本發(fā)明涉及基于負(fù)載觀測(cè)器的多電機(jī)虛擬總軸控制方法，屬于多電機(jī)速度協(xié)同控制領(lǐng)域。具體講，涉及基于負(fù)載觀測(cè)器的多永磁同步電機(jī)虛擬總軸控制方法。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，例如造紙機(jī)、印刷機(jī)、紡織機(jī)、多自由度數(shù)控機(jī)床，甚至大功率的高速鐵路牽引系統(tǒng)等。近些年來(lái)在造紙和印刷行業(yè)，卷筒紙傳輸單元和印刷機(jī)印刷單元的機(jī)械軸驅(qū)動(dòng)方式正大量地被無(wú)軸傳動(dòng)方式所取代，即由多個(gè)獨(dú)立電機(jī)替代一個(gè)主電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)各印刷機(jī)組、接紙裝置、折頁(yè)裝置或裁切裝置。采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如它避免了機(jī)械軸驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械振動(dòng)，其次獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的印刷機(jī)配置非常靈活，不同于機(jī)械軸連接需要添加或拆除機(jī)械部件，它只需簡(jiǎn)單連線操作即可。目前，常用的多軸傳動(dòng)同步控制策略有主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制和電子虛擬總軸(Electronicvirtualline-shafting，ELS)控制策略等。而已有的資料已表明ELS控制更適合應(yīng)用在卷筒紙傳輸和印刷機(jī)印刷單元。ELS可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度或位置調(diào)節(jié)，它為從屬軸提供速度或位置的參考信號(hào)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，各從屬軸跟隨總軸，能夠達(dá)到很好的同步效果；但傳統(tǒng)ELS控制系統(tǒng)在起動(dòng)、負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)、停機(jī)的過(guò)程中，因耦合力矩的反饋存在時(shí)間滯后會(huì)引起各從屬軸之間失同步的現(xiàn)象，這是ELS控制策略的技術(shù)難題。同時(shí)考慮到多電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、參數(shù)時(shí)變、速度和張力強(qiáng)耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)比例積分微分(Proportionalintegralderivative，PID)控制并不能滿足高性能控制的要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：傳統(tǒng)ELS控制系統(tǒng)在電機(jī)起動(dòng)、負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)、停機(jī)的過(guò)程中，因耦合力矩反饋存在時(shí)間滯后而引起軸之間失同步的現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了負(fù)載觀測(cè)器，將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為反饋力矩反饋回虛擬總軸，從而協(xié)調(diào)了各從屬軸之間的同步運(yùn)行，也更真實(shí)地反映了各軸之間動(dòng)力學(xué)關(guān)系，同時(shí)為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：基于負(fù)載觀測(cè)器的多永磁同步電機(jī)虛擬總軸控制方法，系統(tǒng)中包括n臺(tái)永磁同步電機(jī)和1臺(tái)虛擬電機(jī)，使用微處理器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口采集整流橋輸出的直流電壓Udc和相電流iai、ibi、ici，iai、ibi、ici分別為第i臺(tái)永磁同步電機(jī)定子電流；由耦合力矩Ti得到電流的參考值取值為零，Ti是第i臺(tái)永磁同步電機(jī)耦合力矩，分別為第i臺(tái)永磁同步電機(jī)電流環(huán)定子電流直軸分量與交軸分量的參考值，此時(shí)永磁同步電機(jī)能夠產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩；接著，通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出第i臺(tái)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位置θi，同時(shí)計(jì)算出第i臺(tái)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi；然后通過(guò)電流傳感器檢測(cè)第i臺(tái)永磁同步電機(jī)定子電流iai、ibi、ici，并經(jīng)三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)Clarke變換和二相靜止坐標(biāo)變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)Park變換，得到第i臺(tái)永磁同步電機(jī)電流環(huán)定子電流直軸分量與交軸分量的檢測(cè)值idi、iqi；然后減去iqi得到q軸電流誤差，減去idi得到d軸電流誤差，電流誤差量分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出d、q軸上的電壓值再經(jīng)過(guò)反Park變換后生成電壓值分別為第i臺(tái)永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到的d、q軸上的參考電壓；分別為第i臺(tái)永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)反Park變換后生成α、β軸參考電壓；最后利用電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM方法輸出逆變器的6脈沖驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