节能型循环泵控制器
1) PI 控制器的比例增益Kp主要用于调节系统响应的快速性, Kp越大系统对误差的响应越灵敏。但是过大的 Kp值会造成系统响应超调、稳态抖动等现象。
2) PI 控制器的比例增益Ki 主要用于调节系统响应的稳态精度。 Ki太小会降低系统的稳态精度; Ki太大会导致系统的稳态震荡。
3) PI 控制器的限制积分饱和增益Kc 起到降低积分饱和对系统影响的作用。当系统的积分项发生饱和时,继续增加积分项将不会影响输出,此时输出无法起到对系统的调节作用。 Kc用于限制积分饱和现象的发生,使得系统输出从饱和状态脱离出来。
2.3 空间矢量调制(SVM)
电机控制中常用的两电平三相逆变器的拓扑结构如图 2-4 所示。三对开关 Tl
-T2、T3-T4 和 T5-T6 可构成 8 种导通状态,在表 2-1 中分别用序号k = 0,1,2,…,7 来表示。为避免短接,逆变器每条臂上的两个开关不能同时导通,将上边开关导通而下边开关断开的状态定义为 1,否则为0。
表2-1 元件逆变器开关 的8种标通状标
三对开关管对应的 8 种状态所对应的电压矢量如图 2-5 所示。
对于任意电压矢量Us 可由临近的两个电压矢量线性时间组合来合成,图 2-6 所示的是在第一扇区的情况, 作用的时间为 。由矢量合成的平行四边形法则,可得:
由三角形的边角关系可得
从而可以得到:
零电压矢量作用的时间为:
为使电压波形对称,将各电压矢量作用时间一分为二,并使三相桥臂每个开关管各开关一次,得到上桥臂开关信号如图 2-7。则 和 作用的时间为 。同理,可以得到其它扇区相应电压矢量的作用时间和开关信号。
3、基于滑模观测器的无位置传感器 PMSM 控制系统
3.1 电机数学模型
矢量控制方法的实现需要当前转子位置信息,为了准确的施加计算产生的电压矢量,需要当前转子位置完成坐标变换。在没有速度/位置传感器的电机控制系统中,位置信号没有办法直接检测得到,因此需要设计相应的位置和速度估计模块。
PMSM 在αβ 定子静止坐标系的数学方程为:
式中, 为α、β坐标系中α 轴和β 轴电流; 为α、β坐标系中α 轴和β 轴电压;Ls 为相电感;Rs 为相电阻; Ke为反电动势系数;We 为转子电角速度;θ 为转子位置;eα、eβ为α、β坐标系中α 轴和β 轴反电动势。
由式 3-1 可以看出,反电动势的相位中包含有转子位置信息,可以通过对反电动势进行观测,从而估计出转子位置。
3.2 滑模观测器算法分析
滑模观测器即是基于上述αβ 定子静止坐标系的数学方程实现的,整个滑模观测器位置估计方法的框图如图 3-1 下:
由图 3-1 所示,滑模观测器算法的输入量为:
--α 、β 轴电压;
--α 、β 轴电流;
Rs--定子电阻
Ls--相电感
Ts--控制周期
算法输出量为:
--转子位置估计值
--转子转速估计值
滑模观测器的本质是通过结构变换开关,以很高的频率在滑模面上来回切换,是状态点以很小的幅度在相平面上运动,最终运动到稳定点,从而使得估计值逼近真实值。传统的常值切换滑模控制应用于反电动势观测器时,由于开关时间和空间上的滞后,使得滑模观测器呈现固有的抖动现象。因此使用饱和函数代替开关函数作为切换函数,通过选择合理的边界层厚度削弱抖动。
基于饱和函数的离散滑模观测器为:
式中 k表示当前周期;k −1表示前一个周期。
为代替滑模变结构开关函数的饱和函数,函数曲线如图 3-2 所示。图中,? 为边界层。
估计电流的误差方程为:
通过滑模变结构进行估计的结果如下:
式中, 为滑模增益,其值必须满足滑模可达性和存在性条件,否则观测器不能进行滑模运动,一般可取 为转子磁通; 为饱和函数的饱和限值。
将滑模估计的结果为开关信号,其中含有反电动势估计值的信息,经过低通滤波器得到估计的反电动势为:
其中 为滤波器截止频率。
从而求得转子位置为:
对位置微分即可求得转速:
转速信号中包含了滑模所带来的抖动,因此需要对转速进行滤波:
3.3 算法实现
滑模位置估计方法是基于反电动势估计的,电机在零速和低速时反电动势很小,这极大的影响了滑模观测器的性能,甚至是不能工作。因此需要设计另外的算法确保电机启动。最为简单的启动算法是使用压频比(V/F)控制方式启动电机。
为了降低从压频比方式过渡到滑模估计控制方式的电流波动,压频比控制时电流环仍然工作,因此压频比控制的工作原理为:给定电流命令值 和转速命令 *经斜率控制函数后会产生渐变的转速指令 ,对 进行积分得到开环控制的转子位置,从而构成整个开环控制。由于压频比控制不可避免的会造成转子位置跟踪的偏差,因此给定的 应略大于启动扭矩。
当给定电流命令值 太大时,虽然这有利于转子真实位置更好的跟踪开环给定的转子位置,但是这会造成功率的浪费,同时会导致切换至滑模控制时电流有较大的波动。因此,起始给定电流命令值 可由调试得到,不宜太大。为了确保压频比控制有效启动,当给定的 无法启动电机时应逐渐加大 (由程序中的函数自动完成),直至系统允许的最大值;给定的最大值还是无法启动电机,则进行报警处理。
整个算法的状态机图如 3-3 所示: