阅读说明：本技术 一种新型的多永磁同步电机同步控制方法 (Novel multi-permanent magnet synchronous motor synchronous control method ) 是由 李文娟 颜世博 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：一种新型的多永磁同步电机同步控制方法属于多电机高精度转速同步控制领域,由主从控制方法和交叉耦合控制方法结合而成：传统的主从控制系统因为转速由前一台电机所提供,所以同步时存在着时间差,特别是在启动、停止阶段同步效果最差。传统的交叉耦合控制系统由于其结构的特殊性,只适用两台电机的场合。本发明在主从控制方法和交叉耦合控制方法的基础上进行改进,结合了主从控制和交叉耦合控制的优点,使其可以应用于三台及以上电机转速同步的场合,同时结构稳定,控制精度高,能有效减小控制系统的跟踪误差和同步误差。(A novel synchronous control method for multiple permanent magnet synchronous motors belongs to the field of multi-motor high-precision rotating speed synchronous control, and is formed by combining a master-slave control method and a cross coupling control method: the traditional master-slave control system has time difference during synchronization because the rotating speed is provided by the previous motor, and particularly has the worst synchronization effect in the starting and stopping stages. The traditional cross coupling control system is only suitable for the occasions of two motors due to the structural particularity of the traditional cross coupling control system. The invention improves on the basis of a master-slave control method and a cross-coupling control method, combines the advantages of the master-slave control and the cross-coupling control, can be applied to the occasions of synchronizing the rotating speeds of three or more motors, has stable structure and high control precision, and can effectively reduce the tracking error and the synchronization error of a control system.)

一种新型的多永磁同步电机同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种多电机同步控制方法。特别是涉及一种应用于多永磁同步电机速度同步控制系统的主从控制与交叉耦合控制结合的控制方法。

背景技术

越来越多的机械设备需要两台或两台以上的电动机共同驱动，例如数控机床、造纸机、纺织机、印刷机，甚至在高速铁路牵引系统中均有应用。在这些应用中，对每台电机之间转速的同步性要求越来越高，而同步性的好坏又直接关系到设备运行的稳定性、安全性以及产品的质量。在很多场合，单电机控制已经很难满足使用要求，工业生产对多电机同步驱动的需求促使同步控制技术成为了研究热点。交叉耦合控制结构能够实现比非耦合结构更好的同步性能，因而成为目前多电机控制主要应用的控制结构之一。

主从控制是最基本的电机同步控制方法，其中每个控制器分别获得速度参考。主从技术将参考速度反馈送到主PMSM，然后将输出速度提供给下一个PMSM作为其参考。传统的两电机交叉耦合控制结构中，反馈系数既影响跟踪性能，同时也影响同步性能，在实际工程中，很难做到二者性能兼顾，而且传统交叉耦合结构只适用于两台电机的转速同步控制，无法应用于三台电机以上情况。针对这一问题，发明了多永磁电机主从控制与交叉耦合控制结合的控制方法，该方法结合了主从控制与交叉耦合控制的优点，既有交叉耦合控制跟踪误差及同步误差小的优点，又适用于三台电机以上的情况。同时给出了详细的反馈系数计算方法，方便在实际工程中应用。

发明内容

本发明旨在提出一种用于多电机(三个或更多电机)系统的速度同步控制方法，该方法强调最小化电机之间的同步误差。

本发明采取的技术方案是，主从控制与交叉耦合控制结合的控制方法，步骤如下：

(1)多台永磁同步电机的转速信号的采集，包括：

a、采集多台永磁同步电机的转速，将每台电机的转速与参考转速作差，得到跟踪误差；

b、将不同电机之间的转速作差，得到同步误差；

c、根据跟踪误差和同步误差设计反馈回路，对各台电机的转速进行补偿；

d、反馈信号：对于电机1，输入为参考转速ω_ref，电机1实际转速ω₁与其他电机的实际转速相减得到同步误差，并求和再除以电机个数，得到电机1的反馈信号。其中，电机1与其他电机的转速差为其他电机的反馈信号。

(2)反馈系数的计算方法：

a、列出永磁同步电机的参数表；

b、根据电机参数构造状态空间模型；

c、根据状态空间模型计算出该同步控制方法的传递函数；

d、跟据传递函数，列出劳斯判据表，并计算出反馈系数的取值范围。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明将交叉耦合技术与主从技术相结合，以便将其应用于多个PMSM系统的速度同步。通过这种组合，可以实现像交叉耦合技术那样的紧密耦合，但也可以像主从技术一样应用于多台永磁同步电机。

