一種同步電機(jī)的復(fù)合控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種同步電機(jī)復(fù)合控制器，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，其特征在于，含有：一個(gè)速度前饋控制器、一個(gè)速度反饋控制器和個(gè)數(shù)與相數(shù)相同的相電流控制器。其中相電流控制器包含一個(gè)超前-滯后網(wǎng)絡(luò)、相電流閉環(huán)控制器。速度指令經(jīng)過所述速度前饋控制器得到速度前饋控制電壓。速度指令經(jīng)過所述速度反饋控制器為相電流指令。所述相電流指令分別經(jīng)過所述超前-滯后網(wǎng)絡(luò)和所述相電流閉環(huán)控制器分別得到相電流前饋控制電壓和相電流反饋控制電壓。速度前饋控制電壓、相電流前饋控制電壓和相電流反饋控制電壓之和為各相控制電壓。本發(fā)明較傳統(tǒng)閉環(huán)控制在相同性能指標(biāo)下具有更低的閉環(huán)增益，更高的穩(wěn)定裕度。物理概念清晰、控制律設(shè)計(jì)方便、易于編程實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】—種同步電機(jī)的復(fù)合控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及同步電機(jī)的驅(qū)動控制方法，屬于電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]采用前饋控制與反饋閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。前饋控制器的引入，克服了純反饋控制需等輸出量發(fā)生變化并形成偏差后才糾正偏差的控制作用，比純反饋控制更“及時(shí)”，改善了系統(tǒng)的相頻特性。同時(shí)引入反饋控制并結(jié)合前饋控制，消除了逆動力學(xué)前饋控制因本身建模誤差或外部擾動而造成輸出誤差。
[0003]常規(guī)的轉(zhuǎn)速復(fù)合控制器，通常在頻域下設(shè)計(jì)其前饋控制器和反饋控制器，其輸入輸出為直流量，得到頻域下的電機(jī)控制電壓后在再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，其反饋控制電壓與前饋控制電壓具有相同的相位。本發(fā)明采用轉(zhuǎn)速控制與相電流控制雙環(huán)嵌套的控制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速控制器與相電流控制器分別采用復(fù)合控制結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)速前饋控制以轉(zhuǎn)速給定作為輸入，其輸出進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，與電機(jī)反電動勢同相；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的輸出作為多相電流控制器的給定輸入，其值正比于電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩；相電流控制器為實(shí)現(xiàn)直軸電流分量為零的控制目標(biāo)，使相電流相位與電機(jī)反電動勢同相，其電流給定輸入進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，分別作為相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)和相電流反饋控制的給定輸入；相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電機(jī)電樞模型進(jìn)行前饋補(bǔ)償，并引入低通濾波器；相電流閉環(huán)控制器用于消除轉(zhuǎn)矩誤差，實(shí)現(xiàn)高精度力矩控制；轉(zhuǎn)速前饋控制電壓、相電流前饋控制電壓與相電流反饋控制電壓的矢量和為實(shí)際電機(jī)的控制電壓。
[0004]本發(fā)明與常規(guī)轉(zhuǎn)速復(fù)合控制器相比，實(shí)現(xiàn)了對各相電流進(jìn)行獨(dú)立控制。其相電流控制器的給定輸入、轉(zhuǎn)速前饋的輸出分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，使得相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的前饋輸出、相電流閉環(huán)控制器的輸出和轉(zhuǎn)速前饋控制器的輸出具有不同的相位，并對上述三個(gè)補(bǔ)償量進(jìn)行矢量求和，`具有物理概念清晰，算法簡單，易于編程，控制精度高的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種快速、物理概念清晰、魯棒性高、控制律設(shè)計(jì)方便且易于編程實(shí)現(xiàn)的同步電機(jī)的復(fù)合控制方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種同步電機(jī)的復(fù)合控制器，其特征在于，含有:一個(gè)速度前饋控制器、一個(gè)速度反饋控制器、N個(gè)相電流控制器，N代表同步電機(jī)的相數(shù)；其中:
[0008]速度前饋控制器包含一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器；所述比例環(huán)節(jié)由同步電機(jī)反電動勢常數(shù)確定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為C；，所述轉(zhuǎn)子速度外部參考輸入ω r經(jīng)過所述比例環(huán)節(jié)后，得到速度前饋控制電壓幅值;所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器為包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角Θ和各相與第一相之間相位差Φ的正弦函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為8?η(θ+φ)，對兩相同步電
