一种新的自适应控制竞选容错Flux-Switching永磁电机

文摘

竞选的容错flux-switching永磁(FT-FSPM)电机可以提供高效率和高容错能力。在本文中,简要给出了工作原理和数学模型。此外,一个新的FT-FSPM电动机的自适应控制,基于推方法和滑模控制策略,提出了。根据推方法,电流控制器和电压控制律的设计跟踪的速度和减少当前的静态误差,提高动态响应和抑制外部干扰的能力。为了克服参数变化的影响,根据滑模控制理论,利用虚拟控制变量和自适应算法方法的不确定性。三个李雅普诺夫函数的设计,详细分析了闭环系统的稳定性。最后,仿真和实验结果给出了验证该控制方法。

1。介绍

近年来,flux-switching永磁(PM) (FSPM)汽车获得了相当大的关注。在定子,这些汽车有经前综合症,很容易冷却,从而降低的风险点磁体的退磁过热造成的。此外,FSPM汽车提供一个简单的转子结构和良好的机械完整性(1- - - - - -5]。因此,他们适用于高精度和高速操作(6]。

在某些高可靠性应用程序、电机驱动的连续操作是很重要的。三相马达已表现出良好的性能,但是他们仍然受到限制在故障条件下(7]。下午多相电机有优势,如效率高、功率密度高、和相位数量冗余,并被广泛应用于特殊领域如海军推进器,航空航天,军事装备8]。下午多相电机的相数量冗余确保电动机实现无故障运行和高可靠性,即使一个阶段或一个两阶段发生错误。最近,采用多相容错的牙齿,竞选容错FSPM (FT-FSPM)提出了电动机,展示优点像高容错和高可靠性。

FT-FSPM电机的精确数学模型很难获得,因为它是一个强非线性系统与不可测的内部和外部的未知干扰(9]。因此,很难实现高绩效的线性控制方案。另一方面,介绍了各种先进的智能策略来改善操作性能的马达驱动10,11),如滑模控制(SMC) (12),自适应控制13,模糊控制6),神经网络控制14),和鲁棒控制15,16]。SMC在这些控制策略中,众所周知,是一个非常有效的方法控制非线性系统,因为它不是敏感的外部扰动和参数变化,显示鲁棒性和快速响应,很容易实现(17]。然而,它的滑模面遭受喋喋不休(18),从而影响控制性能。由于不确定性参数的变化,低通滤波器和转子位置补偿方法是用来减少滑模面聊天(19]。同步控制是控制策略开发最近不确定非线性系统,它可以使用状态反馈线性化的非线性系统(15]。设计的控制算法可以一步一步通过合适的李雅普诺夫函数(20.]。提出了自适应反推观察者和逐步退焊法积分提高鲁棒性和跟踪精度,但仍然存在静态误差和较大的速度过冲(21- - - - - -23]。同步控制和SMC的结合已经成为一种重要的战略领域的不确定非线性系统的研究。迄今为止,往后退SMC方法FT-FSPM运动系统几乎没有报道。

提出了一种新的推SMC FT-FSPM马达的方法,可显著抑制滑模抖振和准确跟踪电机速度。虚拟控制变量和中间轴电压控制律的设计是为了实现所需的电机速度和位置控制,确保系统的稳定性。外部干扰和内部机械参数变化统称为不确定性方面,接近的自适应学习算法,获得系统的最佳状态。

2。FT-FSPM电动机

图1显示了一个竞选过程的截面FT-FSPM马达。这个马达有10定子槽和18转子磁极。它类似于开关磁阻电机的转子(24]。这个拓扑的罗马教廷的优点是引入容错牙齿,牙齿交错的电枢。相比之下,传统FSPM电动机的定子由许多u型层压段组成。的竞选FT-FSPM电动机由10”“形单位,即核心,集中电枢线圈缠绕着每两个单元,一块磁铁嵌入在中间的两个核心。因此,相邻定子相绕组的波兰人基本上是孤立的,导致相分离的优点。因此,该电机具有良好的容错能力,从而确保运动系统的高可靠性。此外,由于额外的牙齿,它有更少的互感[25]。

