一种多永磁同步电机系统的协同控制方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种多永磁同步电机系统的协同控制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其无励磁损耗、体积小和可靠性高等优点成为工业界广泛使用的一种电动执行元件。工业界对永磁同步电机系统的控制性能要求越来越高，要求电机系统有更高的输出功率和具备控制多自由度设备的能力。为了使单电机系统匹配更高的输出功率，需要使用参数等级更高的电机设备和配置更复杂的驱动电路，实现难度增大。若要单电机系统实现多自由度控制，需要配套更多的阻尼器和齿轮等机械结构，机械复杂度增大。单独一台永磁同步电机逐渐难以适应愈加复杂的工业场景，为此，多永磁同步电机系统越来越多地投入到工业应用中。
3.多电机系统中，两台或多台电机一齐驱动同一对象，根据控制场景的要求，需要各台电机间的转速相同或成一定比例，多台电机之间的协同精度决定了系统的整体控制性能。目前，常见的用于多台电机之间的协同方法包括偏差耦合方法和交叉耦合方法(如图1所示)等，这些传统协同方法将协同误差乘以比例系数后，补偿到电机控制器的外部给定。但这些传统协同方法存在着一定的局限性：这类方法使用一个固定的增益系数，无法兼顾低速和高速时的性能；这类方法将补偿量加入到控制器的外部给定，而永磁同步电机往往采用多环控制器的矢量控制，补偿效果输入到矢量控制外部，经过多环控制器的调节过程，存在滞后；某一台电机遇到扰动后，传统方法通过将比例系数乘以误差获得补偿量，会使相邻电机的协同误差超调较大，影响系统的协同精度。
4.对于多永磁同步电机系统，目前仍缺乏一种可靠的精度高响应快的协同控制方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种针对多永磁同步电机系统的有效协同控制方法，可有效提高多永磁同步电机系统的协同性能，提升响应精度和速度。
6.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
7.一种多永磁同步电机系统的协同控制方法，应用于具有电流环和位置环的矢量控制系统；该方法包括：
8.在电流环和位置环之间设置基于滑膜的协同控制器，协同控制器的输出直接输入到电流环；
9.获取第i台电机和相邻电机的实际值，包括电角度和实际电角速度；
10.确定第i台电机的协同控制器的目标控制量，以满足第i台电机与相邻电机的协同目标，并消除电角度和电角速度的总体协同误差；
11.协同控制器以实际值与目标控制量的差值为滑动模态，采用滑模算法确定电机的
电流控制项，输入电流环实现多电机协同控制。
12.优选地，第i台电机的所述总体协同误差包括电角度协同误差e
θsy
和电角速度协同误差e
wsy
，确定方式为：
13.步骤s1、确定第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角度误差，确定第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角速度误差；
14.步骤s2、根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角度误差，计算电角度协同误差e
θsy
；根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角速度误差，计算电角速度协同误差e
wsy
。
15.优选地，所述根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角度误差，计算电角度协同误差e
θsy
为：将第i台电机与第i-1台电机之间的电角度误差e
θi-1
与第i台电机与第i 1台电机之间的电角度误差e
θi 1
进行加权和计算，获得电角度协同误差e
θsy
；
16.所述根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角速度误差，计算电角速度协同误差e
wsy
为：将第i台电机与第i-1台电机之间的电角速度误差e
wi-1
与第i台电机与第i 1台电机之间的电角速度误差e
wi 1
进行加权和计算，获得电角度协同误差e
wsy
。
17.优选地，所述加权和计算的权值均为0.5。
18.优选地，所述协同目标为相等同步、比例同步或固定差值同步。
19.优选地，所述协同目标为比例同步，则第i台电机的协同目标表示为：
[0020][0021]
令第i台电机在多电机系统中的位置协同误差e
θsy
和转速协同误差e
wsy
均为0，则所述确定第i台电机的协同控制器的目标控制量为：
[0022][0023]
其中，w
