一種雙電機的偏差耦合同步控制策略的研究

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

本文建立了基于svpwm變頻調速的雙電機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，對仿真結果做了分析和比較。

2.空間矢量脈寬調制

采用脈寬調制(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(zhù)。然而它仍有不足之處，例如直流電壓利用率不高、低速時(shí)存在轉矩脈動(dòng)、載波頻率過(guò)高帶來(lái)大的開(kāi)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制從根本上解決了交流電動(dòng)機轉矩的高性能控制問(wèn)題.

它的基本思想是在三相交流電機上模擬直流電機轉矩控制的規律，在磁場(chǎng)定向坐標上將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量IM和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量IT,并使兩分量互相垂直，彼此獨立，分別進(jìn)行調節，實(shí)現轉矩控制.SVPWM把逆變器和交流電動(dòng)機視為一體，著(zhù)眼于如何使電機獲得圓形旋轉磁場(chǎng)，以減少電機轉矩脈動(dòng)。具體地說(shuō)，它以三相對稱(chēng)正弦電壓供電時(shí)交流電機定子的理想磁鏈圓為基準，當電機通以三相對稱(chēng)正弦電壓時(shí)，交流電機內產(chǎn)生圓形磁鏈，SVPWM以此圓形磁鏈為基準，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)逼近基準圓，即用多邊形來(lái)逼近圓形，并由它們比較的結果決定逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波.

3.基于matlab的雙電機同步控制模型

3.1 雙電機同步控制策略

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，當負載發(fā)生變化時(shí)，電機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)就是將兩臺電機的速度或者是位置信號進(jìn)行比較，從而得到一個(gè)差值作為附加的反鐨信號。將這個(gè)附加的反饋信號作為跟蹤信號，系統能夠反映出任何一臺電機的負載變化，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)機的同步控制情形。偏差耦合控制的主要思想是將某一臺電機的速度反饋同其它電機的速度反饋分別作差，然后將得到的偏差相加作為該電機的速度補償信號。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)現很好的同步性能.

3.2 偏差耦合PID控制系統

PlD控制有很強的生命力，它對于大多數過(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，參數物理意義明確，理論分析體系完整且應用經(jīng)驗豐富。因此針對系統中的抑制干擾特性這一方面的要求可以采用PID控制器。對單電機的控制采用雙閉環(huán)設計，通過(guò)svpwm進(jìn)行調速，使系統具有良好的穩定性，svpwm調速模塊仿真圖如圖1所示。

然后將兩臺電機反饋回來(lái)的轉速差作差，再通過(guò)PID調節作為當負載有變化時(shí)的轉速反饋額外補償。系統仿真模型如圖2所示。

系統中電機選用交流永磁同步電機(PMSM)，通過(guò)simulink對本文中的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗。

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

將電機轉速設定為400r/min,讓電機進(jìn)行零負載啟動(dòng)。設定仿真時(shí)間為0.2s,為了驗證負載改變對系統產(chǎn)生的影響和雙電機的跟隨性能，在t=0.05s時(shí)，給PMSM2突加一個(gè)TM=20N·m的負載轉矩。仿真圖形如圖3所示。

由圖3可以看出電機在啟動(dòng)后很快達到穩定狀態(tài)，轉子的轉速穩定到400r/min.當電機PMSM2突加負載轉矩后，PMSM2轉速經(jīng)過(guò)短暫的下降后快速達到穩定，轉矩恒定在20N·m.

PMSM1轉速受到PMSM2負載改變的影響，出現微小的下降，然后快速恢復穩定，轉矩也出現微小的波動(dòng)后迅速恢復穩定。說(shuō)明基于svpwm調速的PID雙閉環(huán)控制系統有較強的魯棒性，雙電機間偏差耦合補償策略當某一電機負載改變時(shí)，另一個(gè)電機有良好的跟隨性能。

5.結束語(yǔ)

本系統在采用偏差耦合控制策略的基礎上加入PID控制補償器，使系統能夠很好的實(shí)現同步控制。每臺電機都采用專(zhuān)門(mén)的控制器和速度補償模塊，通過(guò)svpwm方式對電機進(jìn)行調速，并采用電流環(huán)與速度環(huán)的雙閉環(huán)控制，即每臺電機及其控制器組成一個(gè)閉環(huán)系統，各子系統之間通過(guò)速度補償模塊進(jìn)行耦合，形成完整的控制系統，增強了系統的抗干擾性。仿真結果表明，基于svpwm的PID雙閉環(huán)系統具有超調量小、響應迅速、魯棒性強等特點(diǎn)，而加入偏差耦合控制策略的雙電機控制系統具有良好的同步性。