基于A-W PI λ 永磁同步电动机的速度控制器设计
发布时间：2021-06-18 11:36
在永磁同步电动机控制系统中,用分数阶PIλ取代整数阶PI速度控制器具有更好的动、静态性能,但在工程应用中,分数阶积分也会引起饱和非线性现象.为解决此问题,本文在分数阶PIλ基础上提出了变结构A-W PIλ算法以提高速度控制性能.A-W PIλ算法根据控制器是否进入饱和而对积分状态进行控制,并采用粒子群智能算法实现控制器的各项参数整定.仿真实验表明:分数阶PIλ比整数阶PI更容易进入饱和并能提前退出,而A-W PIλ能迅速退出饱和区,A-W PIλ速度控制器改进了系统的跟随性、抗负载扰动和鲁棒性能,提高了永磁同步电动机调速系统的速度控制性能.
【文章来源】：中国矿业大学学报. 2017,46(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１不同阶次分数阶积分的单位阶跃响应Ｆｉｇ．１Ｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｆｒａｃｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｄｅｒｓ
２Ａ－ＷＰＩλ控制器设计为实现对ＰＩλ控制器Ｗｉｎｄｕｐ现象的抑制，本文将整数阶ＰＩ的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计方法推广到分数阶ＰＩλ的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计中．工程设计中常用的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ控制器的设计方法为反算法、条件积分法两大类［１８］．２．２．１反算法反算法是当控制器进入饱和时，将饱和环节输入与输出的差值反馈输回积分器中，通过一个衰减信号减小积分器的输入进而抑制积分饱和现象，最终达到退积分饱和的目的，其结构如图２所示．图２中，ｑ为控制器的积分状态；Ｋａ为饱和补偿增益常数；ｅ为系统转速误差；Ｔｍａｘ及Ｔｍｉｎ分别为控制器输出饱和上限和下限；ｕｎ为ＰＩ算法的输出值；ｕｓ为控制器限幅后的输出值．积分状态ｑ满足ｑ·＝Ｋｉ［ｅ－Ｋａ（ｕｎ－ｕｓ）］．（２）图２反算法控制器结构Ｆｉｇ．２Ｔｒａｃｋｉｎｇｂａｃｋｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ该方法为一种线性控制策略，设计简单，常用于工程设计中，但其鲁棒性及系统稳定性存在不足，在控制精度要求较高的系统中并不适用．２．２．２条件积分法条件积分法在控制性能上优于反算法．其原理是首先对控制器状态进行判断，通过逻辑开关使控制器能在ＰＩ和Ｐ之间切换．当控制器在线性阶段时，控制器为正常的ＰＩ控制器；当控制器进入饱和阶段，控制器切换为Ｐ模式，通过选取适当的反馈时间常数τ，使积分误差反相累加，将积分状态逐渐衰减以达到退积分饱和的目的．本文选择了一种变结构式的条件
ｑｐωｒｉｑ，ｉ·ｑ＝１Ｌｑｕｑ－ＲＬｑｉｑ＋ＬｄＬｑｐωｒｉｄ－λｐωｒＬｑ，Ｔｅ＝１．５ｐ［λｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）ｉｄｉｑ烅烄烆］，（５）式中：Ｌｄ，Ｌｑ分别为ｄ，ｑ轴电感；Ｒ为定子绕组电阻；ｉｄ，ｉｑ分别为ｄ，ｑ轴电流分量；ｕｄ，ｕｑ分别为ｄ，ｑ轴电压分量；ωｒ为转子角速度；ｐ为极对数；Ｔｅ为电磁转矩．图４为按转子磁链定向并使ｉｄ＝０的永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）变频调速原理图，系统的调制方式采用ＳＰＷＭ方式．图中ＡＳＲ为速度控制器，ＡＣＲ为电流控制器．本文主要研究控制系统ＡＳＲ的调速性能，ＡＣＲ选取普通ＰＩ调节器．图４永磁同步电动机控制系统Ｆｉｇ．４Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ３．２控制器参数整定Ａ－ＷＰＩλ控制器参数的选取采用“二步法”，即首先不考虑系统饱和非线性，对分数阶ＰＩλ控制器的参数进行整定，然后在此基础上加入抗饱和部分，适当选取抗饱和时间常数，最终达到预期的效果．本文用粒子群（ＰＳＯ）算法对ＰＩ和ＰＩλ控制器参数进行整定，选取ＩＴＡＥ误差性能指标作为参数选取的评价指标如下Ｊ＝∫∞０ｔ｜ｅ（ｔ）｜ｄｔ，（６）式中：ｅ（ｔ）为系统反馈误差；ｔ为时间．利用ＰＳＯ智能算法参数整定过程中，算法中的每一个粒子均表示所需要整定的控制器各项参数，对粒
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分数阶滑模观测器的感应电机速度估计[J]. 缪仲翠,巨梅,党建武,张昊,韩天亮. 中国矿业大学学报. 2016(06)
[2]基于改进粒子群优化的井下WMSN覆盖增强算法[J]. 韩睿松,杨维. 中国矿业大学学报. 2016(01)
[3]永磁同步电机分数阶智能积分调速控制[J]. 薛薇,李永丽,路鸦立. 电机与控制学报. 2015(05)
[4]基于fal函数的非线性PI控制器在DC-DC变换器中的应用[J]. 李虹,尚佳宁,陈姚,尚倩,郝瑞祥. 电工技术学报. 2014(S1)
[5]基于积分状态预测的Anti-Windup PID控制器设计[J]. 牛里,杨明,唐思宇,徐殿国. 电工技术学报. 2014(09)
[6]PSO优化分数阶PIλ控制的双闭环直流调速控制[J]. 缪仲翠,党建武,张鑫,张昊. 计算机工程与应用. 2015(07)
[7]感应电机直接转矩控制系统的“抗饱和”控制器设计[J]. 张兴华,姚丹. 电工技术学报. 2014(05)
[8]感应电机直接转矩控制系统的变结构anti-windup控制器[J]. 张兴华,聂晶,王德明. 电机与控制学报. 2013(01)
[9]基于分数阶PI速度控制器的永磁同步电动机控制[J]. 王瑞萍,皮佑国. 电工技术学报. 2012(11)
[10]一种具有预测功能的抗积分饱和PI速度控制器[J]. 周华伟,温旭辉,赵峰,张剑. 电机与控制学报. 2012(03)
本文编号：3236590
【文章来源】：中国矿业大学学报. 2017,46(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１不同阶次分数阶积分的单位阶跃响应Ｆｉｇ．１Ｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｆｒａｃｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｄｅｒｓ
２Ａ－ＷＰＩλ控制器设计为实现对ＰＩλ控制器Ｗｉｎｄｕｐ现象的抑制，本文将整数阶ＰＩ的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计方法推广到分数阶ＰＩλ的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计中．工程设计中常用的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ控制器的设计方法为反算法、条件积分法两大类［１８］．２．２．１反算法反算法是当控制器进入饱和时，将饱和环节输入与输出的差值反馈输回积分器中，通过一个衰减信号减小积分器的输入进而抑制积分饱和现象，最终达到退积分饱和的目的，其结构如图２所示．图２中，ｑ为控制器的积分状态；Ｋａ为饱和补偿增益常数；ｅ为系统转速误差；Ｔｍａｘ及Ｔｍｉｎ分别为控制器输出饱和上限和下限；ｕｎ为ＰＩ算法的输出值；ｕｓ为控制器限幅后的输出值．积分状态ｑ满足ｑ·＝Ｋｉ［ｅ－Ｋａ（ｕｎ－ｕｓ）］．（２）图２反算法控制器结构Ｆｉｇ．