一种内燃机车异步电机内模控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种内燃机车异步电机内模控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于单轴功率大、粘着性能好、牵引再生控制方便、节能指标好等优点，目前内燃 机车广泛采用交流传动系统。对于其控制算法来说，矢量控制几乎已经成为一个工业标准， 特别是转子磁场定向，因为可W实现转矩和磁链的解禪控制而在传动系统中得到广泛的应 用。在低开关频率下，开关周期的增大会带来一系列不利影响:数字控制中的延时增大、电 流环带宽降低、转矩和磁链的动态解禪性能变差、电流谐波增大等。运些特点都使大功率传 动系统的矢量控制不同于传统的小功率系统。
[0003] 内模控制是一种从化工过程控制中发展起来的控制方法，设计原理简单，参数整 定直观，鲁棒性强，控制性能好，因此得到了国内外学者的关注。然而，常规内模控制仅有一 个可调参数，设计方便，控制简单。但是，在跟踪性和鲁棒性之间只能折中考虑，难W达到双 优控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种内燃机车异步电机的内模控制方法，W解决现有技术 存在的跟踪性和鲁棒性难W达到双优控制的问题。
[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种内燃机车异步电机的内模控制方法，通 过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的标称模型，利用被控对象的电流输出值与标 称模型的电流输出值作差，得到的差值经过一个反馈控制器，反馈到内模控制器的输入端， 与期望电流值作差后输入到内模控制器来抑制参数的变化、模型失配与外部干扰信号;将 变阻尼算法引入到内模控制器当中，利用变阻尼算法对参数kp调整，达到对内模控制器滤 波时间常数β的调整，所述方法包括如下环节：
[oooy 1)给出重构的綺妍疆feXs)，即异步电机电'滿梯勺欄为
其中0为漏磁系数，ws为磁场同步旋转角速度，Ls为定子电感，Rs为定子电阻;异步电机内模 控制器电流输出表达式为：
I其中，e (S)为被控对象的 电流输出值与标称模型电流输出值之差，即
，s为频域 拉普拉斯算子，G(s)为被控对象模型，即异步电机，R(s)为期望电流值，d(s)为外部扰动，C (S)为内模控制器C(s)=f(s) . [Gn(s)ri
β是滤波时间常数;kp是由变阻 尼算法得到的一个调节系数，可W通过控制kp来实现对R(s)和e(s)的调节；
[0007]。上述1)中艇I脚由变阻尼算法得到脚姐下面方程确定：
。 式中：
>kl是变阻尼算法启动开始时希望加入的较大阻尼参 数值，k2是调节斜率值，kp为阻尼参数输出值，V(t)为变阻尼算法的输入值，也就是内模控制 中所设计的滤波时间常数β，Χ?和X2为两个状态变量;其中XI是跟踪v(t)，而X2是作为v(t)的 "近似微分"，a为阻尼表达式的跟踪控制斜率，当a增大时，XI跟踪V(t)越快，反之，XI跟踪V (t)越慢。
[000引本发明利用变阻尼算法对内模控制器滤波时间常数进行动态调节，在启动阶段给 定ki倍滤波参数，启动完成后，恢复为v(t)倍滤波参数。本发明系统结构简单、稳定性高;控 制方法参数不需要大量的计算就能完成。有效改善内燃机车异步电机的动态性能，可应用 于工程实践当中。
【附图说明】
[0009]图1为免疫二自由度内模控制的永磁同步电机系统框图。
[0010]图2为内模控制框图。
[0011]图3为变阻尼微分跟踪器非线性函数。
[001^ 图4为变阻尼内模控制框图。 具体实施方案
[0013] 本发明为一种内燃机车异步电机内模控制方法，W改善异步电机的内模控制全程 范围内固定滤波时间常数的问题。由附图2知，通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一 致的标称模型，利用被控对象的电流输出值与标称模型的电流输出值作差，经过一个反馈 控制器，反馈到内模控制器的输入端，与期望电流值作差后输入到内模控制器来抑制参数 的变化、模型失配与外部干扰信号，W提高系统的鲁棒性。所述控制方法包括如下环节：
[0014] 1)给出重构的标称模型Gn(s)，即异步电机的模型为：
，0=l-LmV(LsLr)为漏磁系数，Ws为磁场同步旋转角 速度，Ls为定子电感瓜为定子电阻，Lm指的是电机的互感，U为电机转子电感;异步电机电 流输出表达式为：
S为频域拉普 拉斯算子，G(S)为被控对象模型，即异步电机，R(s)为期望电流值，d(s)为外部扰动，C(s)为 内模控制器；由上述电流输出表达式可W看出，当C(S) = [Gn(S)r时，保证了电流值的输出 很好的跟踪期望的给定值。为了保证内模控制器的可实现性，给C(s)加入低通滤波器