sy
和θ
sy
分别为所述目标控制量中的电角速度目标控制量和电角度目标控制量；w
i-1
、wi、w
i 1
分别为第i-1、i、i 1台电机的实际电角速度，θ
i-1
、θi、θ
i 1
分别为第i-1、i、i 1台电机的实际电角度，k
i-1
、ki、k
i 1
分别比例同步情况下第i-1、i、i 1台电机的比例因子。
[0024]
优选地，所述协同控制器的滑模面设计为线性滑模面；所述协同控制器的趋近律设计为：
[0025][0026]
上式(i)中，s表示滑模面，μ1，μ2和μ3为正数，α＞1，0＜β＜1，γ的取值设计为：
[0027][0028]
上式(ii)中，0＜m＜1
[0029]
整理滑模面与趋近律表达式，得到在i
di
＝0控制策略下，电机的电流控制项为：
[0030][0031]
其中，i
qi
表示第i台电机的q轴电流，即所述电流控制项；i
di
为第i台电机的d轴电流；u
qi
为第i台电机的q轴电压；w
sy
为所述目标控制量中的电角速度目标控制量；wi为第i台电机的电角速度；e
wsy
为所述总体协同误差中的电角速度协同误差e
wsy
；ri为第i台电机的定子电阻；li为第i台电机的dq轴电感；ψ
mi
为第i台电机的永磁体磁链。
[0032]
优选地，采用前向差分算子将式(iii)离散化，得到离散化系统中协同控制器的电流控制项
[0033][0034]
上式中，ts为离散系统的采样间隔，k表示第k个采样时刻。
[0035]
优选地，该方法进一步包括：判断总体协同误差中的电角速度协同误差e
wsy
是否小于或等于设定的协同精度限制σ，如果是，则启用pi控制器，pi控制器以为电机跟踪位置环给定的目标电角速度为目标计算电流控制项，输出给电流环；当电角速度协同误差e
wsy
超过协同精度限制σ时，切换为所述协同控制器进行控制。
[0036]
优选地，该方法进一步包括：设置pi控制器和协同精度限制σ，根据电角速度协同误差e
wsy
与协同精度限制σ的关系，使用pi控制器或协同控制器计算电流控制项进行控制：
[0037][0038]
其中，σ为设定的协同精度限制，k
p
和ki为pi控制器的比例系数和积分系数，e
wi
[k]为k时刻第i台电机实际电角速度与自身目标电角速度之间的差值。
[0039]
有益效果：
[0040]
(1)首先本发明不同于传统协同方法将补偿量补偿至控制器外部给定，本发明所提出的协同控制方法设计了工作于矢量控制中速度环的协同控制器，协同控制器的输出直接输入到矢量控制的电流环，实现快速响应，相较传统方法更快地消除协同误差。其次，本发明不同于传统协同方法，协同控制器的设计并未使用传统的比例系数反馈方法，而是采用滑模算法，实现电机电角度和电角速度与相邻电机协同，可以有效减小协同误差，提升控制精度。
[0041]
(2)在一优选方案中，总体协同误差中的电角度协同误差和电角速度协同误差均采用本电机与相邻两电机的加权和计算，通过设置加权系数可以灵活控制协同效果，增大与某一相邻电机间的加权系数，可使被控电机的协同目标更倾向于某一相邻电机。
[0042]
(3)本发明的协同目标可以采用相等同步、比例同步或固定差值同步，可以灵活选用合适的协同目标，本发明方案均适用。
[0043]
(4)本发明一优选实施例给出了一种协同目标为比例同步情况下的目标控制量的计算方案，不仅能够消除电角度和电角速度的总体协同误差，而且基于该方案获得的目标控制量表达简单，计算简便，需要输入的数据较少。
[0044]
(5)在本发明一优选实施例中，协同控制器的滑模面设计为线性滑模面，线性滑模面具有计算量较小，控制周期短，工程实现便捷的优点。
[0045]
(6)在本发明一优选实施例中，协同控制器的趋近律可以使得滑动模态在接近滑模面时，即|s|＜1时，滑动模态的切换带宽随着|s|的减小而减小，从而可有效遏制协同控制器中滑模算法的抖振问题，提升协同控制器的控制精度。
[0046]
(7)本发明一优选实施例进一步考虑到协同控制器的目标控制量是以消除一台电机与其他电机之间的协同误差为目的所得到的，在多电机系统启动时，各台电机均静止，每台电机与其他电机的协同误差均为0，协同控制器计算得到的输出为0，系统无法以协同目标启动，因此进一步引入pi控制器，并设置了协同精度限制σ，根据协同误差与σ的大小关系，确定采用pi控制器或协同控制器，保证即便在系统启动初始时刻或每台电机均达到稳态后，仍能够实现正常的电机控制。
附图说明
[0047]
图1为传统交叉耦合方法示意图。
[0048]
图2为本发明多电机系统中针对一台电机的协同控制器的设计原理
[0049]
图3为本发明协同方法中针对一台电机的控制结构。
具体实施方式
[0050]