２Ｔｒａｃｋｉｎｇｂａｃｋｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ该方法为一种线性控制策略，设计简单，常用于工程设计中，但其鲁棒性及系统稳定性存在不足，在控制精度要求较高的系统中并不适用．２．２．２条件积分法条件积分法在控制性能上优于反算法．其原理是首先对控制器状态进行判断，通过逻辑开关使控制器能在ＰＩ和Ｐ之间切换．当控制器在线性阶段时，控制器为正常的ＰＩ控制器；当控制器进入饱和阶段，控制器切换为Ｐ模式，通过选取适当的反馈时间常数τ，使积分误差反相累加，将积分状态逐渐衰减以达到退积分饱和的目的．本文选择了一种变结构式的条件
ｑｐωｒｉｑ，ｉ·ｑ＝１Ｌｑｕｑ－ＲＬｑｉｑ＋ＬｄＬｑｐωｒｉｄ－λｐωｒＬｑ，Ｔｅ＝１．５ｐ［λｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）ｉｄｉｑ烅烄烆］，（５）式中：Ｌｄ，Ｌｑ分别为ｄ，ｑ轴电感；Ｒ为定子绕组电阻；ｉｄ，ｉｑ分别为ｄ，ｑ轴电流分量；ｕｄ，ｕｑ分别为ｄ，ｑ轴电压分量；ωｒ为转子角速度；ｐ为极对数；Ｔｅ为电磁转矩．图４为按转子磁链定向并使ｉｄ＝０的永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）变频调速原理图，系统的调制方式采用ＳＰＷＭ方式．图中ＡＳＲ为速度控制器，ＡＣＲ为电流控制器．本文主要研究控制系统ＡＳＲ的调速性能，ＡＣＲ选取普通ＰＩ调节器．图４永磁同步电动机控制系统Ｆｉｇ．４Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ３．２控制器参数整定Ａ－ＷＰＩλ控制器参数的选取采用“二步法”，即首先不考虑系统饱和非线性，对分数阶ＰＩλ控制器的参数进行整定，然后在此基础上加入抗饱和部分，适当选取抗饱和时间常数，最终达到预期的效果．本文用粒子群（ＰＳＯ）算法对ＰＩ和ＰＩλ控制器参数进行整定，选取ＩＴＡＥ误差性能指标作为参数选取的评价指标如下Ｊ＝∫∞０ｔ｜ｅ（ｔ）｜ｄｔ，（６）式中：ｅ（ｔ）为系统反馈误差；ｔ为时间．利用ＰＳＯ智能算法参数整定过程中，算法中的每一个粒子均表示所需要整定的控制器各项参数，对粒
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分数阶滑模观测器的感应电机速度估计[J]. 缪仲翠,巨梅,党建武,张昊,韩天亮. 中国矿业大学学报. 2016(06)
[2]基于改进粒子群优化的井下WMSN覆盖增强算法[J]. 韩睿松,杨维. 中国矿业大学学报. 2016(01)
[3]永磁同步电机分数阶智能积分调速控制[J]. 薛薇,李永丽,路鸦立. 电机与控制学报. 2015(05)
[4]基于fal函数的非线性PI控制器在DC-DC变换器中的应用[J]. 李虹,尚佳宁,陈姚,尚倩,郝瑞祥. 电工技术学报. 2014(S1)
[5]基于积分状态预测的Anti-Windup PID控制器设计[J]. 牛里,杨明,唐思宇,徐殿国. 电工技术学报. 2014(09)
[6]PSO优化分数阶PIλ控制的双闭环直流调速控制[J]. 缪仲翠,党建武,张鑫,张昊. 计算机工程与应用. 2015(07)
[7]感应电机直接转矩控制系统的“抗饱和”控制器设计[J]. 张兴华,姚丹. 电工技术学报. 2014(05)
[8]感应电机直接转矩控制系统的变结构anti-windup控制器[J]. 张兴华,聂晶,王德明. 电机与控制学报. 2013(01)
[9]基于分数阶PI速度控制器的永磁同步电动机控制[J]. 王瑞萍,皮佑国. 电工技术学报. 2012(11)
[10]一种具有预测功能的抗积分饱和PI速度控制器[J]. 周华伟,温旭辉,赵峰,张剑. 电机与控制学报. 2012(03)
本文编号：3236590
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