；其中，采用改進(jìn)的電子虛擬總軸ELS(Electronicvirtualline-shafting)控制策略：利用負(fù)載觀測(cè)器將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩反饋回虛擬總軸，虛擬總軸輸出的參考信號(hào)即虛擬總軸輸出的角速度ω、虛擬總軸輸出的角位置θ發(fā)生變化，在ω、θ作用下，受擾電機(jī)和其它從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速差減小，使不同永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩更加平衡；同時(shí)，將觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的PI調(diào)節(jié)器，此時(shí)的力矩平衡關(guān)系式為T-Σi=1nT^Li=Jsd2θdt2]]>式中，T為虛擬總軸的驅(qū)動(dòng)力矩，Js為虛擬總軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。負(fù)載觀測(cè)器的狀態(tài)方程為：負(fù)載觀測(cè)器和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)所用滑模趨近率如下s·=-ϵsgn(s)-ks,ϵ>0,k>0]]>式中，s為自變量；–ks是指數(shù)趨近項(xiàng)，k為正常數(shù)；–εsgn(s)是等速趨近項(xiàng)，ε為正常數(shù)，sgn()是符號(hào)函數(shù)。將第i臺(tái)電機(jī)的角位置及轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量有x·i1=θ·ix·i2=ω·i=3npi2ψfi2Jiiqi-npiJiTLi]]>式中，xi1、xi2分別代表第i臺(tái)永磁同步電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速狀態(tài)變量，分別為xi1、xi2的導(dǎo)數(shù)；是θi的導(dǎo)數(shù)；是ωi的導(dǎo)數(shù)，npi為第i臺(tái)從屬軸電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ji為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ψfi為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，TLi為第i臺(tái)從屬軸電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。定義變量如下Ai=3npi2ψfi2Jidi=-npiJiTLiLi=npiJi]]>將的狀態(tài)方程進(jìn)一步整理得x·i1=x2ix·i2=Aiiqi+di]]>在上式基礎(chǔ)上，以第i臺(tái)電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速為觀測(cè)對(duì)象，建立滑模觀測(cè)器為x^·i1=xi2-Wi1x^·i2=Aiiqi-Wi2]]>式中，分別是第i臺(tái)電機(jī)的角位置觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)和轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)；Wi1、Wi2是指數(shù)趨近律函數(shù)，即為Wi1=ϵi1sgn(x^i1-xi1)+ki1(x^i1-xi1)Wi2=ϵi2sgn(x^i2-xi2)+ki2(x^i2-xi2),ϵi1>0,ki1>0,ϵi2>0,ki2>0]]>式中，ki1、ki2、εi1、εi2為正常數(shù)，用電機(jī)角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值與實(shí)際值做差得觀測(cè)誤差為ei1=x^i1-xi1ei2=x^i2-xi2]]>式中，ei1和ei2分別是角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)誤差，則觀測(cè)誤差ei1和ei2的導(dǎo)數(shù)為e·i1=ei2-Wi1e·i2=LiTLi-Wi2]]>定義滑模面為si1=ci1ei1si2=ci1ei1+ei2]]>式中，si1、si2是定義的滑模面，ci1>0為滑模面參數(shù)。負(fù)載觀測(cè)器進(jìn)一步的具體工作方式是：根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性原理，取李雅普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)Vi1為Vi1=12si12]]>當(dāng)滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足即電機(jī)的角位置誤差又有ci1>0可得即得ei2＝Wi1＝εi1sgn(ei1)+ki1ei1同理滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足因si2＝ci1ei1+ei2得又有得即得LiTLi＝Wi2＝εi2sgn(ei2)+ki2ei2定義為負(fù)載觀測(cè)器值，則由上式可得的值為T^Li=[ϵi2sgn(ei2)+ki2ei2]Li]]>為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾性能和快速性，將觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，即iqi′=LiAiT^Li]]>式中，電流分量i′qi是負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)的分量，即將觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，同時(shí)考慮更進(jìn)一步地減小抖振幅值，用飽和函數(shù)sat()替代符號(hào)函數(shù)sgn()，即sat(s)=1,s>Δks,|s|≤Δk=1Δ-1,s<-Δ]]>式中，s為自變量；Δ為“邊界層”，飽和函數(shù)sat()的本質(zhì)：在邊界層外，采用切換控制；在邊界層內(nèi)，采用線性化反饋控制。