電機的反饋線性化控制

1、 電機的反饋線性化控制摘要：在深入研究反饋線性化技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過選取適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變換和控制變換，將永磁同步電動機的模型輸入輸出線性化，并設(shè)計了反饋線性化控制器，實現(xiàn)了PMSM的解耦控制，并基于Matlab/simulink對永磁同步電動機反饋線性化控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在一定的調(diào)速范圍內(nèi)較傳統(tǒng)PI控制器有較好的控制性能，但同時對參數(shù)的變化具有很強的敏感性。關(guān)鍵詞：永磁同步電動機 ，雙閉環(huán)控制， 反饋線性化控制Abstract：On the basis of further research of the feedback linearization technology ,by

2、 choosing proper state transformation and control transformation，the model of PMSM is input-output linearized，and then a feedback linearization controller is designed for decoupling control ,proposed feedback linearization control system of PMSM is simulated based on Matlab / Simulink platformIt is

3、shown by the results that during a certain range of speed，this strategy can give good control performance than the traditional PI controller，but simultaneously this system is very sensitive to the variance of parameters of the motor.KEY WORDS：PMSM， double closed loop PI control，feedback linearizatio

4、n control1、緒論1-1永磁同步電動機發(fā)展概述【1】1983年銣鐵硼永磁材料問世，其磁特性和物理特性優(yōu)異，成本低廉且材料 來源有保證，由于我國擁有占有世界蘊藏量80以上的銣資源，所以在開發(fā)高磁場永磁材料(特別是銣鐵硼永磁材料)方面具有得天獨厚的有利條件，我國的銣鐵硼永磁材料特性水平已經(jīng)達(dá)到世界的先進(jìn)水平，為永磁同步電動機的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。上個世紀(jì)20年代，美國GE公司利用鐵氧體磁鋼研制出第一批微型永磁同步電動機(PMSM)，但功率很小。自1984年起，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家竟相研制高性能永磁同步電動機。其自身特點如下：(1) 電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制

5、電機的轉(zhuǎn)速。(2) 永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負(fù)載的變化而引起的電機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力。(3) 永磁電機轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵，無需勵磁，因此電機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。與傳統(tǒng)的異步電機相比，永磁同步電動機的優(yōu)點在于：(1) 明顯的節(jié)能效果。永磁同步電動機用永磁體代替電勵磁，且無勵磁損耗，由于定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有鐵耗，因此永磁同步電動機的效率比電勵磁同步電動機和異步電動機高，而且不需要從電網(wǎng)吸取滯后的勵磁電流，從而大大地節(jié)約了無功功率，極大地提高了電機的功率因數(shù)。因此，永磁同步電動機比異步電動機節(jié)電，效率高。(2) 稀土永磁同步電動機較異步電機尺寸大

6、大減少，成為高密度，高效率的電機。(3) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡化，提高了電機運行的穩(wěn)定性。永磁同步電動機，按照定子繞組感應(yīng)電動勢波形的不同，可分為正弦波永磁同步電動機和梯形波永磁同步電動機，正弦波永磁同步電動機即通常所說的永磁同步電動機(PMSM)；梯形波永磁同步電動機又稱為無刷永磁直流電動機(BLDC)。無刷永磁直流電機具有功率密度高，控制簡單，反饋裝置簡單等優(yōu)點，但由電流換向引起的轉(zhuǎn)矩紋波是無法消除的，特別，在低速區(qū)無刷直流永磁電機的脈動轉(zhuǎn)矩會引起轉(zhuǎn)速波動，將嚴(yán)重影響驅(qū)動的性能，而正弦永磁電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動通常低于方波電流永磁電動機。這是由于正弦永磁同步電動機是由正弦交流供電，不存在換向時的沖

7、擊電流，通過轉(zhuǎn)子位置檢測控制電流相位，可以獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩特性。所以，對高性能調(diào)速系統(tǒng)，最好采用永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，而不采用無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。1-2永磁同步電動機控制策略介紹永磁同步電動機調(diào)速的主要方法是改變供電電源頻率，即變頻調(diào)速。從控制方式上可以分為他控式變頻調(diào)速和自控式變頻調(diào)速n1。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)所用變頻裝置是獨立的，變頻裝置的輸出頻率由速度給定信號決定，這種系統(tǒng)一般為開環(huán)控制系統(tǒng)。自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)所用變頻裝置是非獨立的，變頻裝置的輸出頻率是由電動機軸上的轉(zhuǎn)子位置檢測器控制，組成電源頻率自動跟蹤轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)系統(tǒng)。他控式變頻調(diào)速多用于小容量多電機拖動系統(tǒng)中，這種場合要求多臺電