如图2根据最小的原则不情愿,通量流从定子铁芯轭尽可能多。因此,对经前综合症电枢反应没有影响。

3所示。数学模型

虽然FT-FSPM电机在定子经前综合症,其PM通量和EMF(电动势)出现双正弦在任何负载。因此,其基本坐标系统可以被描述为图所示3。

FT-FSPM电动机的简化数学模型可以通过坐标变换,可以减少运动系统,解耦和线性化。自从汽车理想的正弦磁链,只有基本磁链被认为是在这个工作。根据磁路的法律,被描述为磁铁方程 在哪里漏电感,和电流在和轴分别是下午通量,和定子电感在吗和轴,分别和通量沿和轴,分别。5/2坐标变换,电流沿着和轴,和,表示为 在哪里,竞选水流和吗转子位置角。从(2),竞选过程电流转移到两相旋转坐标系的电流。由于采用现场定位控制,有必要知道电流之间的关系,电压,和转矩的旋转坐标系。定子电压和电磁转矩方程可以描述为转子坐标系 在哪里的双转子极数,和的电压吗和轴分别转子角速度,定子电阻,电磁转矩。虽然设在电感不等于设在电感,他们之间的差别。从(明显3),FT-FSPM电动机的电磁转矩主要是相关的- - - - - -轴电流和电感。根据牛顿运动定律,不考虑弹性扭转力矩系数和电机机械运动,运动方程表示为 在哪里惯性矩,是粘滞摩擦系数,负载转矩。

4所示。控制器设计

4.1。设计的同步控制

很明显,FT-FSPM电动机的模型具有很高的非线性特点,因为之间存在着耦合电流和和转子角速度。FT-FSPM电动机驱动系统的框图的基础上往后退SMC如图4。FT-FSPM电机驱动采用控制策略取向。根据空间矢量控制原理,竞选电动机定子电流产生根据5/2轴电流转换。随后,轴电流产生的公园转换和发送到控制器。由于电磁转矩是线性成正比吗设在当前,可以控制通过调整转矩输出电流。往后退控制器实现电流闭环控制和生成控制电压和FT-FSPM电动机驱动系统。随后,空间矢量脉冲宽度调制(PWM)是由2/5的坐标变换。自适应滑模控制器是用来识别外部干扰和内部参数变化。负载转矩估计是用来估计根据自适应法。

在实践中,通常FT-FSPM电机的负载转矩变化和参数不确定性可以恶化的操作性能。传统的比例积分微分控制不能提供令人满意的性能,因为参数是固定的。因此,通常速度识别系统受到干扰。当电机运行时,其内部参数和外部干扰可能会波动。因此,反推控制器用于提高抗干扰能力,采用自适应滑模算法来估计的不确定性。

现有的SMC,喋喋不休的问题是不可避免的在滑模切换的过程中,它会影响系统的稳定性。减少或消除滑模抖振,往后退控制策略应用于SMC算法。往后退SMC方法取代传统的比例积分微分控制。现有SMC方法相比,往后退SMC不敏感的内部参数变化和外部干扰,可确保系统轨迹达到和保持在滑模面。自适应滑模控制器可以自动跟踪参数的变化和调整控制变量。

FT-FSPM电机的同步控制系统的设计包含两个步骤。首先,速度子系统使用电压控制律设计,保证速度稳定。随后,为当前子系统,设计了鲁棒控制律实现当前的跟踪。假设理想转速信号吗是实际的速度信号。他们是足够光滑。被定义为速度跟踪误差信号

的推导是由

的速度子系统,第一个李雅普诺夫函数被定义为,其推导过程表示为 在哪里速度反馈增益,这是一个积极的常数。在(7),除了速度,有目前的条款和速度误差项。因此,所需的电流控制项的值和被定义为

因此,电流和将收敛于和,所以和。因此,(8)可以替换成(7)。随后,(7)成为速度,满足收敛要求。然而,负载转矩实际操作是未知的,取而代之的是负载转矩的估计价值吗。根据矢量控制理论,当前总是被迫为零,以东方的所有链接通量设在。因此,- - - - - -轴电流跟踪误差被定义为

当(8)和(9)替换成(6),表示为 在哪里估计误差,。

电机驱动系统的核心是由逆变器输出和他们的竞选过程电流空间矢量PWM控制的。当前的循环是一个闭环。因此,当前的控制和FT-FSPM电动机是关键。根据滑模理论,微分形式被描述为当前的错误