在對(duì)第i臺(tái)永磁同步電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：1)假設(shè)相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間分布為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；2)忽略定子鐵心飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；3)永磁材料的電導(dǎo)率為零；4)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組；采用最大轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式，電壓方程如下udi=Rsiidi-ωiLqiiqi+Ldidididtuqi=Rsiiqi+ωi(ψfi+Lqiiqi)+Lqidiqidt]]>式中，Ldi，Lqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子直、交軸電感；Rsi為第i臺(tái)電機(jī)定子繞組電阻；ψfi為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈。PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為Tei-TLi=Jidωridt=Jinpidωidt]]>PMSM的轉(zhuǎn)矩方程為Tei=32npiψfiiqi]]>式中，Tei為第i臺(tái)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TLi為第i臺(tái)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；npi為第i臺(tái)電機(jī)極對(duì)數(shù)；ωri為第i臺(tái)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，ωri＝ωi/npi；Ji為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的ELS控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)加入負(fù)載觀測(cè)器解決了傳統(tǒng)ELS控制系統(tǒng)在起動(dòng)、負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)、停機(jī)的過(guò)程中，因耦合力矩Ti(i＝1,2,…,n；i代表電機(jī)臺(tái)數(shù))的反饋存在時(shí)間滯后而引起從屬軸之間失同步的問(wèn)題。同時(shí)考慮到多電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、參數(shù)時(shí)變、速度和張力強(qiáng)耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制并不能滿足高性能控制的要求，而SMC能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，所以本發(fā)明將指數(shù)趨近律算法應(yīng)用在負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)部分，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性。附圖說(shuō)明圖1為單臺(tái)從屬軸電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖。圖2為傳統(tǒng)ELS控制結(jié)構(gòu)圖。圖3為耦合力矩結(jié)構(gòu)圖。圖4為改進(jìn)型ELS控制結(jié)構(gòu)圖。圖5為負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器原理圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為反饋力矩反饋回虛擬總軸，從而協(xié)調(diào)了各從屬軸之間的同步運(yùn)行，也更真實(shí)地反映了各軸之間動(dòng)力學(xué)關(guān)系，同時(shí)為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制(sliding-modevariablestructurecontrol，SMC)能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，所以本發(fā)明將指數(shù)趨近律算法應(yīng)用在負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)部分。本發(fā)明采用的技術(shù)方案基于負(fù)載觀測(cè)器的多永磁同步電機(jī)虛擬總軸控制，包括下列幾個(gè)方面：(1)系統(tǒng)中包括n臺(tái)永磁同步電機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)，在對(duì)第i(i＝1,2,…,n)臺(tái)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：1)假設(shè)相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間分布為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；2)忽略定子鐵心飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；3)永磁材料的電導(dǎo)率為零；4)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組；采用最大轉(zhuǎn)矩控制的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式，電壓方程如下udi=Rsiidi-ωiLqiiqi+Ldidididtuqi=Rsiiqi+ωi(ψfi+Lqiiqi)+Lqidiqidt]]>式中，udi、uqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子端電壓的直軸與交軸分量；idi，iqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子電流的直軸分量與交軸分量；Ldi，Lqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子直、交軸電感；Rsi為第i臺(tái)電機(jī)定子繞組電阻；ωi為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ψfi為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈。PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為Tei-TLi=Jidωridt=Jinpidωidt]]>式中，Tei為第i臺(tái)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TLi為第i臺(tái)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；npi為第i臺(tái)電機(jī)極對(duì)數(shù)；ωri為第i臺(tái)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，ωri＝ωi/npi；Ji為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。PMSM的轉(zhuǎn)矩方程為Tei=32npiψfiiqi]]>(2)改進(jìn)的ELS控制策略此時(shí)的力矩平衡關(guān)系式為T-Σi=1nT^Li=Jsd2θdt2]]>式中，是第i臺(tái)電機(jī)的觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T為虛擬總軸的驅(qū)動(dòng)力矩；Js為虛擬總軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為虛擬總軸輸出的角位置信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)負(fù)載觀測(cè)器的狀態(tài)方程負(fù)載觀測(cè)器和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)所用滑模趨近率如下s·=-ϵsgn(s)-ks,ϵ>0,k>0]]>式中，s為自變量；–ks是指數(shù)趨近項(xiàng)，k為正常數(shù)；–εsgn(s)是等速趨近項(xiàng)，ε為正常數(shù)，sgn()是符號(hào)函數(shù)。將第i臺(tái)電機(jī)的角位置及轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量有x·i1=θ·ix·i2=ω·i=3npi2ψfi2Jiiqi-npiJiTLi]]>式中，xi1、xi2分別代表第i臺(tái)電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速狀態(tài)變量，分別為xi1、xi2的導(dǎo)數(shù)；是第i臺(tái)電機(jī)角位置的導(dǎo)數(shù)；是第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)。定義變量如下Ai=3npi2ψfi2Jidi=-npiJiTLiLi=npiJi]]>將的狀態(tài)方程進(jìn)一步整理得x·i1=x2ix·i2=Aiiqi+di]]>在上式基礎(chǔ)上，以第i臺(tái)電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速為觀測(cè)對(duì)象，建立滑模觀測(cè)器為x^·i1=xi2-Wi1x^·i2=Aiiqi-Wi2]]>式中，分別是第i臺(tái)電機(jī)的角位置觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)和轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)；Wi1、Wi2是指數(shù)趨近律函數(shù)，即為Wi1=ϵi1sgn(x^i1-xi1)+ki1(x^i1-xi1)Wi2=ϵi2sgn(x^i2-xi2)+ki2(x^i2-xi2),ϵi1>0,ki1>0,ϵi2>0,ki2>0]]>式中，ki1、ki2、εi1、εi2為正常數(shù)。用電機(jī)角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值與實(shí)際值做差得觀測(cè)誤差為ei1=x^i1-xi1ei2=x^i2-xi2]]>式中，ei1和ei2分別是角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)誤差，則觀測(cè)誤差ei1和ei2的導(dǎo)數(shù)為e·i1=ei2-Wi1e·i2=LiTLi-Wi2]]>定義滑模面為si1=ci1ei1si2=ci1ei1+ei2]]>式中，si1、si2是定義的滑模面，ci1>0為滑模面參數(shù)。(4)負(fù)載觀測(cè)器的分析根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性原理，取李雅普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)Vi1為Vi1=12si12]]>當(dāng)滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足即電機(jī)的角位置誤差又有ci1>0可得即得ei2＝Wi1＝εi1sgn(ei1)+ki1ei1同理滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足因si2＝ci1ei1+ei2得又有得即得LiTLi＝Wi2＝εi2sgn(ei2)+ki2ei2定義為負(fù)載觀測(cè)器值，則由上式可得的值為T^Li=[ϵi2sgn(ei2)+ki2ei2]Li]]>為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾性能和快速性，將觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，即iqi′=LiAiT^Li]]>式中，電流分量i′qi是負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)的分量，即將觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，同時(shí)考慮更進(jìn)一步地減小抖振幅值，設(shè)計(jì)了用飽和函數(shù)sat()替代符號(hào)函數(shù)sgn()，即sat(s)=1,s>Δks,|s|≤Δk=1Δ-1,s<-Δ]]>式中，s為自變量；Δ為“邊界層”，飽和函數(shù)sat()的本質(zhì)：在邊界層外，采用切換控制；在邊界層內(nèi)，采用線性化反饋控制。