本发明提供了一种基于滑模算法的多永磁同步电机协同控制方法，系统中每台电机的控制均使用矢量控制方法。对于多机系统中的某一台电机，在矢量控制中的传统速度环位置处，应用协同控制器，协同控制器的输出直接输入到电流环，实现每一台电机与其他电机之间的高精度快速响应的协同控制。工作时，获取第i台电机和相邻电机的实际值，包括电角度和实际电角速度；基于这些实际值，确定第i台电机的协同控制器的目标控制量，以满足第i台电机与相邻电机的协同目标，并消除电角度和电角速度的总体协同误差；目标控制量输入协同控制器，协同控制器基于滑膜算法实现，以实际值与目标控制量的差值为滑动模态，采用滑模算法确定电机的电流控制项，输入电流环实现多电机协同控制。
[0051]
可见，首先本发明不同于传统协同方法将补偿量补偿至控制器外部给定，本发明所提出的协同控制方法设计了工作于矢量控制中速度环的协同控制器，协同控制器的输出直接输入到矢量控制的电流环，实现快速响应，相较传统方法更快地消除协同误差。其次，本发明不同于传统协同方法，协同控制器的设计并未使用传统的比例系数反馈方法，而是采用滑模算法，实现电机电角度和电角速度与相邻电机协同，可以有效减小协同误差，提升控制精度。
[0052]
下面结合附图并举实施例，对本发明实施例进行详细描述。
[0053]
多电机系统的同步目标可分为各台电机电角度和电角速度的相等同步、比例同步
和固定差值同步。本发明所提出的新型协同方法在不同协同目标下均计算当前协同目标下协同控制器的目标控制量，实现适配上述三种不同的协同目标。以下优选实施例以比例同步为例进行描述，采用相等同步、固定差值同步或其他同步策略时，需要对协同目标的表达方式进行替换，但目标控制量的推导过程不发生实质性变化，只是因为协同目标不同导致目标控制量的推导结果形式上不同。
[0054]
对于多电机系统的第i台电机，其运行过程中的实际电角速度与实际电角度分别为wi和θi。本实施例将第i台电机的协同目标设定为与第i-1台电机和第i 1台电机的电角速度、电角度保持比例同步，既第i台电机的协同目标为：
[0055][0056]
对于多电机系统中的任一电机，均采用矢量控制方法，下面以多电机系统中第i台电机为例，阐述协同控制器的设计过程。
[0057]
首先定义协同误差，本实施例中，将总体协同误差定义为第i台电机与相邻电机的误差加权和。即第i台电机的所述总体协同误差包括电角度协同误差e
θsy
和电角速度协同误差e
wsy
，确定方式为：
[0058]
步骤s1、确定第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角度误差，确定第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角速度误差；
[0059]
步骤s2、根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角度误差，计算电角度协同误差e
θsy
；根据第i台电机与第i 1、i-1台电机的电角速度误差，计算电角速度协同误差e
wsy
。本步骤中，e
θsy
和e
wsy
的计算均采用加权和计算方式。
[0060]
那么第i台电机在多电机系统中的协同误差表示为：
[0061][0062]
其中，e
wsy
和e
θsy
分别为第i台电机的总体电角速度协同误差和总体电角度协同误差。e
wi-1
为第i台电机与第i-1台电机之间的电角速度误差。e
wi 1
为第i台电机与第i 1台电机之间的电角速度误差。e
θi-1
为第i台电机与第i-1台电机之间的电角度误差。e
θi 1
为第i台电机与第i 1台电机之间的电角度误差。和为可设置的协同倾向参数，此处取其含义是将两台相邻电机看做角色对等。在实际中，也可以根据第i台电机与相邻电机的协同关系、协同重要性等因素，来设计和的值。
[0063]
本实施例中采用加权的方式来综合相邻电机的电角度误差和电角速度误差，在实际中，也可以采用其他方式来计算协同误差，即设计如下协同函数：
[0064][0065]
由式(1)协同目标得到e
wi-1
，e
wi 1
，e
θi-1
和e
θi 1
的计算方法如下：
[0066][0067]
欲使得作用于第i台电机的协同控制器能够消除第i台电机的总体协同误差，则需要推导协同控制器的目标控制量，使得式(2)中有e
wsy
＝e
θsy
＝0。令式(2)中e
wsy
＝e
θsy
＝0，则可以推导得到第i台电机协同控制器的目标控制量为：
[0068][0069]
下文开始设计基于滑模算法的协同控制器：在矢量控制中，通过永磁同步电机的q轴电压方程和dq轴磁链方程可以推导得到带有电流导数的q轴电压方程：
[0070][0071]
在式(5)中，ri为第i台电机的定子电阻，li为第i台电机的dq轴电感(对于表贴式永磁同步电机，d轴和q轴电感相同)。ψ
mi
为第i台电机的永磁体磁链。u
