基于双馈式前级信号处理技术的永磁同步电机启动性能改善方法研究

董 艺，司文凯，乔志杰

(1.安徽电子信息职业技术学院 机电系,安徽 蚌埠 233030;2.安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)

目前针对永磁同步电机启动控制方法的研究有很多，但多数方法只是对电机控制环节的设计加以改进.笔者通过研究发现，多数条件下与其在控制环节增加复杂的算法来改善性能还不如在输入级进行性能优化以获得优秀的控制效果.从理论上说，永磁同步电机的典型输入信号多是阶跃信号或者斜坡信号[1].阶跃信号虽然可以快速给定目标值，但它包含无限频带宽度的谐波信号，而实际系统的带宽是有限的.过高的频率信号送入系统，势必会引起系统震荡，进而形成较大的超调量，这样有可能造成对设备的损害.斜坡信号可以让信号以一种渐进增加的形式逐渐到达目标值，变无限频带为有限频带，其给定速率取决于斜坡的斜率.斜坡信号渐进增加的特性可以大大减少系统内积分环节带来的超调量[2].

斜坡信号也存在几个问题：第一，要做到理想输入，对于不同系统或者同一系统不同的需要，所需斜率可能是不同的[3-4]；第二，由于对系统的超调量没有反馈信息，减小斜率会加大系统的反应时间，加大斜率可能又会导致系统超调量增加[5-6]，因此难以找到最佳的斜率值.

1 双馈式前级信号处理原理

针对阶跃和斜坡两种信号自身存在的问题，笔者基于电机控制系统提出一种双馈式前级信号处理技术，加入双馈式前级信号处理环节的电机控制系统如图1所示.

图1 加入双馈式前级信号处理环节的电机控制系统

由图1可以看出，通过设计出双馈式前级信号控制器，从而将输入阶跃信号进行处理然后送给控制系统，最后利用速度环和转速差的反馈信息来调节控制器，进而观察能否达到较为理想的控制效果.

由文献[2]可知双馈式前级信号可以利用误差和积分反馈信号对输入信号作处理.信号的处理采用指数函数.图2为双馈式前级信号处理框图.

图2 双馈式前级信号处理框图

双馈式前级信号信号处理部分采用指数函数，它的输出值表达式为：

(1)

式中：yout为信号输出，kq1、kq2为扩张系数、xin为输入信号、a1、a2为指数因子、t0为切换点时间、t2为终止时间、c为切换余值.双馈式前级信号处理的函数图像与对应的方程如图3所示.

图3 双馈式前级信号处理图

(2)

此函数斜率为：

(3)

此时输出的信号函数为：

yout1=kq1xinta1.

(4)

此函数斜率为：

S2=a1kq1xinta1-1.

(5)

当它们的斜率相等时，有：

(6)

因为a1>0,所以0

斜坡函数y2斜率为：

(7)

指数函数斜率为：

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

(8)

当它们的斜率相等时，有：

(9)

2 双馈式前级信号控制器的设计

由前述可知，双馈式前级信号控制主要是由两个不同的指数函数构成.当满足条件时，第一个指数函数将切换到第二个指数函数，这势必会存在一个切换点P,切换点的位置判断条件要依据两个反馈信号.此外我们知道越是在接近实际值时，往往在控制器中会积累相当多的不必要误差信息，这些信息会让系统即使达到了目标值也无法及时稳定下来，使系统继续出现超调，只有在控制器经过多次的调节后方能稳定.所以后期的积分误差信息也是需要考虑的内容之一.因此控制器数学基本表达式为：

(10)

(11)

其中zp为判断函数，α1、β1为权值，k1为缩减系数.

(12)

根据以上分析，可以设计出双馈式前级信号处理器的Simulink仿真图，如图4所列.

3 仿真实验与分析

仿真实验中，笔者在三相永磁同步电机(PMSM)的前级加入图4所设计的双馈式前级信号处理器，并分别对其施加图5中阶跃信号、斜坡信号以及双馈式前级信号处理器处理后的信号，得到的实验结果如图6所示.

图6 PMSM系统输出转速波形图

图4 双馈式前级信号处理器Simulink仿真图

图5 对PMSM控制系统施加3种信号的波形图

4 结语

为了获得永磁同步电机优良的启动效果，很多研究人员在电机控制环节进行了大量的研究与探索，也获得了很多成果，但是几乎都使得控制系统变得非常复杂，从而增加了设计成本与控制成本.笔者针对电机的输入级入手，设计了一种实用的、成本相对较低的前级信号处理器.通过仿真实验可以看出，使用前级信号处理之后，明显地改善了永磁同步电机的启动特性.在采用闭环控制条件下，系统可以自适应在不同参考值下改善系统的启动性能.