下面根據(jù)附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述，所提出的控制方法具體包括如下步驟：(1)系統(tǒng)中包括3臺(tái)永磁同步電機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)，圖1為第i(i＝1,2,3)臺(tái)從屬軸電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖包含了從屬軸電機(jī)電流環(huán)、電壓生成算法及永磁同步電機(jī)等，圖中ω為虛擬總軸輸出的轉(zhuǎn)速；圖中ωi為第i臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；θ為虛擬總軸輸出的角位置信號(hào)；θi是第i臺(tái)電機(jī)的角位置；Ki為耦合機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)；Bi為耦合機(jī)構(gòu)的內(nèi)部阻尼系數(shù)；Ti是耦合力矩；Kt是電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；分別為第i臺(tái)電機(jī)電流環(huán)定子電流直軸分量與交軸分量的參考值；idi，iqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子電流的直軸分量與交軸分量；i′qi是第i臺(tái)電機(jī)觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)的分量；K′t為前饋系數(shù)；分別為第i臺(tái)電機(jī)經(jīng)過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)器得到的d、q軸上的參考電壓；分別為第i臺(tái)電機(jī)經(jīng)過(guò)反Park變換后生成α、β軸參考電壓；Udc是整流橋輸出的直流電壓；iai、ibi、ici分別為第i臺(tái)電機(jī)定子電流；PI為比例積分控制器；SVPWM是電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的英文縮寫。在對(duì)第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：1)假設(shè)相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間分布為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；2)忽略定子鐵心飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；3)永磁材料的電導(dǎo)率為零；4)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組。采用最大轉(zhuǎn)矩控制的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式，電壓方程如下udi=Rsiidi-ωiLqiiqi+Ldidididtuqi=Rsiiqi+ωi(ψfi+Lqiiqi)+Lqidiqidt---(1)]]>式中，udi、uqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子端電壓的直軸與交軸分量；Ldi，Lqi分別為第i臺(tái)電機(jī)定子直、交軸電感；Rsi為第i臺(tái)電機(jī)定子繞組電阻；ψfi為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈。PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為Tei-TLi=Jidωridt=Jinpidωidt---(2)]]>式中，Tei為第i臺(tái)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TLi為第i臺(tái)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；npi為第i臺(tái)電機(jī)極對(duì)數(shù)；ωri為第i臺(tái)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(ωri＝ωi/npi)；Ji為第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。PMSM的轉(zhuǎn)矩方程為Tei=32npiψfiiqi---(3)]]>在本實(shí)施例中，微處理器選用TI公司的TMS320F28335，使用微處理器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口采集直流電壓Udc和相電流iai、ibi、ici。剛度系數(shù)Ki(i＝1,2,3)取值3.00；阻尼系數(shù)Bi(i＝1,2,3)取值0.03；電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt取值0.98；第i臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取值27.2Kg.cm2。首先，由耦合力矩Ti得到電流的參考值取值為零(此時(shí)電機(jī)能夠產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩)；接著，通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子角位置θi，同時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)速ωi；然后通過(guò)電流傳感器檢測(cè)定子電流iai、ibi、ici，并經(jīng)Clarke變換(三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo))和Park變換(二相靜止坐標(biāo)變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))，得到檢測(cè)值idi、iqi；然后減去iqi得到q軸電流誤差，減去idi得到d軸電流誤差，電流誤差量分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出d、q軸上的電壓值再經(jīng)過(guò)反Park變換后生成電壓值最后利用SVPWM方法輸出逆變器的6脈沖驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。