qi
为第i台电机的q轴电压，i
qi
为第i台电机的q轴电流，i
di
为第i台电机的d轴电流。
[0072]
每台电机的矢量控制方法均采用id＝0控制策略，id＝0控制策略可实现永磁同步电机的dq轴解耦控制，已在工业界被广泛使用。在i
di
＝0控制策略下由式(5)得到式(6)：
[0073][0074]
关系式(6)将被引入后续滑模算法中以推导出协同控制器的控制项。
[0075]
设计滑模面的滑动模态为实际电角速度，实际电角度与式(4)目标控制量的差值，即以实际值与目标值的差值为滑动模态：
[0076][0077]
接下来设计滑模面和趋近律，可选择线性滑模面：s＝cx1 x2，其中c为滑模线性系数，线性滑模面具有计算量小，控制周期短，工程实现便捷的优点。求导数后，将电角速度wi与电流控制项iq的关系式(6)引入滑模面，得到：
[0078][0079]
在滑模算法中，传统趋近律难以有效解决滑模控制算法中的抖振问题，当滑动模态出现抖振时，应用于多永磁同步电机系统的协同控制器输出的控制量亦会产生波动变化，将严重影响多台电机间的协同精度，故此处设计应用于协同控制器的新型滑模趋近律，
以解决滑模抖振问题，提升协同控制器的控制精度。设计新型趋近律如式(9)所示：
[0080][0081]
式(9)中μ1，μ2和μ3为正数，α＞1，0＜β＜1，γ的取值设计为:
[0082][0083]
式(10)中0＜m＜1，式(9)和式(10)所设计的新型趋近律可以使得滑动模态在接近滑模面时，即|s|＜1时，滑动模态的切换带宽随着|s|的减小而减小，从而可有效遏制协同控制器中滑模算法的抖振问题。
[0084]
将式(9)的趋近律代入式(8)，并移项整理得到：
[0085][0086]
采用前向差分算子将式(11)离散化，推导出在实际离散化系统中的所研究的该台电机的协同控制器控制项为：
[0087][0088]
其中，ts为离散系统控制器的采样间隔，k表示第k个采样时刻。式(12)得到的控制项作为矢量控制中速度环的输出，输入至电流环，使电机控制量快速响应，达到消除与其他电机间的电角速度协同误差和电角度协同误差。
[0089]
在一优选实施例中，进一步考虑到多电机系统启动时协同误差均为0的情况。式(4)中，协同控制器的目标控制量是以消除一台电机与其他电机之间的协同误差为目的所得到的。在多电机系统启动时，各台电机均静止，每台电机与其他电机的协同误差均为0，协同控制器计算得到的输出为0，系统无法以协同目标启动。
[0090]
为了解决上述不足，参见图2的下半部分，本发明优选实施例中引入pi控制器，并设置了协同精度限制σ。则该方法进一步判断总体协同误差中的电角速度协同误差e
wsy
是否小于设定的协同精度限制σ。如果e
wsy
小于或等于σ，例如初始时刻和每台电机均达到稳态后，则启用pi控制器，pi控制器以为电机跟踪位置环给定的目标电角速度为目标计算电流控制项，输出给电流环，使每台电机跟踪自身控制目标；而当电角速度协同误差e
wsy
超过协同精度限制σ时，即需要消除协同误差时，切换为所述协同控制器，基于滑模算法得到的协同控制项使电机跟踪目标量w
sy
和θ
sy
，实现消除一台电机与相邻电机之间的协同误差。
[0091]
pi控制器离散化，结合上式(12)，使得完整的控制器如下：
[0092]
[0093]
其中，σ为协同精度限制，取较小正数，σ例如可以取0.01*wi[k])，k
p
和ki为离散pi控制部分的比例系数和积分系数，e
wi
[k]为k时刻第i台电机实际电角速度与自身目标转速之间的差值。所述自身目标转速采用位置环计算输出给转速环的期望转速。
[0094]
综上所述，本实例针对多永磁同步电机系统，提出了基于滑模算法的一种新型协同方法。首先推导了多永磁同步电机系统中，各台电机之间的协同误差和协同控制的目标控制量。然后引入滑模算法，设计滑动模态为电机实际电角速度、电角度与目标控制量的差值，设计趋近律。再引入永磁同步电机的电压方程和磁链方程推导得出协同控制器输出的最终控制项即输入到电流环的电流。最后在基于滑模算法所设计的协同控制器中，再引入离散pi控制解决初始启动问题。
[0095]
在本实例所提出的新型协同方法中，消除协同误差的协同控制器工作在永磁同步电机的速度环，输出的控制量输入至电流环，实现消除协同误差的快速响应，解决了传统协同方法将反馈补偿至矢量控制外部给定所造成的响应滞后问题；而基于滑模算法所设计的协同控制器，通过设计趋近律使得滑动模态趋近滑模面，避免了传统补偿方法通过比例系数获得补偿值而造成的在高速区间产生较大超调，动态精度较差的问题。进而实现了对多永磁同步电机系统的高精度，快响应协同控制。
[0096]
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。