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        基于快速趨近律的永磁同步電機滑??刂?/h1>
        2019-10-31 03:36:20宗學(xué)軍朱慶雪張居華
        微特電機 2019年10期
        關(guān)鍵詞:控制策略系統(tǒng)

        宗學(xué)軍,朱慶雪,張居華

        (沈陽化工大學(xué) 信息與工程學(xué)院,沈陽 110142)

        0 引 言

        作為車用電機,永磁同步電機具有眾多優(yōu)點,但是由于其自身復(fù)雜的特性,若采用一般的PI控制策略,則無法達到新能源電動汽車的性能要求。為了提高電機驅(qū)動器的性能,降低控制系統(tǒng)的能量消耗,近年來滑模變結(jié)構(gòu)控制策略被相關(guān)學(xué)者廣泛應(yīng)用于永磁電機控制器的設(shè)計中[1-6]。滑??刂仆ㄟ^開關(guān)函數(shù)來抑制外界擾動和參數(shù)變化,但抖振引起的振蕩,限制了滑??刂瓢l(fā)揮自身的優(yōu)越性,因此研究者們提出了很多方案來削弱抖振[7-8]。

        趨近律概念的引入就是為了削弱滑模的抖振。文獻[9]提出了變指數(shù)趨近律,使系統(tǒng)狀態(tài)變量和磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差關(guān)聯(lián),改善了系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì),但調(diào)節(jié)的速率不高。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率,文獻[10]提出了雙冪次趨近律,但是因為引入了大量參數(shù),使系統(tǒng)過于復(fù)雜。文獻[11]引用終端吸引子,改進趨近律,抑制了抖振,但模型對系統(tǒng)參數(shù)有較大的依賴性,很難實現(xiàn)。文獻[12]提出了變指數(shù)趨近律的方法,系統(tǒng)達到了全局收斂,但其控制律對參數(shù)適應(yīng)性差,速度響應(yīng)比較慢。通過上述相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn),在確保提高調(diào)節(jié)速率,降低系統(tǒng)抖振的前提下,現(xiàn)有的方法通常存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對參數(shù)依賴性高、系統(tǒng)控制率對參數(shù)適應(yīng)性弱等缺點。

        在上述各種方法的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了一種使趨近速度與滑模的切換函數(shù)相關(guān)聯(lián)的新型趨近律,并用飽和函數(shù)代替開關(guān)函數(shù),提高系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力,降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。最后在控制系統(tǒng)硬件電路上驗證新型控制策略,并通過上位機觀測分析控制器性能。仿真實驗結(jié)果表明,本文的新型趨近律削弱轉(zhuǎn)矩抖振明顯,達到了突加速、突加轉(zhuǎn)矩時電機轉(zhuǎn)矩脈動小的目標。

        1 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

        1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

        微控制器(以下簡稱MCU)需要精確地采集電壓電流信號為驅(qū)動電路提供合適的開關(guān)信號,實現(xiàn)直流、交流的轉(zhuǎn)換。MCU結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 MCU硬件結(jié)構(gòu)框圖

        TMS320F28335根據(jù)采集到的電流、旋轉(zhuǎn)變壓器信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置計算、矢量變換、電壓空間矢量調(diào)制生成PWM脈沖信號驅(qū)動功率電路。在電機工作時電機的各項參數(shù)通過CAN協(xié)議傳至上位機。

        1.2 MCU軟件設(shè)計

        控制系統(tǒng)由軟硬件兩部分組成。硬件部分采集信號,軟件部分則將采集到的信號經(jīng)過一系列變換產(chǎn)生開關(guān)管通斷的控制信號,保證電機的正常運轉(zhuǎn)。電機軟件通訊流程如圖2所示。

        圖2 軟件通訊流程

        通訊系統(tǒng)的工作周期為500 ms,每500 ms電機工作的各項參數(shù)數(shù)據(jù)更新,并通過CAN協(xié)議發(fā)送至上位機。

        控制系統(tǒng)的算法流程結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        MCU根據(jù)采集到的電流、旋轉(zhuǎn)變壓器信號,經(jīng)過位置計算、矢量變換、電壓空間矢量調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動功率電路的PWM信號。

        2 新型指數(shù)趨近律

        2.1 新型趨近律的提出

        指數(shù)趨近律:

        (1)

        在純指數(shù)趨近律中,通過設(shè)置合適的k和ε,可以使系統(tǒng)在降低抖振的同時,快速運動到滑模面。 但是在符號函數(shù)的作用下,過大的ε會給系統(tǒng)帶來高頻抖振。為了削弱符號函數(shù)帶來的抖振,本文采用新型趨近律:

        (2)

        由式(2)可知,在新型趨近律中,用飽和函數(shù)代替原來的開關(guān)函數(shù),并且eq(x,s)是一個隨系統(tǒng)狀態(tài)變化的量,根據(jù)系統(tǒng)運動軌跡,離滑模面的遠近自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的趨近速度。以二階系統(tǒng)為例對新型趨近律進行分析:

        (3)

        取系統(tǒng)滑模面為s=Cx,對其求導(dǎo)數(shù)得:

        (4)

        將式(2)、式(3)代入式(4)可得:

        u=[CB]-1[-CAX-eq(x,s)sat(s)-qs]

        (5)

        式中:X=[x1,x2]T,x1,x2為系統(tǒng)狀態(tài)變量,參數(shù)矩陣如下:

        新型趨近率參考取值:q=k=8,ε=0.017 8,δ=β=2。兩種趨近率比較結(jié)果如圖4所示 。

        (a) 普通趨近律控制輸出

        (b) 新型趨近律控制輸出

        (c) 兩種控制輸出對比

        (d) 系統(tǒng)收斂速度對比

        本文的新型趨近律控制策略與純指數(shù)趨近律相比,輸出u和狀態(tài)變量x1收斂的速度更快且在收斂后系統(tǒng)無波動。

        2.2 新型趨近律的穩(wěn)定性分析

        當滿足下式:

        (6)

        即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。將式(2)代入式(3)得:

        (7)

        因為-eq(x,s)≤0,所以:

        (8)

        因此,采用新型趨近律控制策略的控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的,系統(tǒng)在有限時間內(nèi)可以收斂。

        2.3 滑模速度控制器的設(shè)計

        2.3.1 永磁同步電機模型

        永磁同步電機電磁關(guān)系復(fù)雜,繞組與繞組、繞組與永磁體間相互影響。本文為了簡化分析,忽略一些影響較小的因素假設(shè):在氣隙中的永磁體磁場為正弦波分布;忽略渦流和磁滯損耗;忽略鐵心的飽和,且電感參數(shù)不變;忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組。

        采用id=0的定向策略時,電機電壓方程如下:

        (9)

        永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩方程如下:

        (10)

        永磁同步電機的運動方程如下:

        (11)

        式中:ud,uq為d,q軸電壓;id,iq為d,q軸電流;Ld,Lq為d,q軸電感;R為定子電阻;J為轉(zhuǎn)動慣量;p為電機極對數(shù);φa為磁鏈。

        2.3.2 滑模速度控制器設(shè)計

        取永磁同步電機的系統(tǒng)狀態(tài)變量:

        (12)

        式中:ωref為給定的目標轉(zhuǎn)速;ω為電機運行的實際轉(zhuǎn)速。取D=3p2ψa/(2J),U=dia/dt,由式(11)、式(12)可得系統(tǒng)狀態(tài)空間方程:

        (13)

        (14)

        對滑模面函數(shù)s=cx1+x2求偏導(dǎo):

        結(jié)合式(14)可得:

        (15)

        目標轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的速度誤差輸入滑??刂破鳎瑫r在輸出積分器的作用下輸出q軸電流的穩(wěn)態(tài)誤差得到進一步減小,系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了進一步提高。

        3 仿真與實驗

        MATLAB仿真的電機參數(shù):極對數(shù)p=4,定子電感Ld=5.25 mH,Lq=12 mH,定子電阻R=0.95 Ω,磁鏈φa=0.182 7 Wb,轉(zhuǎn)動慣量J=0.003 kg·m2,阻尼系數(shù)B=0.008 N·m·s。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

        圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        電機的初始參數(shù)設(shè)置為給定轉(zhuǎn)速800 r/min,負載10 N·m,在PI和滑??刂苾煞N不同控制策略下,電機的動態(tài)性能如圖6所示。檢驗過程為0.1 s時系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增加到1 000 r/min,在0.2 s時負載增加到30 N·m,0.3 s時負載下降10 N·m。

        (a) PI控制下轉(zhuǎn)速曲線

        (b) 滑模控制下轉(zhuǎn)速曲線

        (c) PI控制下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

        (d) 滑??刂葡罗D(zhuǎn)矩響應(yīng)

        (e) PI控制下電流響應(yīng)

        (f) 滑??刂葡码娏黜憫?yīng)

        從圖6(a)、圖6(b)可以看出,滑??刂葡噍^于PI控制在起動和0.1 s加速時,速度平穩(wěn)無超調(diào);從圖6(c)、圖6(d)可知,與滑??刂葡啾?,電機在PI控制下,在起動、0.1 s加速、0.2 s轉(zhuǎn)矩增加和0.3 s轉(zhuǎn)矩減小的時候電機轉(zhuǎn)矩抖動一段時間才會恢復(fù)平穩(wěn),而新型滑??刂圃谕瑯拥那樾蜗驴刂破焚|(zhì)較好;從圖6(e)、圖6(f)可以看出,在0.2 s電機轉(zhuǎn)矩突然增加的時候,PI控制策略下的相電流脈動較大。因此,與PI相比,改進后的滑??刂葡到y(tǒng)性能更加優(yōu)越。

        本文對傳統(tǒng)和新型趨近律下的電機驅(qū)動器進行了速度的響應(yīng)實驗,將驅(qū)動器的速度從330 r/min升到900 r/min,再從900 r/min升到1 070 r/min,速度響應(yīng)曲線如圖7所示。

        圖7 速度響應(yīng)曲線對比

        由圖7可知,相對于傳統(tǒng)趨近律,采用新型趨近律的滑模控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快,電機的速度抖振也降低很大。

        4 結(jié) 語

        本文為降低新能源電動汽車在運行中的能源損耗,研究了一種改進的控制算法。在搭建的電機驅(qū)動控制器上進行了實驗,且給出了系統(tǒng)軟硬件框架。將采用了新型滑模趨近律的驅(qū)動系統(tǒng)的實驗結(jié)果與傳統(tǒng)滑模及PI控制策略進行了比較。仿真實驗結(jié)果表明,改進趨近律后的控制系統(tǒng),電機的動態(tài)性能更加優(yōu)越,較大地削弱了電機加速和突加負載時的轉(zhuǎn)矩和電流波動。

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