三相電流iai、ibi、ici經(jīng)過(guò)的Clarke變換(C3s/2s)矩陣為iαiiβi=231-12-1203232iaiibiici---(4)]]>兩相電流iαi、iβi經(jīng)過(guò)的Park變換(C2s/2r)矩陣為idiiqi=cosθisinθi-sinθicosθiiaiiβi---(5)]]>經(jīng)過(guò)的反Park變換(C2r/2s)矩陣為uαi*uβi*=cosθi-sinθisinθicosθiudi*uqi*---(6)]]>PI控制器的數(shù)學(xué)描述為u(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt(7)式中，e(t)為輸入量，u(t)為輸出量，kp是比例系數(shù)，ki是積分常數(shù)。比例環(huán)節(jié)的作用是成比例地控制系統(tǒng)的偏差e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)的作用主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的跟蹤能力。在本實(shí)施例中三臺(tái)從屬軸電機(jī)的電流環(huán)PI控制器參數(shù)為kp取值0.6，ki取值0.1。針對(duì)具體情況舉例說(shuō)明，例如第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLi突然增加，由式(2)可知電磁轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi會(huì)減小，帶動(dòng)角位置θi會(huì)減小，轉(zhuǎn)速、角位置通過(guò)負(fù)反饋引起耦合力矩Ti增加，Ti增加引起電機(jī)電流參考值增加；同時(shí)定子電流iai、ibi、ici瞬態(tài)情況下不變，而經(jīng)Clarke變換和Park變換，得到電流反饋值idi、iqi也不變；從而減去iqi得到q軸電流誤差會(huì)增大，經(jīng)過(guò)電流PI控制器后增加，再經(jīng)過(guò)反Park變換和空間矢量調(diào)制后，該電壓會(huì)加在電機(jī)定子上；由式(1)可知此時(shí)電機(jī)定子電流iqi增大，由式(3)可知此時(shí)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，最后由式(2)可知，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi慢慢增大，最終電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩Tei與電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLi平衡，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角位置經(jīng)歷先減小后增加的過(guò)程，最終會(huì)跟隨虛擬電機(jī)輸出信號(hào)，保持穩(wěn)定。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾性能和快速性，將負(fù)載觀測(cè)轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，將iqi和θi輸入到負(fù)載觀測(cè)器模塊，估算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的值。即iqi′=LiAiT^Li=Kt′T^Li---(8)]]>式中，電流分量i′qi是前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)的分量，K′t為前饋系數(shù)。在發(fā)生負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，將估算的i′qi和iqi運(yùn)算之后作為第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)的電流PI控制器輸入量，從而縮短了電機(jī)的電流環(huán)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)負(fù)載時(shí)變的能力。(2)傳統(tǒng)虛擬總軸(Electronicvirtualline-shafting，ELS)控制策略的分析圖2是傳統(tǒng)ELS控制結(jié)構(gòu)圖。圖中ωref是系統(tǒng)給定的參考轉(zhuǎn)速；ω、θ分別為虛擬總軸輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)和角位置信號(hào)，分別作為各從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考信號(hào)和角位置參考信號(hào)；ωi(i＝1,2,3)、θi(i＝1,2,3)分別為各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)和角位置信號(hào)；Ki(i＝1,2,3)為耦合機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)；Bi(i＝1,2,3)為耦合機(jī)構(gòu)的內(nèi)部阻尼系數(shù)；Ti(i＝1,2,3)為各臺(tái)電機(jī)反饋的耦合力矩；是積分符號(hào)。ELS可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度或位置的調(diào)節(jié)，它為從屬軸電機(jī)提供速度ωi(i＝1,2,3)或位置θi(i＝1,2,3)的參考信號(hào)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，各從屬軸電機(jī)跟隨虛擬電機(jī)，能夠達(dá)到很好的同步效果。當(dāng)某一電機(jī)或多臺(tái)電機(jī)受到干擾而偏離參考值時(shí)，通過(guò)耦合力矩Ti(i＝1,2,3)的反饋，使虛擬電機(jī)感受這種變動(dòng)，從而迫使從屬軸電機(jī)跟隨這種變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在瞬態(tài)時(shí)各從屬軸電機(jī)之間的同步。耦合力矩Ti的模型為Ti＝Ki∫(ω-ωi)dt+Bi(ω-ωi)(9)耦合力矩Ti結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。