基于svpwm變頻調(diào)速的雙電機(jī)控制算法應(yīng)用
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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[1].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[2].
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)、載波頻率過高帶來大的開關(guān)損耗等[3].由德國學(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)矩的高性能控制問題[4].
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[5].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,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),通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近基準(zhǔn)圓,即用多邊形來逼近圓形,并由它們比較的結(jié)果決定逆變器開關(guān)狀態(tài),形成PWM波[6].
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[7].
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)過程都具有良好的控制效果和魯棒性,而且算法原理簡明,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)反饋回來的轉(zhuǎn)速差作差,再通過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
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。