一种永磁同步感应电动机速度的控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步感应电动机速度的控制方法， 特别是一种在端口哈密顿控制方法与阻尼调节器相结合控制永磁同步感应电动机速度的 方法。
【背景技术】：
[0002] 交流伺服系统由于控制精度高、恒转矩输出、响应速度快和转速高等特点，在自动 控制系统中扮演者越来越重要的角色。现有的永磁同步感应电动机具有体积小、性能好、结 构简单、可靠性高、转矩大和鲁棒性强等优点，被广泛地应用于高精度、高性能要求的伺服 系统中，永磁同步感应电动机属于非线性电磁能量转换设备，是一个双端口网络，其输入端 口是电气端口，输出端口是机械端口；单位时间内电气端口的电压与电流的乘积是电能，机 械端口的转矩与转速的乘积是机械能，根据能量守恒原理，电气端口的电能需要与机械端 口的机械能相等，能量成形的端口受控哈密顿方法是通过向电气端口注入电能来确定系统 对于给定转速的跟踪，故称之为能量控制，该方法应用于永磁同步感应电动机的速度控制 虽然已经取得了一定的成果，但还存在着缺陷。
[0003] 目前，已公开的文献中由于海生、王海亮和赵克友等在《青岛大学学报（工程技术 版）》2005年3期发表的"永磁同步电机的哈密顿系统建模与控制"等共12篇相关论文，均 是通过能量成形的端口受控哈密顿方法对永磁同步感应电动机进行速度控制，使速度在期 望的平衡点上取得最小值，但这种方法在速度或负载转矩发生较大变化时均存在不能快速 响应的缺点，对端口受控哈密顿方法分析、研宄后发现，阻尼系数的大小是制约系统响应速 度的关键因素，阻尼系数越小，响应速度越快，但超调越大；反之，阻尼系数越大，响应速度 越慢，超调越小直至减小为零。现有的端口受控哈密顿方法均是根据经验选取某个固定的 阻尼系数，使系统在超调为零的情况下响应速度快达到最快，即使这样，依然很难满足系统 快速响应的要求。因此，有必要寻求设计提出一种改进的控制方法，在能量成形的端口受控 哈密顿方法的基础上加入阻尼调节器的控制策略，阻尼调节器根据实际速度与给定速度 差和变化率实时调节阻尼系数，使永磁同步感应电动机控制系统在保持原有稳定性能的基 础上，获得较快的响应速度和零超调。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种永磁同步感应电 动机速度的控制方法，将能量成形的端口受控哈密顿方法与阻尼调节器相结合，有效克服 响应速度慢和稳态误差的缺点。
[0005] 为了实现上述目的，本发明在控制系统中实现，具体包括以下步骤：
[0006] (1)、先通过控制系统的速度检测单元测得永磁同步感应电动机的实际转速参 数；
[0007] (2)、再通过控制系统的电流检测单元测得永磁同步感应电动机定子的三相电流 值；
[0008] (3)、然后将步骤（1)测得的实际转速参数与步骤（2)测得的三相电流值送给负载 转矩观测器得到电动机的负载转矩观测值；
[0009] (4)、阻尼调节器根据给定转速和实际转速参数计算得到阻尼系数；
[0010] (5)、端口受控哈密顿控制器根据给定转速、步骤（1)测得的实际转速参数、步骤 (2)测得的三相电流值、步骤（3)得到的负载转矩观测值和步骤（4)得到的阻尼系数计算出 控制电压值，并将控制电压值输送给三相逆变器；
[0011] (6)、三相逆变器根据控制电压值将直流电源转变为三相交流电源驱动永磁同步 感应电动机；
[0012] (7)、永磁同步感应电动机实现稳定输出，然后返回步骤（1)，实现对永磁同步感应 电动机的连续控制。