虛擬總軸的力矩平衡關(guān)系式為T-Σi=1nTi=Jsd2θdt2---(10)]]>式中，T為虛擬總軸的驅(qū)動(dòng)力矩；Js為虛擬總軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為虛擬總軸輸出的角位置信號(hào)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，耦合機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)Ki和內(nèi)部阻尼系數(shù)Bi變化范圍十分廣泛，Ki和Bi取值具體可參考表1。而在ELS控制系統(tǒng)中，Ki和Bi采用軟件編程模擬機(jī)械軸之間的傳動(dòng)，省卻了添加或拆除機(jī)械零部件，提高了系統(tǒng)的靈活性。表1參數(shù)選擇針對(duì)具體情況舉例說(shuō)明，例如第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLi突然增加，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi會(huì)減小，由式(9)知ωi、θi減小引起耦合力矩Ti變大。耦合力矩Ti反饋給虛擬電機(jī)，由式(10)可知在虛擬總軸驅(qū)動(dòng)力矩T不變的情況下，Ti增大則虛擬電機(jī)輸出的參考信號(hào)ω、θ減小。由步驟(1)可知第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)受擾之后，其轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi信號(hào)先減?。欢騾⒖夹盘?hào)ω、θ減小了，其他從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi也跟著減小；所以最終受擾電機(jī)和其它從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速差減小，從而實(shí)現(xiàn)了在瞬態(tài)時(shí)各從屬軸電機(jī)之間轉(zhuǎn)速保持同步，轉(zhuǎn)矩保持均衡。傳統(tǒng)ELS控制系統(tǒng)在起動(dòng)、負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)、停機(jī)的過(guò)程中，因耦合力矩Ti的反饋存在時(shí)間滯后而引起從屬軸之間同步誤差大，本發(fā)明針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)ELS控制策略進(jìn)行了改進(jìn)。(3)改進(jìn)的ELS控制策略圖4是改進(jìn)的ELS控制結(jié)構(gòu)圖，iqi(i＝1,2,3)為第i臺(tái)電機(jī)定子電流的直軸分量；為第i臺(tái)電機(jī)的觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)某臺(tái)電機(jī)或多臺(tái)電機(jī)的負(fù)載產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，負(fù)載觀測(cè)器將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩反饋回虛擬總軸，虛擬總軸輸出的參考信號(hào)ω、θ發(fā)生變化，在參考信號(hào)ω、θ作用下，受擾電機(jī)和其它從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速差減小，使不同電機(jī)轉(zhuǎn)矩更加平衡；同時(shí)為更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，改進(jìn)的ELS控制策略將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)；這兩方面的作用能使系統(tǒng)快速同步，此時(shí)的力矩平衡關(guān)系式為T-Σi=1nT^Li=Jsd2θdt2---(11)]]>在本實(shí)施例中，虛擬電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取值50.0Kg.cm2，虛擬電機(jī)的PI控制器參數(shù)為kp取值16.0，ki取值9.0，各從屬軸電機(jī)參數(shù)取值在步驟(1)中已給出。針對(duì)具體情況舉例說(shuō)明，例如第i(i＝1,2,3)臺(tái)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLi突然增加，一方面因觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)，由步驟(1)可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi開(kāi)始減小，但前饋量使電壓參考值更快地增大以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩；另一方面將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩取代耦合力矩Ti(i＝1,2,3)反饋回虛擬總軸，由式(11)可知在虛擬總軸驅(qū)動(dòng)力矩T不變的情況下，增大則虛擬電機(jī)輸出的參考信號(hào)ω、θ會(huì)減小，而參考信號(hào)ω、θ減小，其他從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi、角位置θi也跟著減??；所以最終受擾電機(jī)和其它從屬軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速差減小，從而實(shí)現(xiàn)了在瞬態(tài)時(shí)各從屬軸電機(jī)之間的快速同步。(4)設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器將第i臺(tái)電機(jī)的角位置及轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量有x·i1=θ·ix·i2=ω·i=3npi2ψfi2Jiiqi-npiJiTLi---(12)]]>式中，xi1、xi2分別代表第i臺(tái)電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速狀態(tài)變量，分別為xi1、xi2的導(dǎo)數(shù)；是第i臺(tái)電機(jī)角位置的導(dǎo)數(shù)；是第i臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)。