8、動機嚴(yán)格同步運行，多臺永磁同步電動機并聯(lián)在公共的變頻器上，轉(zhuǎn)速信號同時調(diào)節(jié)各電動機的轉(zhuǎn)速，這種系統(tǒng)雖然解決了啟動問題，但轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未很好地解決，一旦其中一臺電動機出現(xiàn)失步，將影響其他電動機正常工作。因此這種調(diào)速方法用途有限。自控式變頻調(diào)速最大的特點是能從根本上消除同步電動機轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患。這是因為，永磁同步電動機定子供電的變頻裝置的輸出頻率受轉(zhuǎn)子位置檢測器的制約，即定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子始終保持同步，不會由于負(fù)載沖擊等原因造成失步現(xiàn)象。 永磁同步電動機采用自控式變頻調(diào)速的方法，高性能的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的控制策略主要是以矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，以及一些先進(jìn)的控制方法為主。

9、2、PMSM矢量控制系統(tǒng)模型【2】在分析PMSM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖。根據(jù)模塊化建模的思想，控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊，其中主要包括：反饋線性化控制器模塊、PMSM本體模塊、坐標(biāo)變換模。塊等。2-1PMSM本體模塊【4】在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，PMSM本體模塊是最重要的部分，反映的是PMSM電機的本質(zhì)屬性。設(shè)計該模塊的作用是根據(jù)矢量控制模塊輸出的dq兩相相電壓Ud,Uq求取PMSM的相電流Id,Iq控制框圖如圖。2-2坐標(biāo)變換模塊坐標(biāo)變換模塊實現(xiàn)的是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的兩相相電流id、iq和定子兩相靜止坐標(biāo)系=下的i、i

10、及三相靜止坐標(biāo)系abc下的三相相電流ia、ib和ic之間的等效變化。由四個子模塊構(gòu)成，分別是1)dq-aIfabma模塊；2)alfabata-dq模塊；3）alfabata-abc模塊；4）abc-alfabata模塊。模塊1: dq-aIfabma模塊模塊2: alfabata-dq模塊其中3、4模塊實現(xiàn)的是-坐標(biāo)系和abc坐標(biāo)系之間的互換。其結(jié)構(gòu)框圖如圖模塊3：alfabata-abc模塊模塊4：abc-alfabata模塊2-3PMSM反饋線性化控制器的設(shè)計在d-q坐標(biāo)系下，PMSM的數(shù)學(xué)模型如下的形式式中令則 為了實現(xiàn)解耦 選擇和為系統(tǒng)輸出則 接著設(shè)虛擬控制量：和，令 即 進(jìn)而導(dǎo)出

11、又由線性系統(tǒng)的極點配置理論設(shè)計v1、v2：其模型如圖：3 PMSM反饋線性化控制系統(tǒng)仿真結(jié)果3-1空載運行：轉(zhuǎn)速=50rads，=0Nm；兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流仿真波形圖兩相靜止坐標(biāo)系下電流仿真波形圖 轉(zhuǎn)速仿真波形圖 在電機空載運行時，轉(zhuǎn)速實際輸出波形的峰值為52.13rad/s其實際超調(diào)量為4.26%，又由閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計時取=0707，進(jìn)而知道其理論超調(diào)量為4.3%3-2 空載啟動，穩(wěn)定運行后負(fù)載突變：轉(zhuǎn)速=50rad/s.在t=0-1s時，轉(zhuǎn)矩為零，當(dāng)t=1s時，使轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N*m兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流仿真波形圖兩相靜止坐標(biāo)系下電流仿真波形圖轉(zhuǎn)速仿真波形圖當(dāng)電機空載穩(wěn)定運行后，突然加載，其實

12、際動態(tài)降落為18.364%。又由于閉環(huán)系統(tǒng)時，抗擾性能的參數(shù)動態(tài)降落的理論值應(yīng)為18.5%。PMSM定子電阻參數(shù)不確定時矢量控制的轉(zhuǎn)速仿真波形圖 PMSM定子電阻參數(shù)不確定時反饋線性化控制的轉(zhuǎn)速仿真波形圖PMSM定子電感參數(shù)不確定時矢量控制的轉(zhuǎn)速仿真波形圖 PMSM定子電感參數(shù)不確定時反饋線性化控制的轉(zhuǎn)速仿真波形圖3-3總結(jié)：明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)PMSM參數(shù)不確定時，矢量控制方法轉(zhuǎn)速的輸出波形幾乎沒有變化，也就是說PMSM矢量控制方法對參數(shù)的依賴性不是很強；相反，反饋線性化方法在電機參數(shù)不確定時的轉(zhuǎn)速輸出波形卻明顯發(fā)生了變化，當(dāng)個別參數(shù)變化后，超調(diào)量明顯增大，控制器的抗擾能力也大大減弱，在負(fù)載突變后，轉(zhuǎn)速輸出已不能常跟蹤給定?？梢姺答伨€性化控制方法對參數(shù)的依賴性較矢量控制方法要強，對參數(shù)的變化具有較強的敏感性，圖中可以