[0013] 本发明所述控制系统以端口受控哈密顿控制器为核心的端口受控哈密顿控制系 统，该控制系统的主体结构包括能量控制器模块、电流检测单元、速度检测单元、三相逆变 器和永磁同步感应电动机，其中能量控制器模块包括端口受控哈密顿控制器、负载转矩观 测器和阻尼调节器；电流检测单元分别与永磁同步感应电动机、能量控制器模块相连，电流 检测单元将永磁同步感应电动机的定子三相电流输送给能量控制器模块；速度检测单元分 别与永磁同步感应电动机、能量控制器模块相连，速度检测单元将永磁同步感应电动机的 转子转速传送给能量控制器模块；能量控制器模块中的负载转矩观测器根据永磁同步感应 电动机的定子三相电流与转子速度计算负载转矩，并将负载转矩传送至端口受控哈密顿 控制器，阻尼调节器根据转子速度与给定转速计算阻尼系数，并将阻尼系统传输至端口受 控哈密顿控制器，端口受控哈密顿控制器根据负载转矩、阻尼系数、定子三相电流和转子速 度得到控制电压，并将控制电压输出送到三相逆变器；三相逆变器与能量控制器模块、永磁 同步感应电动机相连，三相逆变器根据能量控制器模块给的控制电压值将直流电源转变为 三相交流电源驱动永磁同步感应电动机。
[0014] 本发明所述能量控制器模块的设计过程包括以下步骤：
[0015] (21)、先给出永磁同步感应电动机的端口受控哈密顿模型；
[0016] (22)、再确定永磁同步感应电动机的平衡点；
[0017] (23)、然后确定隐极永磁同步感应电动机（Ld=Lq)的平衡点对应的输入；
[0018] (24)、设计永磁同步感应电动机的负载转矩观测器；
[0019] (25)、设计永磁同步感应电动机系统的端口受控哈密顿控制器；
[0020] (26)、设计带有阻尼系数调节器的永磁同步感应电动机系统的端口受控哈密顿控 制器。
[0021] 本发明与现有技术相比，是在现有的控制技术上增加一个简单的实时阻尼调节器 来控制电机的转速，其设计原理简单，安全可靠，控制步骤简单，控制速度精确，控制环境友 好。
【附图说明】：
[0022] 图1为本发明所述控制系统的主体结构原理示意框图。
[0023]图2为本发明涉及的端口受控哈密顿控制方法在阻尼系数ri、r2分别为-2, _1，0 和1时速度对比图，在初始状态为零，从零时刻开始负载转矩由ON?!!!变为3N?!!!，给定转速 由Orpm变为600rpm情况下仿真实验得到。
[0024]图3为本发明的端口受控哈密顿控制方法在阻尼系数ri、r2分别为_2、1和由阻 尼调节器实时调节时的速度对比图，在初始状态为零，从零时刻开始负载转矩由0N?!!!变为 3N?m，给定转速由Orpm变为600rpm情况下仿真实验得到。
[0025] 图4为本发明的端口受控哈密顿控制方法阻尼调节器实时调节时的参数图，在初 始状态为零，从零时刻开始负载转矩由0N?m变为3N?m，给定转速由Orpm变为600rpm情 况下仿真实验得到。
[0026]图5为本发明的端口受控哈密顿控制方法在阻尼系数ri、r2分别为_2、1和由阻 尼调节器实时调节时的速度对比图，在初始状态为零，从零时刻开始负载转矩由0N?!!!变为 3N?!]!，给定转速在零时刻由Orpm变为lOOrprn、在0.Is时由lOOrprn变为lOOOrpm情况下仿 真实验得到。
[0027] 图6为本发明的端口受控哈密顿控制方法阻尼调节器实时调节时的参数图，在初 始状态为零，从零时刻开始负载转矩由0N?m变为3N?m，给定转速在零时刻由Orpm变为 lOOrprn、在0.Is时由lOOrprn变为lOOOrpm情况下仿真实验得到。
【具体实施方式】：
[0028] 下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步