基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法技术

本发明专利技术属于多电机速度协同控制领域，为协调各从属轴之间的同步运行，也更真实地反映各轴之间动力学关系，同时为进一步提高系统的鲁棒性，将负载转矩观测值前馈至从属轴电机的电流环。本发明专利技术采取以下技术方案：基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法，系统中包括n台永磁同步电机和1台虚拟电机，使用微处理器内部AD转换接口采集整流桥输出的直流电压和相电流接着，通过转子位置传感器检测出第i台永磁同步电机的转子角位置θi，同时计算出第i台永磁同步电机的转速ωi；然后生成α、β轴参考电压；最后利用电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法输出逆变器的6脉冲驱动控制信号。本发明专利技术主要应用于多电机速度协同控制场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于负载观测器的多电机虚拟总轴控制方法，属于多电机速度协同控制领域。具体讲，涉及基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法。
技术介绍
随着现代工业技术水平的不断发展，多电机同步驱动控制技术已经被应用到各个领域，例如造纸机、印刷机、纺织机、多自由度数控机床，甚至大功率的高速铁路牵引系统等。近些年来在造纸和印刷行业，卷筒纸传输单元和印刷机印刷单元的机械轴驱动方式正大量地被无轴传动方式所取代，即由多个独立电机替代一个主电机同时驱动各印刷机组、接纸装置、折页装置或裁切装置。采用独立电机驱动具有诸多优点，如它避免了机械轴驱动带来的机械振动，其次独立电机驱动的印刷机配置非常灵活，不同于机械轴连接需要添加或拆除机械部件，它只需简单连线操作即可。目前，常用的多轴传动同步控制策略有主从控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制和电子虚拟总轴(Electronic virtual line-shafting，ELS)控制策略等。而已有的资料已表明ELS控制更适合应用在卷筒纸传输和印刷机印刷单元。ELS可以实现电机速度或位置调节，它为从属轴提供速度或位置的参考信号。稳态时，各从属轴跟随总轴，能够达到很好的同步效果；但传统ELS控制系统在起动、负载发生扰动、停机的过程中，因耦合力矩的反馈存在时间滞后会引起各从属轴之间失同步的现象，这是ELS控制策略的技术难题。同时考虑到多电机控制系统是一个多变量、参数时变、速度和张力强耦合系统，传统比例积分微分(Proportional integral derivative，PID)控制并不能满足高性能控制的要求。
技术实现思路
传统ELS控制系统在电机起动、负载发生扰动、停机的过程中，因耦合力矩反馈存在时间滞后而引起轴之间失同步的现象。针对上述问题，本专利技术方法设计了负载观测器，将观测的负载转矩作为反馈力矩反馈回虚拟总轴，从而协调了各从属轴之间的同步运行，也更真实地反映了各轴之间动力学关系，同时为进一步提高系统的鲁棒性，将负载转矩观测值前馈至从属轴电机的电流环。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法，系统中包括n台永磁同步电机和1台虚拟电机，使用微处理器内部AD转换接口采集整流桥输出的直流电压Udc和相电流iai、ibi、ici，iai、ibi、ici分别为第i台永磁同步电机定子电流；由耦合力矩Ti得到电流的参考值取值为零，Ti是第i台永磁同步电机耦合力矩，分别为第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的参考值，此时永磁同步电机能够产生的最大转矩；接着，通过转子位置传感器检测出第i台永磁同步电机的转子角位置θi，同时计算出第i台永磁同步电机的转速ωi；然后通过电流传感器检测第i台永磁同步电机定子电流iai、ibi、ici，并经三相静止坐标变换成二相静止坐标Clarke变换和二相静止坐标变换成二相旋转坐标Park变换，得到第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的检测值idi、iqi；然后减去iqi得到q轴电流误差，减去idi得到d轴电流误差，电流误差量分别经PI调节器输出d、q轴上的电压值再经过反Park变换后生成电压值分别为第i台永磁同步电机经过PI调节器得到的d、q轴上的参考电压；分别为第i台永磁同步电机经过反Park变换后生成α、β轴参考电压；最后利用电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法输出逆变器的6脉冲驱动控制信号；其中，采用改进的电子虚拟总轴ELS(Electronic virtual line-shafting)控制策略：利用负载观测器将观测的负载转矩反馈回虚拟总轴，虚拟总轴输出的参考信号即虚拟总轴输出的角速度ω、虚拟总轴输出的角位置θ发生变化，在ω、θ作用下，受扰电机和其它从属轴电机的转速差减小，使不同永磁同步电机转矩更加平衡；同时，将观测负载转矩前馈至从属轴电机的PI调节器，此时的力矩平衡关系式为 T - Σ i = 1 n T ^ L i = J s d 2 θ dt 2 ]]>式中，T为虚拟总轴的驱动力矩，Js为虚拟总轴的转动惯量。负载观测器的状态方程为：负载观测器和滑模控制器设计所用滑模趋近率如下 s · = - ϵ sgn ( s ) - k s , ϵ > 0 , k > 0 ]]>式中，s为自变量；–ks是指数趋近项，k为正常数；–εsgn(s)是等速趋近项，ε为正常数，sgn()是符号函数。