董 藝，司文凱，喬志杰

(1.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,安徽 蚌埠 233030;2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

目前針對永磁同步電機(jī)啟動控制方法的研究有很多，但多數(shù)方法只是對電機(jī)控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)加以改進(jìn).筆者通過研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)條件下與其在控制環(huán)節(jié)增加復(fù)雜的算法來改善性能還不如在輸入級進(jìn)行性能優(yōu)化以獲得優(yōu)秀的控制效果.從理論上說，永磁同步電機(jī)的典型輸入信號多是階躍信號或者斜坡信號[1].階躍信號雖然可以快速給定目標(biāo)值，但它包含無限頻帶寬度的諧波信號，而實(shí)際系統(tǒng)的帶寬是有限的.過高的頻率信號送入系統(tǒng)，勢必會引起系統(tǒng)震蕩，進(jìn)而形成較大的超調(diào)量，這樣有可能造成對設(shè)備的損害.斜坡信號可以讓信號以一種漸進(jìn)增加的形式逐漸到達(dá)目標(biāo)值，變無限頻帶為有限頻帶，其給定速率取決于斜坡的斜率.斜坡信號漸進(jìn)增加的特性可以大大減少系統(tǒng)內(nèi)積分環(huán)節(jié)帶來的超調(diào)量[2].

斜坡信號也存在幾個問題：第一，要做到理想輸入，對于不同系統(tǒng)或者同一系統(tǒng)不同的需要，所需斜率可能是不同的[3-4]；第二，由于對系統(tǒng)的超調(diào)量沒有反饋信息，減小斜率會加大系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，加大斜率可能又會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增加[5-6]，因此難以找到最佳的斜率值.

1 雙饋式前級信號處理原理

針對階躍和斜坡兩種信號自身存在的問題，筆者基于電機(jī)控制系統(tǒng)提出一種雙饋式前級信號處理技術(shù)，加入雙饋式前級信號處理環(huán)節(jié)的電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 加入雙饋式前級信號處理環(huán)節(jié)的電機(jī)控制系統(tǒng)

由圖1可以看出，通過設(shè)計(jì)出雙饋式前級信號控制器，從而將輸入階躍信號進(jìn)行處理然后送給控制系統(tǒng)，最后利用速度環(huán)和轉(zhuǎn)速差的反饋信息來調(diào)節(jié)控制器，進(jìn)而觀察能否達(dá)到較為理想的控制效果.

由文獻(xiàn)[2]可知雙饋式前級信號可以利用誤差和積分反饋信號對輸入信號作處理.信號的處理采用指數(shù)函數(shù).圖2為雙饋式前級信號處理框圖.

圖2 雙饋式前級信號處理框圖

雙饋式前級信號信號處理部分采用指數(shù)函數(shù)，它的輸出值表達(dá)式為：

(1)

式中：yout為信號輸出，kq1、kq2為擴(kuò)張系數(shù)、xin為輸入信號、a1、a2為指數(shù)因子、t0為切換點(diǎn)時(shí)間、t2為終止時(shí)間、c為切換余值.雙饋式前級信號處理的函數(shù)圖像與對應(yīng)的方程如圖3所示.

圖3 雙饋式前級信號處理圖

(2)

此函數(shù)斜率為：

(3)

此時(shí)輸出的信號函數(shù)為：

yout1=kq1xinta1.

(4)

此函數(shù)斜率為：

S2=a1kq1xinta1-1.

(5)

當(dāng)它們的斜率相等時(shí)，有：

(6)

因?yàn)閍1>0,所以0

斜坡函數(shù)y2斜率為：

(7)

指數(shù)函數(shù)斜率為：

S4=a2kq2xin(t-t0)a2-1.

(8)

當(dāng)它們的斜率相等時(shí)，有：

(9)

2 雙饋式前級信號控制器的設(shè)計(jì)

由前述可知，雙饋式前級信號控制主要是由兩個不同的指數(shù)函數(shù)構(gòu)成.當(dāng)滿足條件時(shí)，第一個指數(shù)函數(shù)將切換到第二個指數(shù)函數(shù)，這勢必會存在一個切換點(diǎn)P,切換點(diǎn)的位置判斷條件要依據(jù)兩個反饋信號.此外我們知道越是在接近實(shí)際值時(shí)，往往在控制器中會積累相當(dāng)多的不必要誤差信息，這些信息會讓系統(tǒng)即使達(dá)到了目標(biāo)值也無法及時(shí)穩(wěn)定下來，使系統(tǒng)繼續(xù)出現(xiàn)超調(diào)，只有在控制器經(jīng)過多次的調(diào)節(jié)后方能穩(wěn)定.所以后期的積分誤差信息也是需要考慮的內(nèi)容之一.因此控制器數(shù)學(xué)基本表達(dá)式為：

(10)

(11)

其中zp為判斷函數(shù)，α1、β1為權(quán)值，k1為縮減系數(shù).

(12)

根據(jù)以上分析，可以設(shè)計(jì)出雙饋式前級信號處理器的Simulink仿真圖，如圖4所列.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

仿真實(shí)驗(yàn)中，筆者在三相永磁同步電機(jī)(PMSM)的前級加入圖4所設(shè)計(jì)的雙饋式前級信號處理器，并分別對其施加圖5中階躍信號、斜坡信號以及雙饋式前級信號處理器處理后的信號，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 PMSM系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速波形圖

圖4 雙饋式前級信號處理器Simulink仿真圖

圖5 對PMSM控制系統(tǒng)施加3種信號的波形圖

4 結(jié)語

為了獲得永磁同步電機(jī)優(yōu)良的啟動效果，很多研究人員在電機(jī)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的研究與探索，也獲得了很多成果，但是幾乎都使得控制系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，從而增加了設(shè)計(jì)成本與控制成本.筆者針對電機(jī)的輸入級入手，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的、成本相對較低的前級信號處理器.通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，使用前級信號處理之后，明顯地改善了永磁同步電機(jī)的啟動特性.在采用閉環(huán)控制條件下，系統(tǒng)可以自適應(yīng)在不同參考值下改善系統(tǒng)的啟動性能.