基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法

摘要

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。

主权项

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；所采用的永磁同步电机系统包括控制系统，所述控制系统包括主电路(13)和控制电路(5)，所述主电路(13)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)，变阻尼的二自由度无源控制内环控制器模块(7)，速度编码器模块(8)，两个2/2坐标变换模块(9、10)，3/2坐标变换模块(11)，空间矢量脉宽调制模块(12)；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：1)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：式中，k₁，k₂可调阻尼参数，L_d、L_q是d‑q坐标系下电感，ω转子机械角速度，永磁体产生的磁链，R_s为定子电阻，n_p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：$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{.}{x}}_2=-\mathrm{asat}(x_1-v\left(t\right)+\frac{x_2\left|x_2\right|}{2a},\delta )\\ y=k_1-(k_1-k_2)x_1\end{array}\right.$其中$\mathrm{sat}(A,\delta )=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(A\right),\left|A\right|>\delta \\ \frac{A}{\delta },\left|A\right|\le \delta ,\delta >0\\ k_1>k_2>0\end{array}\right.$上式中k₁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，a为给定界，δ为训练步长；结合步骤1，构成变阻尼无源控制器模块(1)；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2，将Fr(s)设计为至此，完成了基于变阻尼二自由度无源控制模块7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(4)的定子绕组电流i_a、i_b、i_c，输入到控制电路5中的3/2坐标变换模块(11)，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β，再输入到2/2坐标变换模块(10)，得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，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θ和转速ω，然后分别送给2/2坐标变换模块(9、10)和转速外环控制器PI模块(6)；将q轴电流的期望值i_qref与反馈电流作差，得到电流误差Δi_q，d轴的电流给定值i_dref＝0与输出的d轴电流作差，得到Δi_d，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u_d、u_q，经第一2/2坐标变换模块(9)反变换输出u_α、u_β，最后通过空间矢量脉宽调制模块(12)，输出六路PWM信号供给逆变器模块(3)工作，将直流母线电压U_dc以PWM波的形式施加到永磁同步电机模块(4)上。