此外,为了消除的导数项设在电流误差控制算法,第二个李雅普诺夫函数被定义为

此外,

保证全局渐近稳定在当前循环,轴控制电压设计

被描述为负载转矩估计法

此外,(14)和(15)替换成(13),表示为 在哪里和都是正的常数。随后,(16)成为。它满足了系统的渐近稳定条件。FT-FSPM电动机驱动系统,跟踪错误,收敛到零。电压控制律是一种具体的方式实现运动系统的逐步退焊法策略。

4.2。自适应滑模控制器的设计

值得注意的是,控制器设计不考虑电动机本身参数的变化。在实际的操作中,参数,,,可以改变速度变化和外部干扰。这些因素会影响FT-FSPM电动机驱动系统的稳定性,降低系统控制精度。虽然不确定项的上界是很难确定的,有效的估计不确定性项可以使用自适应滑模算法实现。运动方程写成

这是简化如下: 在哪里。因为当前的是运动控制的关键,控制项选为吗。负载转矩的估计价值替换。为了提高FT-FSPM电机、控制精度和性能的不确定性方面的变化被认为是, 在哪里包含变化引起电阻的变化 在哪里被认为是完全不确定性项;也就是说,,。此外,,不确定性的电动机参数变化和外部负载干扰。为了方便分析,介绍了电动机的转子位置角度分析不确定性条件。此外,被定义为转子位置角误差;也就是说,,导数形式。此外,是一个虚拟的控制项。随后,角位置的速度可以表示使用和如下: 在哪里因此。

为了克服干扰和参数变化,介绍了滑模项。滑模切换函数的选择是非常重要的。方便操作和更少的滑模抖振,考虑到之前的同步控制分析,选择滑模面

导数形式表示为

来验证以上假设的可行性,第三个李雅普诺夫函数被定义为

的导数形式(24)是由 在哪里是正的常数,估计的价值吗。此外,估计误差和吗。假设参数变化和外部干扰是缓慢的,不确定性项可以近似为一个常数,是最大的。在本文中,采用指数接近法律和表单。指数项能保证更大的速度接近表面的滑动面切换。然而,一个简单的指数项不能保证到达时间和恒速术语有限是补充道。当接近于零,进料速度吗而不是零,确保有限的到达时间。因此,设计自适应控制器 自适应律的设计 随后,(26)和(27)替换成(25),导致以下: ,。这些方程代入(28);然后 考虑到的值,,,保证是一个正定矩阵。随后,(29日)成为。根据李雅普诺夫稳定性理论,FT-FSPM电机系统是稳定的。的块自适应滑模控制器如图5。转角速度信号,位置角信号,控制器的输入。在这方面,增加虚拟控制条款的目的是设计自适应滑模算法方法总不确定项。

5。仿真和实验结果

5.1。仿真结果

验证的有效性逐步退焊法SMC算法,使用MATLAB / Simulink仿真模型建立。的竞选FT-FSPM电机参数如下:额定功率千瓦,相电压= 200 V,额定转速= 600 r / min,额定扭矩= 7.8 N·m,定子电阻= 2.56Ω,绕组电感= 36 mH和= 35 mH,转动惯量= 0.00062公斤·m²的摩擦系数= 0.00031 N·m·s,和永磁磁通= 0.183 Wb。

往后退SMC的参数选择

测试控制器的鲁棒性和负载的变化,模拟两种不同的情况下执行。参考速度= 600 r / min。在第一种情况下,年代,负载转矩改变从5 N·m 7.5 N·m,结果如图6。在其他情况下,年代,负载转矩改变从5 N·m 2.5 N·m。