機(jī)，式中# = _f，對三相及三相以上電機(jī)Φ = (_2π / N) X (X-1)，X代表電機(jī)各相繞組，可取1、2、3.....N ;所述速度前饋控制電壓幅值經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器，得到N個(gè)繞組的速度
前饋控制電壓:eFFX=Cecorsin( θ+φ)；
[0009]速度反饋控制器包含一個(gè)減法器、一個(gè)PID控制器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器；所述減法器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度外部參考輸入與轉(zhuǎn)子角速度ω相減運(yùn)算，得到產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差；上述轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)過所述PID控制器，得到與系統(tǒng)所需力矩成正比的相電流參考輸入幅值込；所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器為包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角Θ和各相與第一相之間相位差Φ的正弦函
數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為sin( θ +φ)，對兩相同步電機(jī)，式中4 = ，對三相及三相以上電機(jī)
Φ = (-2 π / N) X (X-1)，X代表電機(jī)各相繞組，可取1、2、3.....N ;所述相電流參考輸入幅
值仁經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器，得到N個(gè)相電流參考輸入ix ^ipin ( Θ + φ)，輸出到N個(gè)相電流控制器；
[0010]N個(gè)相電流控制器，每個(gè)所述相電流控制器包含一個(gè)減法器、一個(gè)相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)相電流反饋控制器；所述減法器實(shí)現(xiàn)所述相電流參考輸入ix—r與相電流込相減運(yùn)算，得到產(chǎn)生相電流誤差；所述相電流反饋控制器為PI控制器，上述相電流誤差經(jīng)過所述相電流反饋控制器，得到相電流反饋控制電壓％χ ;所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的超前部分由同步電機(jī)電樞數(shù)學(xué)模型得到，其值由同步電機(jī)各相繞組電感、各相電阻確定，由于微分環(huán)節(jié)的引入可能放大測量噪聲，因此所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的滯后部分為一個(gè)低通
濾波器，其中所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)的取值范圍是所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)通過拉式變換，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，其中T為所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，L為各


Ts^-1
相繞組電感，R為各相繞組電阻；所述`相電流參考輸入經(jīng)過所述超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，得到
相電流前饋控制電壓uFFX=Zi^sin( θ + φ)，其中z =，根據(jù)同步電機(jī)各相電感L、各相
電阻R，低通濾波器時(shí)間常數(shù)求得；N個(gè)所述相電流控制器共輸出N個(gè)所述相電流反饋控制電壓uFX和N個(gè)相電流前饋控制電壓Uffx ；
[0011 ] 所述N個(gè)繞組的速度前饋控制電壓eFFX、N個(gè)相電流反饋控制電壓Ufx和N個(gè)相電流前饋控制電壓Uffx進(jìn)行求和，得到N個(gè)繞組的實(shí)時(shí)控制電壓矢量和為:ux=uFFX+uFX+eFFX
[0012]本發(fā)明所提供的一種同步電機(jī)的復(fù)合控制器，具有物理概念清晰、控制律設(shè)計(jì)方便、編程實(shí)現(xiàn)方便、運(yùn)算實(shí)時(shí)性高、系統(tǒng)魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)每相繞組的獨(dú)立控制，非常適合各相繞組相互獨(dú)立的容錯(cuò)電機(jī)，尤其在其發(fā)生故障，便于控制非故障相的相位和幅值，而且將控制方法與電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，引入電機(jī)逆模型前饋，使得閉環(huán)控制器具有更低的控制器增益和更高的穩(wěn)定裕度。
[0013]本發(fā)明提出的對兩相同步電機(jī)的復(fù)合控制器，同樣適用于各相繞組相互獨(dú)立的多相同步電機(jī)，該方法不僅描述了整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的矢量控制方法，而且其控制結(jié)構(gòu)具有明確的物理意義，使得該力矩控制方法的物理概念更加清晰。該方法控制律設(shè)計(jì)方便，利于編程實(shí)現(xiàn)，控制效果明顯，具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1:本發(fā)明的兩相同步電機(jī)的復(fù)合控制器原理框圖。[0015]圖2:本發(fā)明的N相同步電機(jī)的復(fù)合控制器原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，此處所說明的附圖只用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，為本申請的一部分，不構(gòu)成對本發(fā)明方案的限定。
[0017]本發(fā)明以現(xiàn)有常見的兩相同步電機(jī)和N相同步電機(jī)為例，說明本發(fā)明的具體實(shí)施過程。
[0018]實(shí)施例一:
[0019]一種同步電機(jī)的復(fù)合控制器，其特征在于，含有:一個(gè)速度前饋控制器、一個(gè)速度反饋控制器、兩個(gè)相電流控制器；其中:
[0020]速度前饋控制器包含一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器；所述比例環(huán)節(jié)由同步電機(jī)反電動勢常數(shù)確定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為C；，所述轉(zhuǎn)子速度外部參考輸入ω r經(jīng)過所述比例環(huán)節(jié)后，得到速度前饋控制電壓幅值;所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器為包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角Θ和各相與第一相之間相位差Φ的正弦函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為8?η(θ+φ)，對兩相同步電
機(jī)，式中
【權(quán)利要求】
1.一種同步電機(jī)的復(fù)合控制器，其特征在于，含有:一個(gè)速度前饋控制器、一個(gè)速度反饋控制器、N個(gè)相電流控制器，N代表同步電機(jī)的相數(shù)；其中: 速度前饋控制器包含一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器；所述比例環(huán)節(jié)由同步電機(jī)反電動勢常數(shù)確定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為C；，所述轉(zhuǎn)子速度外部參考輸入經(jīng)過所述比例環(huán)節(jié)后，得到速度前饋控制電壓幅值所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器為包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角Θ和各相與第一相之間相位差Φ的正弦函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為8?η(θ+φ)，對兩相同步電機(jī)，式中0 = ，對三相及三相以上電機(jī)Φχ=(-2π / N) X (X-1)，Χ代表電機(jī)各相繞組，可取1、2、.3.....N ;所述速度前饋控制電壓幅值經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器，得到N個(gè)繞組的速度前饋控制電壓:eFFX=Cecorsin( θ +φχ)； 速度反饋控制器包含一個(gè)減法器、一個(gè)PID控制器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器；所述減法器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度外部參考輸入與轉(zhuǎn)子角速度ω相減運(yùn)算，得到產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差；上述轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)過所述PID控制器，得到與系統(tǒng)所需力矩成正比的相電流參考輸入幅值込；所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器為包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角Θ和各相與第一相之間相位差Φ的正弦函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為sin(0+<J))，對兩相同步電機(jī)，式中4 = ，對三相及三相以上電機(jī)Φ X= (-2 / N) X (X-1)，X代表電機(jī)各相繞組，可取1、2、3.....N;所述相電流參考輸入幅值仁經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器，得到N個(gè)相電流參考輸入ix ^ipin( θ + φχ)，輸出到N個(gè)相電流控制器； N個(gè)相電流控制器，每個(gè)所述相電流控制器包含一個(gè)減法器、一個(gè)相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)相電流反饋控制器；所述減法器實(shí)現(xiàn)所述相電流參考輸入ix-與相電流ix相減運(yùn)算，得到產(chǎn)生相電流誤差；所述相電流反饋控制器為PI控制器，上述相電流誤差經(jīng)過所述相電流反饋控制器，得到相電流反饋控制電壓％χ ;所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的超前部分由同步電機(jī)電樞數(shù)學(xué)模型得到，其值由同步電機(jī)各相繞組電感、各相電阻確定，由于微分環(huán)節(jié)的引入可能放大測量噪聲，因此所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的滯后部分為一個(gè)低通濾波器，其中所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)的取值范圍是*];所述相電流超前-滯后網(wǎng)絡(luò)通過拉式變換，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:H，其中T為所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，L為各相繞


組電感，R為各相繞組電阻；所述相電流參考輸入經(jīng)過所述超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，得到相電流前饋控制電壓uFFX=Zi^sin( θ +φχ)，其中ζ = Κy1^2τ，根據(jù)同步電機(jī)各相電感L、各相電阻R，低通濾波器時(shí)間常數(shù)求得；N個(gè)所述相電流控制器共輸出N個(gè)所述相電流反饋控制電壓Ufx和N個(gè)相電流前饋控制電壓Uffx ; 所述N個(gè)繞組的速度前饋控制電壓eFFX、N個(gè)相電流反饋控制電壓uFX和N個(gè)相電流前饋控制電壓Uffx進(jìn)行求和,得到N個(gè)繞組的實(shí)時(shí)控制電壓矢量和為:ux=uFFX+uFX+eFFX。
【文檔編號】H02P21/00GK103825516SQ201310745365
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】朱紀(jì)洪, 和陽 申請人:清華大學(xué)