雙電機(jī)的偏差耦合控制算法的仿真分析和比較

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在航空、軍事、機(jī)械制造領(lǐng)域等需要多個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)工作部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的場(chǎng)合越來(lái)越多。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多采用單一電機(jī)實(shí)現(xiàn)單軸控制，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一定的限制，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)需要較大的驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，必須特制功率與之相匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，使得系統(tǒng)的成本上升，而且過(guò)大的輸出功率的電機(jī)受到制造工藝和電機(jī)性能的影響，大功率的驅(qū)動(dòng)器的研制也會(huì)受到半導(dǎo)體功率器件的限制。電機(jī)在實(shí)時(shí)跟隨同一目標(biāo)轉(zhuǎn)速的同時(shí)。還需要保持兩電機(jī)問(wèn)的轉(zhuǎn)速同步，否則便會(huì)導(dǎo)致后面的機(jī)械傳動(dòng)精度下降。針對(duì)以上問(wèn)題解決方法是采用多個(gè)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，但是多電機(jī)之間同步的好壞直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此多電機(jī)同步控制的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文建立了基于svpwm變頻調(diào)速的雙電機(jī)偏差耦合控制算法的仿真模型，并用Matlab7.1仿真軟件進(jìn)行了仿真，對(duì)仿真結(jié)果做了分析和比較。

2.空間矢量脈寬調(diào)制

采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)是變頻器抑制諧波的主要措施。正弦波PWM（SPWM）技術(shù)首先被采用并一直沿用至今，經(jīng)過(guò)不斷完善，效果顯著。然而它仍有不足之處，例如直流電壓利用率不高、低速時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、載波頻率過(guò)高帶來(lái)大的開(kāi)關(guān)損耗等，由德國(guó)學(xué)者Van Der-Broeck H W提出的空間矢量脈寬調(diào)制從根本上解決了交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的高性能控制問(wèn)題.

它的基本思想是在三相交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量IM和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量IT,并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制.SVPWM把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，著眼于如何使電機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。具體地說(shuō)，它以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電機(jī)定子的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，當(dāng)電機(jī)通以三相對(duì)稱正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈，SVPWM以此圓形磁鏈為基準(zhǔn)，通過(guò)逆變器功率器件的不同開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生有效電壓矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓，即用多邊形來(lái)逼近圓形，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波.

3.基于matlab的雙電機(jī)同步控制模型

3.1 雙電機(jī)同步控制策略

目前存在的同步控制技術(shù)包括并行控制，主從控制，交叉耦合控制，偏差耦合控制。并行控制和主從控制屬于非交叉耦合同步控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)之間的同步精度不能夠得到保證。交叉耦合控制最主要的特點(diǎn)就是將兩臺(tái)電機(jī)的速度或者是位置信號(hào)進(jìn)行比較，從而得到一個(gè)差值作為附加的反鐨信號(hào)。將這個(gè)附加的反饋信號(hào)作為跟蹤信號(hào)，系統(tǒng)能夠反映出任何一臺(tái)電機(jī)的負(fù)載變化，從而獲得良好的同步控制精度。但是這種控制策略不適合兩個(gè)以上電動(dòng)機(jī)的同步控制情形。偏差耦合控制的主要思想是將某一臺(tái)電機(jī)的速度反饋同其它電機(jī)的速度反饋分別作差，然后將得到的偏差相加作為該電機(jī)的速度補(bǔ)償信號(hào)。這種偏差橢合控制策略能夠克服以上各種控制策略的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)很好的同步性能.

3.2 偏差耦合PID控制系統(tǒng)

PlD控制有很強(qiáng)的生命力，它對(duì)于大多數(shù)過(guò)程都具有良好的控制效果和魯棒性，而且算法原理簡(jiǎn)明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。因此針對(duì)系統(tǒng)中的抑制干擾特性這一方面的要求可以采用PID控制器。對(duì)單電機(jī)的控制采用雙閉環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)svpwm進(jìn)行調(diào)速，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，svpwm調(diào)速模塊仿真圖如圖1所示。

然后將兩臺(tái)電機(jī)反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)速差作差，再通過(guò)PID調(diào)節(jié)作為當(dāng)負(fù)載有變化時(shí)的轉(zhuǎn)速反饋額外補(bǔ)償。系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

4.系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)中電機(jī)選用交流永磁同步電機(jī)（PMSM），通過(guò)simulink對(duì)本文中的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

在系統(tǒng)matlab7.1中，使用的電機(jī)模型的主要參數(shù)為：定子電阻Rs=0.0918Ω，交直軸定子電感Ld=Lq=0.000975H,轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁通λ=0.1688Wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.003945kg·㎡，粘滯摩擦系數(shù)B=0.0004924N·m·s,極對(duì)數(shù)P=4.

將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為400r/min,讓電機(jī)進(jìn)行零負(fù)載啟動(dòng)。設(shè)定仿真時(shí)間為0.2s,為了驗(yàn)證負(fù)載改變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響和雙電機(jī)的跟隨性能，在t=0.05s時(shí)，給PMSM2突加一個(gè)TM=20N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。仿真圖形如圖3所示。

由圖3可以看出電機(jī)在啟動(dòng)后很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到400r/min.當(dāng)電機(jī)PMSM2突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，PMSM2轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)短暫的下降后快速達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩恒定在20N·m.

PMSM1轉(zhuǎn)速受到PMSM2負(fù)載改變的影響，出現(xiàn)微小的下降，然后快速恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)微小的波動(dòng)后迅速恢復(fù)穩(wěn)定。說(shuō)明基于svpwm調(diào)速的PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性，雙電機(jī)間偏差耦合補(bǔ)償策略當(dāng)某一電機(jī)負(fù)載改變時(shí)，另一個(gè)電機(jī)有良好的跟隨性能。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在采用偏差耦合控制策略的基礎(chǔ)上加入PID控制補(bǔ)償器，使系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)同步控制。每臺(tái)電機(jī)都采用專門的控制器和速度補(bǔ)償模塊，通過(guò)svpwm方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并采用電流環(huán)與速度環(huán)的雙閉環(huán)控制，即每臺(tái)電機(jī)及其控制器組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過(guò)速度補(bǔ)償模塊進(jìn)行耦合，形成完整的控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。仿真結(jié)果表明，基于svpwm的PID雙閉環(huán)系統(tǒng)具有超調(diào)量小、響應(yīng)迅速、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，而加入偏差耦合控制策略的雙電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的同步性。