从数据看6和7开始,提出了SMC的仿真结果表明,该反应速度可以快速跟踪参考速度在0.01秒,但现有的SMC落后0.05秒。值得注意的是,速度超调的情况下提出了SMC可以减少从10%提高到7.5%,比现有的SMC。此外,现有的SMC导致电流和开始生产大喋喋不休,但提出的SMC可以最小化即时聊天由于电压的有效性()控制法律和滑模控制算法。可以看出设在当前是解耦的电机速度和监管为零。成正比设在当前和几乎是同时变化的电流。在电机启动时,由于FT-FSPM扭矩电机位置,有大型电磁转矩和电流峰值。然而,正常操作下的电磁转矩脉动小。竞选过程电流的响应轨迹与理论分析的结果一致,倾向于稳定在0.01 s。他们现在的正弦波和相应的振幅的变化。在负载转矩突变的瞬间,速度、电流、和转矩波动的SMC比现有的SMC更小,虽然响应速度几乎是相同的。因此,拟议的SMC方法承诺更好的实现与现有的SMC FT-FSPM电动机系统的方法。

为了测试下的FT-FSPM电机速度跟踪性能变化的速度,在0.25秒,速度增加从600 r / min - 800 r / min和600转/分的速度降低到400 r / min,分别。如数据所示8和9,通过使用该SMC算法,响应速度可以快速跟踪参考速度信号和速度跟踪误差很小。可以看到仿真的转子位置角,转子位置角的反应可以反映速度的变化。

关于不确定性条件,模拟转子位置角是为了验证该算法的可行性和位置跟踪的性能。一个正弦信号作为输入信号。图10显示电机位置角和轨迹的跟踪控制器的输入,当负载为0.2 N·m应用于系统转子位置角= 90°。图11显示电机位置角和轨迹的跟踪控制器的输入干扰时应用于系统的转子位置角= 270°。尽管突然加载,转子瞬态波动后可以追踪的理想位置。尽管突变造成的变化方面存在不确定性,调整位置角所花费的时间非常短,波动很小。控制输入有一个非常快速反应和总不确定项应该是一个正弦信号。图12显示,可以跟踪自适应和实现不确定性的估计使用自适应滑模算法。

5.2。实验结果

进一步验证的可行性提出了SMC, FT-FSPM电机控制实验平台是建立在实验室,如图13。实验平台设备包括DSP2812芯片、三菱IPM, 2048线光电编码器、电源模块、霍尔传感器、扭矩传感器、功率和驱动程序模块。使用直流电机的负载。实验结果如下所示。

实验结果在200 r / min的速度数据所示14和15。图14显示电流瞬态波动很大时,负载的增加从4 N·m 6 N·m。它可以观察到,转矩和速度波动的SMC远小于现有的SMC。的速度响应提出了SMC大约是0.3秒的速度比现有的SMC。改变负载后,当前的显著改变。图15显示当前和大幅减少脉动转矩在提出SMC法下,当负载减少从6 N·m 4 N·m。的速度响应提出了SMC大约是0.4秒的速度比现有的SMC。1 - 1.5秒后,速度、电流和扭矩趋于稳定。很明显,波动的SMC方法小得多,表明该SMC能更好地吸收负载突然变化,具有抗干扰的能力。相比现有的SMC,拟议的SMC的鲁棒性和速度可以提高FT-FSPM电机驱动系统。

电流的实验波形和如图16。因此,由于采用= 0控制策略,当前在零几乎是一条直线,而当前还与不断变化的负载变化。由于提出了SMC方法,电流响应的速度提高和速度响应时间减少到大约0.1年代。在即时的负载变化,存在小波动和几乎没有超调。当电机工作正常,纹波电流也显著降低,到大约10到15%。这些结果表明,该方法优于现有的SMC,速度和鲁棒性。

6。结论

的竞选FT-FSPM运动有一个简单的转子结构和高容错能力,这是有效点发烧和错误的问题。降低系统参数不确定性和外部干扰的影响,提出了一种非线性自适应SMC算法FT-FSPM电机,基于同步控制理论。引入虚拟控制方面,速度跟踪误差和估计误差dq轴电流控制方面,使用逐步退焊法和电压控制律的设计方法。这些可以提高系统的鲁棒性,动态和静态性能时变负载扭矩下,由于自适应SMC算法的不确定性。拟议的SMC可以有效地实现速度跟踪和减少聊天,和这个方法已经证明下的系统稳定性。它确保了竞选FT-FSPM电机具有更好的瞬态性能和运动系统的稳定安全。仿真和实验结果证实了该方法的有效性。鉴于FT-FSPM电动机的特点,下一步的研究小组将继续研究中电动机的速度性能。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(项目号51422702)。

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