将第i台电机的角位置及转速作为系统的状态变量有 x · i 1 = θ · i x · i 2 = ω · i = 3 n 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法，其特征是，系统中包括n台永磁同步电机和1台虚拟电机，使用微处理器内部AD转换接口采集整流桥输出的直流电压Udc和相电流iai、ibi、ici，iai、ibi、ici分别为第i台永磁同步电机定子电流；由耦合力矩Ti得到电流的参考值取值为零，Ti是第i台永磁同步电机耦合力矩，分别为第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的参考值，此时永磁同步电机能够产生的最大转矩；接着，通过转子位置传感器检测出第i台永磁同步电机的转子角位置θi，同时计算出第i台永磁同步电机的转速ωi；然后通过电流传感器检测第i台永磁同步电机定子电流iai、ibi、ici，并经三相静止坐标变换成二相静止坐标Clarke变换和二相静止坐标变换成二相旋转坐标Park变换，得到第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的检测值idi、iqi；然后减去iqi得到q轴电流误差，减去idi得到d轴电流误差，电流误差量分别经PI调节器输出d、q轴上的电压值再经过反Park变换后生成电压值分别为第i台永磁同步电机经过PI调节器得到的d、q轴上的参考电压；分别为第i台永磁同步电机经过反Park变换后生成α、β轴参考电压；最后利用电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法输出逆变器的6脉冲驱动控制信号；其中，采用改进的电子虚拟总轴ELS(Electronic virtual line‑shafting)控制策略：利用负载观测器将观测的负载转矩反馈回虚拟总轴，虚拟总轴输出的参考信号即虚拟总轴输出的角速度ω、虚拟总轴输出的角位置θ发生变化，在ω、θ作用下，受扰电机和其它从属轴电机的转速差减小，使不同永磁同步电机转矩更加平衡；同时，将观测负载转矩前馈至从属轴电机的PI调节器，此时的力矩平衡关系式为：T-Σi=1nT^Li=Jsd2θdt2]]>式中，T为虚拟总轴的驱动力矩，Js为虚拟总轴的转动惯量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法，其特征是，系统中包括n台永磁同步电机和1台虚拟电机，使用微处理器内部AD转换接口采集整流桥输出的直流电压Udc和相电流iai、ibi、ici，iai、ibi、ici分别为第i台永磁同步电机定子电流；由耦合力矩Ti得到电流的参考值取值为零，Ti是第i台永磁同步电机耦合力矩，分别为第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的参考值，此时永磁同步电机能够产生的最大转矩；接着，通过转子位置传感器检测出第i台永磁同步电机的转子角位置θi，同时计算出第i台永磁同步电机的转速ωi；然后通过电流传感器检测第i台永磁同步电机定子电流iai、ibi、ici，并经三相静止坐标变换成二相静止坐标Clarke变换和二相静止坐标变换成二相旋转坐标Park变换，得到第i台永磁同步电机电流环定子电流直轴分量与交轴分量的检测值idi、iqi；然后减去iqi得到q轴电流误差，减去idi得到d轴电流误差，电流误差量分别经PI调节器输出d、q轴上的电压值再经过反Park变换后生成电压值分别为第i台永磁同步电机经过PI调节器得到的d、q轴上的参考电压；分别为第i台永磁同步电机经过反Park变换后生成α、β轴参考电压；最后利用电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法输出逆变器的6脉冲驱动控制信号；其中，采用改进的电子虚拟总轴ELS(Electronic virtual line-shafting)控制策略：利用负载观测器将观测的负载转矩反馈回虚拟总轴，虚拟总轴输出的参考信号即虚拟总轴输出的角速度ω、虚拟总轴输出的角位置θ发生变化，在ω、θ作用下，受扰电机和其它从属轴电机的转速差减小，使不同永磁同步电机转矩更加平衡；同时，将观测负载转矩前馈至从属轴电机的PI调节器，此时的力矩平衡关系式为： T - Σ i = 1 n T ^ L i = J s d 2 θ dt 2 ]]>式中，T为虚拟总轴的驱动力矩，Js为虚拟总轴的转动惯量。2.如权利要求1所述的基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法，其特征是，负载观测器的状态方程为是，负载观测器和滑模控制器设计所用滑模趋近率如下： s · = - ϵ sgn ( s ) - k s ϵ > 0 , k > 0 ]]>式中，s为自变量；–ks是指数趋近项，k为正常数；–εsgn(s)是等速趋近项，ε为正常数，sgn()是符号函数。将第i台电机的角位置及转速作为系统的状态变量有 x · i 1 = θ · i x · i 2 = ω · i = 3 n p i 2 ψ f i 2 J i i q i - n p i J i T L i ]]>式中，xi1、xi2分别代表第i台永磁同步电机的角位置和转速状态变量，分别为xi1、xi2的导数；是θi的导数；是ωi的导数，npi为第i台从属轴电机极对数，Ji为第i台电机转动惯量，ψfi为第i台电机转子磁链，TLi为第i台从属轴电机负载转矩。定义变量如下 A i = 3 n p i 2 ψ f i 2 J i d i = - n p i J i T L i L i = n p i J i ]]>将的状态方程进一步整理得 x · i 1 = x 2 i x · i 2 = A i i q i + d i ]]>在上式基础上，以第i台电机的角位置和转速为观测对象，建立滑模观测器为 x ^ · i 1 = x i 2 - W i 1 x ^ · i 2 = A i i q i - W i 2 ]]>式中，分别是第i台电机的角位置观测值的导数和转速观测值的导数；Wi1、Wi2是指数趋近律函数，即为 W i 1 = ϵ i 1 sgn ( x ^ i 1 - x i 1 ) + k i 1 ( x ^ i 1 - x i 1 ) W i 2 = ϵ i 2 sgn ( x ^ i 2 - x i 2 ) + k i 2 ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿强，夏长亮，李新旻，张芳芳，唐永聪，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12