控哈密頓方法是通過向電氣端口注入電能來確定系統(tǒng) 對(duì)于給定轉(zhuǎn)速的跟蹤，故稱之為能量控制。該方法應(yīng)用于永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制 雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但還存在著缺陷。
[0003] 目前，電機(jī)的兩種控制方法分別為能量控制方法和信號(hào)控制方法， 申請(qǐng)人:檢索到 的由于海生、王海亮和趙克友等在《青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）》2005年3期發(fā)表的"永 磁同步電機(jī)的哈密頓系統(tǒng)建模與控制"等共12篇相關(guān)論文，均是通過能量成形的端口受控 哈密頓方法對(duì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制，使速度在期望的平衡點(diǎn)上取得最小值， 但這種方法在參數(shù)或負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大變化時(shí)均存在不能快速響應(yīng)的缺點(diǎn)；傳統(tǒng)的控制理 論和方法如比例-積分-微分控制等，在永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度控制中也取得了顯著的 成就，在這種傳統(tǒng)的控制方法中，控制器被認(rèn)為是一種將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)輸出信號(hào)處 理設(shè)備，故稱之為信號(hào)控制，其控制目標(biāo)是使永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)受到非線性、不 確定因素的影響，控制器使系統(tǒng)保持誤差信號(hào)最小、減小干擾信號(hào)對(duì)輸出的影響；此方法應(yīng) 用于永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制雖然也取得了一定的成果，但也還存在著諸多缺陷； 申請(qǐng)人:還檢索到強(qiáng)勇、凌有鑄和賈冕茜等在《微電機(jī)》2013年4期發(fā)表的"基于RBF神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的永磁同步電機(jī)速度控制"等37篇文章也涉及到傳統(tǒng)的控制方法，均為比例-積分-微 分方法及其與其它方法相結(jié)合對(duì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制，單純使用比例-積 分-微分方法雖然具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，但存在靜態(tài)誤差的缺點(diǎn)，與其它方法相結(jié)合雖然 減小靜態(tài)誤差，但使得響應(yīng)速度下降。為此，有必要尋求設(shè)計(jì)提出一種新的控制方法，在能 量成形的端口受控哈密頓方法的基礎(chǔ)上加入比例-積分控制策略，當(dāng)系統(tǒng)受到不確定因素 影響（例如參數(shù)變化、負(fù)載干擾等）導(dǎo)致速度遠(yuǎn)離給定值時(shí)，比例-積分控制器工作，使系 統(tǒng)獲得較快的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)速度接近給定值時(shí)，能量控制器工作，使系統(tǒng)獲得更好的穩(wěn)定性 能；從而使永磁冋步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在提1?快速的冋時(shí)，能夠確保速度響應(yīng)不廣生超 調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差最小。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種永磁同步感應(yīng)電 動(dòng)機(jī)速度控制方法，將能量成形的端口受控哈密頓方法與比例-積分控制方法相結(jié)合，實(shí) 現(xiàn)混合控制，能有效克服響應(yīng)速度慢和穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的技術(shù)方案在常規(guī)的控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，包括以下 控制步驟：
[0006] (1)、先通過速度檢測(cè)單元測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)；
[0007] (2)、再通過電流檢測(cè)單元測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值；
[0008] (3)、然后將步驟（1)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)與步驟（2)測(cè)得的電動(dòng)機(jī)電流值分別送 給信號(hào)控制器模塊與能量控制器模塊；
[0009] (4)、再由能量控制器模塊根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定轉(zhuǎn) 速計(jì)算出控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)控制；
[0010] (5)、信號(hào)控制器模塊根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定轉(zhuǎn)速計(jì) 算出控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)控制；
[0011] ￠)、再由選擇開關(guān)模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置的判斷條件選擇控制電壓值并送給三相逆 變器；
[0012] (7)、然后三相逆變器根據(jù)控制電壓值將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娫打?qū)動(dòng)被控 的永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；
[0013] (8)、被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，然后轉(zhuǎn)回步驟（1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控永磁 同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)的混合控制；
[0014] 其中步驟（4)涉及的能量控制器模塊的控制過程包括以下步驟：
[0015] (21)、先給出永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓模型；
[0016] (22)、再確定永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的平衡點(diǎn)；
[0017] (23)、然后確定隱極永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（Ld = Lq)的平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入；
[0018] (24)、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器；
[0019] (25)、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓控制系統(tǒng)器；
[0020] 其中，信號(hào)控制器模塊的控制過程包括以下步驟：
[0021] (31)、先設(shè)計(jì)比例-積分電流調(diào)節(jié)器對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0022] (32)、再設(shè)計(jì)比例-積分-微分速度調(diào)節(jié)器對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0023] 本發(fā)明涉及的常規(guī)的控制系統(tǒng)由信號(hào)控制器模塊、能量控制器模塊、選擇開關(guān)模 塊、逆變器和被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電信息連通組合而成，能量控制器模塊包括負(fù)載轉(zhuǎn) 矩觀測(cè)器和端口受控哈密頓控制器；信號(hào)控制器模塊包括比例-積分-微分速度調(diào)節(jié)器和 比例-積分電流調(diào)節(jié)器。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，將現(xiàn)有的兩種控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合形成一種混合式控制 電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，其設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，安全可靠，控制步驟簡(jiǎn)單，控制速度精確，控制環(huán)境友 好。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0025] 圖1為本發(fā)明的混合控制電機(jī)速度的流程原理示意框圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明涉及的比例-積分-微分控制方法、端口受控哈密頓控制方法、端口 受控哈密頓控制方法與比例-積分-微分控制方法相結(jié)合的混合控制方法下的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì) 比圖，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知和0. 05s突加3N · m干擾轉(zhuǎn)矩情況下仿真實(shí)驗(yàn)得到。
[0027] 圖3為本發(fā)明的比例-積分-微分控制方法、端口受控哈密頓控制方法、端口受控 哈密頓控制方法與比例-積分-微分控制方法相結(jié)合的混合控制方法下的轉(zhuǎn)速對(duì)比圖，在 負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知和〇. 〇5s突加3N · m干擾轉(zhuǎn)矩情況下仿真實(shí)驗(yàn)得到。