定義變量如下Ai=3npi2ψfi2Jidi=-npiJiTLiLi=npiJi---(13)]]>將的狀態(tài)方程進(jìn)一步整理得x·i1=x2ix·i2=Aiiqi+di---(14)]]>負(fù)載觀測(cè)器和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)所用滑模趨近率如下s·=-ϵsgn(s)-ks,ϵ>0,k>0---(15)]]>式中，s為自變量；–ks是指數(shù)趨近項(xiàng)，k為正常數(shù)；–εsgn(s)是等速趨近項(xiàng)，ε為正常數(shù)，sgn()是符號(hào)函數(shù)。在上式基礎(chǔ)上，以第i臺(tái)電機(jī)的角位置和轉(zhuǎn)速為觀測(cè)對(duì)象，建立滑模觀測(cè)器為x^·i1=xi2-Wi1x^·i2=Aiiqi-Wi2---(16)]]>式中，分別是第i臺(tái)電機(jī)的角位置觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)和轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的導(dǎo)數(shù)；Wi1、Wi2是指數(shù)趨近律函數(shù)，即為Wi1=ϵi1sgn(x^i1-xi1)+ki1(x^i1-xi1)Wi2=ϵi2sgn(x^i2-xi2)+ki2(x^i2-xi2),ϵi1>0,ki1>0,ϵi2>0,ki2>0---(17)]]>式中，ki1、ki2、εi1、εi2為正常數(shù)。用電機(jī)角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值與實(shí)際值做差得觀測(cè)誤差為ei1=x^i1-xi1ei2=x^i2-xi2---(18)]]>式中，ei1和ei2分別是角位置和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)誤差，則觀測(cè)誤差ei1和ei2的導(dǎo)數(shù)為e·i1=ei2-Wi1e·i2=LiTLi-Wi2---(19)]]>定義滑模面為si1=ci1ei1si2=ci1ei1+ei2---(20)]]>式中，si1、si2是定義的滑模面，ci1>0為滑模面參數(shù)。(5)負(fù)載觀測(cè)器的分析根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性原理，取李雅普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)Vi1為Vi1=12s2i1---(21)]]>當(dāng)滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足即電機(jī)的角位置誤差又有ci1>0可得即得ei2＝Wi1＝εi1sgn(ei1)+ki1ei1(22)同理當(dāng)滑模觀測(cè)器進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，滿足因si2＝ci1ei1+ei2得又有得即得LiTLi＝Wi2＝εi2sgn(ei2)+ki2ei2(23)定義為負(fù)載觀測(cè)器值，由式(23)得的值為T^Li=[ϵi2sgn(ei2)+ki2ei2]Li---(24)]]>由上文對(duì)滑模觀測(cè)器的分析可知，在εi1、εi2、ki1和ki2的選取范圍內(nèi)合理地選擇參數(shù)，可保證滑模觀測(cè)器穩(wěn)定且可以準(zhǔn)確地觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本實(shí)施例中指數(shù)趨近律函數(shù)Wi1、Wi2的系數(shù)取值分別為εi1＝2，ki1＝5000，εi2＝0.4，ki2＝50。本實(shí)施例使用第i臺(tái)電機(jī)的電流iqi和轉(zhuǎn)子角θi估算出電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)原理如圖5所示，式(16)是設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的基礎(chǔ)，再由式(22)得到轉(zhuǎn)速的觀測(cè)誤差ei2，最后由式(24)得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值。考慮更進(jìn)一步地減小抖振幅值，設(shè)計(jì)了用飽和函數(shù)sat()替代符號(hào)函數(shù)sgn()，即sat(s)=1,s>Δks,|s|≤Δk=1Δ-1,s<-Δ---(25)]]>式中，s為自變量；Δ為“邊界層”。飽和函數(shù)sat(s)的本質(zhì)：在邊界層外，采用切換控制；在邊界層內(nèi)，采用線性化反饋控制。綜上所述，本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的ELS控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)加入負(fù)載觀測(cè)器解決了傳統(tǒng)ELS控制系統(tǒng)在起動(dòng)、負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)、停機(jī)的過(guò)程中，因耦合力矩Ti的反饋存在時(shí)間滯后而引起從屬軸之間失同步的問(wèn)題?？紤]到多電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、參數(shù)時(shí)變、速度和張力強(qiáng)耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制并不能滿足高性能控制的要求，而滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，所以本發(fā)明將指數(shù)趨近律算法應(yīng)用在負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)部分，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性；同時(shí)為了克服負(fù)載時(shí)變對(duì)控制性能的影響，改進(jìn)的ELS控制策略將觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋至從屬軸電機(jī)的電流環(huán)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3