陳弘

(福建省送變電工程有限公司 ，福建 福州 350001)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)多為自動(dòng)控制模式，因此對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸出穩(wěn)定性的要求較高。研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要意義，相關(guān)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方法研究受到人們的極大重視[1]。

當(dāng)前，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法主要為模糊控制方法、PID控制方法和反饋控制方法等[2-3]。文獻(xiàn)[4]提出基于非同步耦合調(diào)制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)速參數(shù)識(shí)別方法進(jìn)行電機(jī)的輸出穩(wěn)定性控制。但該方法的計(jì)算量較大，抗擾動(dòng)性不好。文獻(xiàn)[5]提出基于模糊PID的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，通過(guò)增加虛擬阻尼電阻進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的虛擬同步控制。該方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的模糊度較大，參數(shù)辨識(shí)能力不好。

針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，提出基于線圈輔助勵(lì)磁模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM模型)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先構(gòu)建控制約束參量模型；然后采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的動(dòng)態(tài)約束規(guī)劃模型，采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制；最后進(jìn)行仿真測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 控制對(duì)象及約束參數(shù)分析

1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制對(duì)象分析

構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路模型和被控對(duì)象模型，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效傳輸原理圖如圖1所示。圖1的等效電路模型分為初級(jí)電路和次級(jí)電路，采用電磁耦合器進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效傳輸?shù)幕ジ旭詈峡刂芠6]，建立等效T型電路，如圖2所示。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效傳輸原理圖

圖2 T型等效電路

根據(jù)圖2可知，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的抗飽和控制過(guò)程是一個(gè)包含多變量的多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程。進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制時(shí)[7]，輸出平均功率變化率為f，計(jì)算無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的直流控制變量。通過(guò)多時(shí)空尺度協(xié)調(diào)方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出等效控制，得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出相位和角頻率的相關(guān)矩陣，具體表示為：

(1)

式中：G11(s)、G22(s)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸出相位；A12(s)、A21(s)為角頻率；s為時(shí)間；e為單位時(shí)間電子量。在時(shí)間尺度上逐層細(xì)化電機(jī)變頻過(guò)程，得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的失穩(wěn)補(bǔ)償反饋調(diào)節(jié)函數(shù)，計(jì)算電功率預(yù)測(cè)值[8]，得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速自動(dòng)控制方程，如式(2)所示。

(2)

式中:v(k)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直流電壓輸入信號(hào)；x1(k)為確定的擾動(dòng)步長(zhǎng)下的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸出阻抗；x2為電機(jī)組的減載控制參數(shù)；h為雙閉環(huán)控制的步長(zhǎng)；h0為雙閉環(huán)初始步長(zhǎng)。采用振蕩失穩(wěn)抑制方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和誤差補(bǔ)償，建立失穩(wěn)補(bǔ)償和反饋調(diào)節(jié)函數(shù)，在調(diào)頻的空間范圍內(nèi)，采用負(fù)荷的波動(dòng)性調(diào)節(jié)方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的直流多功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)控制能力[9]。

1.2 控制約束參量模型

構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的約束參量模型，以直流輸電的功率損耗和電機(jī)轉(zhuǎn)矩為約束參量[10]，得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的目標(biāo)函數(shù)，如式(3)所示。

f0(X)=wpP(X)+ε

(3)

式中：wp為功率損耗；P(X)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；ε為一個(gè)小的常數(shù)，表示AGC電源協(xié)調(diào)配合的模型控制參數(shù)。

引入啟動(dòng)時(shí)間順序、調(diào)頻持續(xù)時(shí)間進(jìn)行輸出耦合控制，得到三次調(diào)頻控制的迭代方程為：

(4)

xid=xid+Vid

(5)

式中：w為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁損耗慣性權(quán)重；c1和c2為電功率預(yù)測(cè)約束的加速度常數(shù)；rand()和Rand()為兩個(gè)在[0,1]范圍里變化的隨機(jī)值；pid、xid分別為啟動(dòng)時(shí)間順序及調(diào)頻持續(xù)時(shí)間。采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的動(dòng)態(tài)約束規(guī)劃模型，進(jìn)行調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制算法優(yōu)化

2.1 BLDCM模型

BLDCM是一種非線性控制系統(tǒng)，構(gòu)建BLDCM模型，能夠應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，得到較好的控制效果。使用AGC電源進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中的模糊度控制，構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速增益調(diào)節(jié)模型。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)混合雙饋控制模型表示為：

(6)

式中：p1、p2為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的直流輸電最大功率點(diǎn)因素；j為功率平衡約束參數(shù)；p3為升壓比例；β為最優(yōu)控制增量作用下的可調(diào)參數(shù)。

考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制誤差項(xiàng)，得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)函數(shù)。

(7)

式中:α1、α2、δ1、δ2、b0為三次調(diào)頻層控制時(shí)域特征系數(shù)；kp、kd為比例系數(shù)和微分系數(shù)。通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)函數(shù)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的電容電壓監(jiān)測(cè)，得到實(shí)時(shí)性控制律為：

(8)

(9)

根據(jù)上述BLDCM模型設(shè)計(jì)，結(jié)合模糊參數(shù)約束方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速自適應(yīng)控制。

2.2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制輸出

采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的動(dòng)態(tài)約束規(guī)劃模型，采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制，得到輸出的電壓增益為：

(10)

能量損失相對(duì)大小的損耗比為：

(11)

式中：Req為能量損失量。在子模塊電容電壓波動(dòng)下，單邊復(fù)合次級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)的整流擾動(dòng)輸出為：

(12)

在二維電磁模型中進(jìn)行擾動(dòng)控制，根據(jù)并聯(lián)過(guò)程的電壓變化進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文方法實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的應(yīng)用性能，進(jìn)行了仿真測(cè)試。選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為57BL-1080H1-LS-B，額定輸出功率為10 MW，額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。電動(dòng)機(jī)實(shí)例如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)實(shí)例

設(shè)定無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出磁密在1.45到2.58之間取值,單元電機(jī)等效磁路的轉(zhuǎn)矩輸出為36 N·m，三相額定電流為210 A，其他參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)

采用MATLAB軟件為仿真試驗(yàn)環(huán)境，在MATLAB平臺(tái)搭建所設(shè)計(jì)的基于BLDCM模型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。采用文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法作為試驗(yàn)對(duì)比方法。

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)置，進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，測(cè)試無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸入最大電流與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸入最大電流與時(shí)間的關(guān)系

分析圖4可知，采用本文方法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，輸入電流的穩(wěn)定性較好。以此為基礎(chǔ)，分別測(cè)試本文方法及兩種對(duì)比方法的輸出功率，得到結(jié)果如圖5所示。

分析圖5得知，采用文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制時(shí)，其輸出功率波動(dòng)較大，而采用所提方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制時(shí)，其輸出功率波動(dòng)小，平穩(wěn)性較好。

圖5 輸出功率測(cè)試對(duì)比結(jié)果

采用3種方法進(jìn)行調(diào)速控制，迭代次數(shù)500次，測(cè)試控制的精度，得到結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，采用文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，在迭代500次后的控制精度為0.918，采用文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的控制精度為0.911，而采用所提方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的控制精度為0.982。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的精度較高。

圖6 控制精度測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于BLDCM模型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。采用電磁耦合器進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效傳輸?shù)幕ジ旭詈峡刂?，?gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速增益調(diào)節(jié)模型。采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制。分析得知，采用本文方法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的輸出穩(wěn)定性較好，電動(dòng)機(jī)的輸出功率增益得到提升。