【具體實(shí)施方式】：
[0028] 下面結(jié)合附圖并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0029] 實(shí)施例：
[0030] 本實(shí)施例涉及的技術(shù)方案在常規(guī)的控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，包括以下控制步驟：
[0031] (1)、先通過速度檢測(cè)單元3測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)；
[0032] (2)、再通過電流檢測(cè)單元4測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值；
[0033] (3)、然后將步驟⑴測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)與步驟⑵測(cè)得的電動(dòng)機(jī)電流值分別送 給信號(hào)控制器模塊2與能量控制器模塊1 ;
[0034] (4)、再由能量控制器模塊1根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定 轉(zhuǎn)速計(jì)算出控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊7,實(shí)現(xiàn)控制；
[0035] (5)、信號(hào)控制器模塊2根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定轉(zhuǎn)速 計(jì)算出控制電壓并送給選擇開關(guān)模塊7,實(shí)現(xiàn)控制；
[0036] ￠)、再由選擇開關(guān)模塊7根據(jù)預(yù)先設(shè)置的判斷條件選擇控制電壓值并送給三相 逆變器6 ;
[0037] (7)、然后三相逆變器6根據(jù)控制電壓值將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娫打?qū)動(dòng)被 控的永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5 ;
[0038] (8)、被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，然后轉(zhuǎn)回步驟（1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控永 磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5的連續(xù)的混合控制。
[0039] 本實(shí)施例涉及的常規(guī)的控制系統(tǒng)由信號(hào)控制器模塊2、能量控制器模塊1、選擇開 關(guān)模塊7、逆變器6和被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5電信息連通組合而成，能量控制器模塊1 包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和端口受控哈密頓控制器；信號(hào)控制器模塊2包括比例-積分-微分 速度調(diào)節(jié)器和比例-積分電流調(diào)節(jié)器；
[0040] 其中步驟⑷涉及的能量控制器模塊1的控制過程包括以下步驟：
[0041] (21)、先給出永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓模型；
[0042] (22)、再確定永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的平衡點(diǎn)；
[0043] (23)、然后確定隱極永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（Ld = Lq)的平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入；
[0044] (24)、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器；
[0045] (25)、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓控制系統(tǒng)器；
[0046] 其中，信號(hào)控制器模塊2的設(shè)計(jì)過程包括以下步驟：
[0047] (31)、先設(shè)計(jì)比例-積分電流調(diào)節(jié)器對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0048] (32)、再設(shè)計(jì)比例-積分-微分速度調(diào)節(jié)器對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0049] 本實(shí)施例中涉及的能量控制器模塊1的控制的具體步驟如下：
[0050] 步驟（21)給出永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓模型
[0051] 被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5采用三相交流電源供電，將多相繞組等效為直軸d和 交軸q兩相繞組，而直軸d和交軸q兩相繞組在空間上互差90°電角度。在忽略磁飽和、不 計(jì)磁滯和渦流損耗影響、空間磁場(chǎng)呈正弦分布的條件下，當(dāng)阻尼系數(shù)B = 0時(shí)，直軸-交軸 (d_q)坐標(biāo)系下永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為
【權(quán)利要求】
1. 一種永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合控制方法，在常規(guī)的控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，常規(guī)的控制 系統(tǒng)由信號(hào)控制器模塊、能量控制器模塊、選擇開關(guān)模塊、逆變器和被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)電信息連通組合而成，能量控制器模塊包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和端口受控哈密頓控制器； 信號(hào)控制器模塊包括比例-積分-微分速度調(diào)節(jié)器和比例-積分電流調(diào)節(jié)器，其特征在于 包括以下控制步驟： (1) 、先通過速度檢測(cè)單元測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)； (2) 、再通過電流檢測(cè)單元測(cè)得永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值； (3) 、然后將步驟（1)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)與步驟（2)測(cè)得的電動(dòng)機(jī)電流值分別送給信 號(hào)控制器模塊與能量控制器模塊； (4) 、再由能量控制器模塊根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定轉(zhuǎn)速計(jì) 算出控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)控制； (5) 、信號(hào)控制器模塊根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速參數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子的三相電流值和給定轉(zhuǎn)速計(jì)算出 控制電壓值并送給選擇開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)控制； (6) 、再由選擇開關(guān)模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置的判斷條件選擇控制電壓值并送給三相逆變 器； (7) 、然后三相逆變器根據(jù)控制電壓值將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娫打?qū)動(dòng)被控的永 磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)； (8) 、被控永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，然后轉(zhuǎn)回步驟（1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控永磁同步 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)的混合控制； 其中步驟（4)涉及的能量控制器模塊的控制過程包括以下步驟： (21) 、先給出永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓模型； (22) 、再確定永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的平衡點(diǎn)； (23) 、然后確定隱極永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（Ld = Lq)的平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入； (24) 、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器； (25) 、設(shè)計(jì)永磁同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端口受控哈密頓控制系統(tǒng)器； 其中，信號(hào)控制器模塊的控制過程包括以下步驟： (31) 、先設(shè)計(jì)比例-積分電流調(diào)節(jié)器對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)； (32) 、再設(shè)計(jì)比例-積分-微分速度調(diào)節(jié)器對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104320033SQ201410642093
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】遲潔茹, 于海生 申請(qǐng)人:青島大學(xué)