，内模控制器的最终实现形式为c(s) = f(s) · [Gn(s)ri。将C(s)代入到电 流输出表达式中得离
其中，e (S)为被控对象的电流 输出值与标称模型电流输出值之差，即
kp是由变阻尼 算法得到的一个调节系数，β是滤波常数。可W通过控制kp来实现对R(s)和e(s)的调节。 [0015] 2)上述1)中提到的由变阻尼算法得到的kp由下面方程确定：附图3给出了跟踪微 分器sat(A，S)的一个动态过程，希望在启动开始时加入较大阻尼值，接近稳态时加入较小 阻尼值，因此把跟踪微分器的输出倒用。则变阻尼参数注入值由下面方程确定：
是启动开始时 希望加入的较大阻尼参数值，k2是调节斜率值，kp为阻尼参数输出值，V(t)为输入值，也就是 内模控制中所设计的滤波时间常数e，S为比较阔值，XI和X2为两个状态变量;其中XI是跟踪V (t)，而X2是作为v(t)的"近似微分"，a为阻尼表达式的跟踪控制斜率，当a增大时，XI跟踪V (t)越快，反之，XI跟踪V(t)越慢。将所得的阻尼值kp引入的内模控制器C(s)中，通过的调整 对kp的调整达到对滤波时间常数的调整的目的，如附图4所示。
[0016] 3)采用成熟的转子磁场定向矢量控制技术进行设计，由附图1知，给定转矩值1'^与 给定转子磁链?Ι?/通过
开算得到期望给定的电流值即R(s)，式中， np为极对数。给定转子磁链齡A通过
计算得到期望给定的励磁电流值i/，Tr 为转子时间常数。由电流传感器检测出的永磁同步电机定子Ξ相电流13、16、1。，并经过3/2 变换，得到两相静止电流ia、ie。再经过park变换得到两相旋转坐标系下的电流id和iq。将id 和iq作为反馈电流，将q轴电流的期望值与反馈电流值iq作差，得到电流误差A iq，d轴的电 流给定值i/与反馈电流值id作差，得到Aid,经过变阻尼内模控制器的调节输出Ud、Uq，Ud、Uq 再经化rk反变换输出Ua、化，最后通过空间矢量脉宽调制模块输出六路PWM信号供给逆变器 工作，逆变器输出将直流母线电压UdcWPWM波的形式将电压施加到异步电机上。控制系统所 需的转速、电流信号分别由编码器、电流传感器得到。
【主权项】
1. 一种内燃机车异步电机的内模控制方法，其特征是:通过给被控对象并联一个与被 控对象尽量一致的标称模型，利用被控对象的电流输出值与标称模型的电流输出值作差， 差值反馈到内模控制器的输入端，与期望电流值作差后输入到内模控制器来抑制参数的变 化、模型失配与外部干扰信号；由于内模控制器中滤波时间常数β不能渐变，利用变阻尼算 法通过控制调节系数1^对滤波时间常数β进行调节，所述方法包括如下环节：-I-i 1) 给出重构的标称模型Gn(s)，S晛步电机电流环的模型为 ， 异步电机内模控制器电流输出表达式：Xs)，其中，e(s)为被 --沪厂-..-'P，~- 控对象的电流输出值与标称模型电流输出值之差，即-r -\y I. - \ ./ ' ?? \ / j s为频域拉普拉斯算子，G(s)为被控对象模型，即异步电机，R(s)为期望电流值，d(s)为外部 扰动，C(s)为内模控制器C(s)=f(s) · [Gds)]-1，/_(〃）= & i + i，β是滤波时间常数;1^是 由变阻尼算法得到的一个调节系数，可以通过控制1^来实现对R(s)和e(s)的调节： 2) 上述1)中提到的由变阻尼算法得到的kp由下面方程确定式中 &是启动开始时希望加入的较大阻尼参数值，1?是 调节'斜毕但，kp 73阻ZB麥双獅出但，V u)为输入值，也就是内模控制中所设计的滤波时间常 数β，δ为比较阈值，XI和X2为两个状态变量;其中XI是跟踪V(t)，而X2是作为v(t)的"近似微 分"，a为阻尼表达式的跟踪控制斜率，当a增大时， X1?踪v⑴越快，反之，X1?踪v (t)越慢。
【专利摘要】一种内燃机车异步电机内模控制方法，其特征在于，通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的标称模型，利用被控对象的电流输出值与标称模型的电流输出值作差，差值反馈到内模控制器的输入端，与期望电流值作差后输入到内模控制器来抑制参数的变化、模型失配与外部干扰信号。由于内模控制器中滤波时间常数<i>β</i>不能渐变，利用变阻尼算法通过控制调节系数<i>kp</i>对滤波时间常数<i>β</i>进行调节，保证了系统的快速性和稳定性。本发明系统结构简单、稳定性高；控制方法参数调节方便，不需要大量的计算就能完成。有效改善内燃机车异步电机的动态性能，可应用于工程实践当中。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105629737
【申请号】CN201610178116
【发明人】牛剑博, 李岩, 景晓东, 邹会杰
【申请人】中车永济电机有限公司
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月25日