本发明提出了一种用于多电机(三台电机或三台以上)系统的速度同步控制方法，该技术强调最小化电机之间的同步误差。这是一种新型的速度同步控制技术，将交叉耦合控制技术与主从控制技术相结合，使其可用于高速同步的多个永磁同步电机控制系统。根据电机参数求出系统的闭环传递函数，再利用劳斯准则来求出反馈增益，用电机之间的速度差控制电机使其保持同步。

附图说明：

图1是本发明结构图

图2是本发明控制原理图

图3是本发明速度补偿原理图(以三电机情况为例)

图4是本发明电气拓扑图

具体实施方式

本发明将传统结构中的转速给定与补偿模块替换，通过编码器采集电机的转速信号，其补偿机制是将主电机的转速与从电机的转速作差，差值对从电机进行补偿，将所有差值取均值对主电机进行补偿，解决了系统稳定运行时负载发生扰动使得同步误差过大的问题。电机部分采用闭环电流环，对经过跟踪误差及同步误差的补偿后的转速进行PI调节后得到旋转坐标系下的电流参考值送入电流环。通过霍尔电流传感器采集定子电流，经过d-q变换后，使i_d＝0，再经过坐标变换得到电流值，经过SVPWM后控制逆变器进而对电机转速进行控制。

下面结合附图对本发明具体实施方案进行说明。

如附图1所示，一种新型的多永磁同步电机同步控制方法，包括直流电源模块(1)、逆变器模块(2)、驱动电路模块(6)、永磁同步电机(3)、主控模块(5)、传感器模块(4)，其中传感器模块包括电压检测模块、电流检测模块、主控模块包括PARK坐标变换、CLARK坐标变换、PARK坐标反变换、速度控制器、电流控制器、空间电压矢量脉宽调制。

所述传感器模块包括电压检测模块采用宇波模块CHV-25P霍尔电压传感器，所述电流传感器采用AHBC-LTA系列霍尔电流传感器，所述速度传感器采用增量型编码器E40S6-5000，所述逆变器所用IGBT开关管均选用型号为CM200DY-34A的IGBT，所述驱动电路模块所用芯片为美国IR公司生产的IR2110驱动芯片，所述主控电路采用芯片为DSP，型号为TI公司生产的TMS320F28335。

工作原理

如附图2所示，电机的实际转速与同步误差共同与给定转速相比较后，将差值经过速度控制器后得到电流参考值，再经过电流控制器获得参考电压值，控制逆变器输出电压，对电机进行控制。霍尔传感器检测出永磁同步电机三相电流，将检测到的电流经CLARK变换后得到α-β坐标系下电流，再通过d-q变换在电流内环中形成闭环控制。

三相永磁同步电机有三个定子绕组和永磁体转子。假定无外加电压作用于转子和恒定磁链时，永磁同步电机电压的数学模型为：

利用Clark变换和Park变换将隐极永磁同步电机数学模型从三相静止坐标系转化为两相旋转坐标系，因此永磁同步电机两相旋转坐标系下的定子电压方程为：

其中，u_d、u_q分别是定子电压的d-q轴分量；L_s为定子电感；R_s为定子电阻；i_d、i_q分别是定子电流的d-q轴分量

定子磁链方程为

ψ_d＝L_si_q+ψ_f

ψ_q＝L_si_q

其中，ψ_d、ψ_q为定子磁链的d-q轴分量。

旋转坐标系下的永磁同步电机转矩公式为：

此外，永磁同步电机的机械角速度和电角速度有如下关系：

ω_e＝pω_mech

其中ω_mech，ω_e为机械角速度和电角速度，T_em和T_L为机械转矩和负载转矩，J为转动惯量，p为极对数，B为阻尼系数。

在计算永磁同步电机数学模型后，将其转换为d轴零电流状态空间模型(控制特性i_d＝0)，控制系统的状态空间模型为：

根据d轴零电流状态空间模型构造系统的开环传递函数：

主电机的反馈回路为：

根据开环传递函数求出主电机控制系统的闭环传递函数为：

通过闭环传递函数，根据劳斯判据可求出反馈系数K，同理可分别求出其他电机的反馈系数。

从电机的反馈回路为：

H_i(S)＝K_i(ω₁-ω_i)

根据开环传递函数求出从电机控制系统的闭环传递函数为：

主电机转速补偿为：

其余从电机的补偿为：

ω_i'＝K_i(ω₁-ω_i)