電機的反饋線性化控制

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:Onthebasisoffurtherresearchofthefeedbacklinearizationtechnology,bychoosingproperstatetransformationandcontroltransformation,themodelofPMSMisinput-outputlinearized,andthenafeedbacklinearizationcontrollerisdesignedfordecouplingcontrol,proposedfeedbacklinearizationcontrolsystemofPMSMissimulatedbasedonMatlab/Simulinkplatform?Itisshownbytheresultsthatduringacertainrangeofspeed,thisstrategycangivegoodcontrolperformancethanthetraditionalPIcontroller,butsimultaneouslythissystemisverysensitivetothevarianceofparametersofthemotorKEYWORDS：PMSM,doubleclosedloopPIcontrol,feedbacklinearizationcontrol1、緒論1-1永磁同步電動機發(fā)展概述1111983年釧鐵硼永磁材料問世，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%以上的釧1資源，所以在開發(fā)高磁場永磁材料(特別是釧鐵硼永磁材料)方面具有得天獨厚的有利條件，我國的釧鐵硼永磁材料特性水平己經(jīng)達到世界的先進水平，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)達國家競相研制高性能永磁同步電動機。其自身特點如下：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電機的轉(zhuǎn)速。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。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：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。稀土永磁同步電動機較異步電機尺寸大大減少，成為高密度，高效率的電機。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乂稱為無刷永磁直流電動機(BLDC)o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nl。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，以及一些先進的控制方法為主。2、PMSM矢量控制系統(tǒng)模型⑵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。

巳speed巳speedcomp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⑷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的相電流虹上控制框圖如圖。Scop-e

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iq和定子兩相靜止坐標(biāo)系a=p下的ia.ip及三相靜止坐標(biāo)系abc下的三相相電流ia、虹和L之間的等效變化。由四個子模塊構(gòu)成,分別是l)dq-alfabma模塊;2)alfabata-dq模塊；3)alfabata-abc模塊;4)abc-alfabata模塊。模塊1:dq-alfabma模塊slfa!bstslslfa!bstsl模塊2:alfabata-dq模塊For3-thremlFor3-threml其中3、4模塊實現(xiàn)的是a-p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Fon8abeFon8abe2-3PMSM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X=f(x)+g1(x)ud+g2(x>lq-牛id+Pn%iqx=式中,f(x)=R?-牛id+Pn%iqx=式中,f(x)=R?_Pn%】d 丁LL3 .1；—PnWq-y[匕J J'L、,gi(x)=0,g2(x)=r0、1Ll°J/ 3令 =Pn,(R..1,?R?%-69E——1 69+—UrdLqLrLqJqj為了實現(xiàn)解耦選擇id和程.為系統(tǒng)輸出則 YiTRx)=id,y3=h2(x)=紹項=*文=務(wù)[f(X)+gi(X)ud+g2(x)uq]=Lfh]=id=一令d+母iq+:%k |y2=Lfg=PA=Pn(亍iq-J J兌=凡=Pn^u=一零(皿id+Riq+利一%)JL接著設(shè)虛擬控制量：V]和v?,令M=%=id，巧二免二凡即R? .1v2=-零（L^id+Kiq+乙綏—％）JJL/i】d"Ly+Kid—氣iqL進而導(dǎo)出JL Y?n.Uqf 巧+L^ld+Rlq+34KPn乂由線性系統(tǒng)的極點配置理論設(shè)計VI、v2：⑴、%=%=L=-燈」中ai：JLKcP.進而得到與之對應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如下:ora\￡其閉環(huán)傳遞函數(shù)為； G(s)=—十=了*一1+&h+1skt又由典型一階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 4>(s)=V(*+l)[a=9=_偵+燈:=柄_七）取其調(diào)節(jié)時間為t,=5ms,又由匕=3不，求得L=%/?s，佑=』=600,所以：v,=600（弓-七）（2）、明=元=晚=-k舟一虹血,+B嘰進而得到與之對應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如下:其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Q11P RG($)=—r-^r-其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Q11P RG($)=—r-^r-=二一"-——]+&十與$+&.$+處又由典型二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞西數(shù)為：0（5）=-T 2S+2輪S+iW：0=H.虹-2軻=A=可v2=一頃,—匕血,+k2a)^=k2(ti)^-g)-進而求得，取&=0707」；=1叫二0.05勺又因為￡.也求得弦日=70.于是*99.01,進而求得穌=0＞：了980＞七=24^=140,代入得v產(chǎn)9802（?：一也尸）一1400虬=L旬-，)+RJa-L3jq7^1*2(<-Q)-蝴］+如.+R,L+睥KcPn進而求得反饋控制量噸、七的函數(shù)關(guān)系。其模型如圖：3PMSM反饋線性化控制系統(tǒng)仿真結(jié)果3-1空載運行：轉(zhuǎn)速利WOrad/s,君=ON3-1空載運行：轉(zhuǎn)速利WOrad/s,君=ON?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%,乂由閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計時取5=0.707,進而知道其理論超調(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-Is時，轉(zhuǎn)矩為零,當(dāng)捉Is時，使轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N*m0.1one0.06nni0.1one0.06nni i.ViVHF0.02^0?0.02qhaP?wwJ]0B1—STEtt/K'?0.08飴正值fa1(c1.5 一115Ks)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流仿真波形圖GO轉(zhuǎn)速仿真波形圖當(dāng)電機空載穩(wěn)定運行后，突然加載，，其實際動態(tài)降落為18.364%。乂由于閉環(huán)系統(tǒng)￡=0.707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

a: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)速的輸出波形兒乎沒有變化，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)