【双电机速度同步控制仿真实验与分析案例3300字】

双电机速度同步控制仿真实验与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u27531双电机速度同步控制仿真实验与分析案例 1143661.1搭建仿真 1302751.1.1坐标变换仿真模块 2151461.1.2矢量控制仿真模块 2280661.1.2交叉耦合控制器仿真模块 354091.1.2交叉耦合控制器仿真模块 3232011.2实验结果分析 4112911.2.1性能分析 440781.2.2系统最优化 61.1搭建仿真在这一章节，主要检测和验证设计的转速同步控制策略在系统受到负载干扰时，控制器可以快速反应，及时调整两台电机的转速，迅速恢复到速度同步的状态。为此，搭建的双PMSM交叉耦合转速同步控制仿真模型，如图4-1所示。图4-1双PMSM速度同步控制仿真结构图我们通过观察仿真模型结构图4-1，发现该仿真结构可以分解成三个模块。第一个是单电机的速度环模块，该部分使用本文第三章中设计的滑模控制器。第二个部分是单电机的速度环模块，该部分使用本文3.2章节中设计的PI控制器。另外，第一个部分和第二个部分均采用闭环控制。最后一个部分是速度同步控制模块，该部分使用本文3.3章节设计的交叉耦合控制器，来统筹安排两台电机的实际转速，当一方的转速掉落时，它可以补偿这一方的转速，同时让另一方的转速适当降低并跟随着转速掉落一方的转速变化。1.1.1坐标变换仿真模块前文2.2章节已经推导出数学表达式，按照其公式，在软件Simulink中搭建的Clarke变换模块详情如图4-2所示。图4-2Clarke变换模块前文2.2章节已经推导出数学表达式，按照其公式，在软件Simulink中搭建的Park变换仿真模块如图4-3所示。图4-3Park变换模块前文2.2章节已经推导出数学表达式，按照其公式，在软件Simulink中搭建的Anti_Park变换仿真模块如图4-4所示。图4-4Anti_Park变换模块1.1.2矢量控制仿真模块根据前文2.3章节的分析，矢量控制采用控制，利用空间矢量调制测量发出六路PWM波，作用于开关电路，其仿真结构如图4-5所示。图4-5矢量控制模块1.1.2交叉耦合控制器仿真模块前文3.1章节已经分析过并且推导出设计公式，这里不再叙述。交叉耦合控制器的展开模型如图4-6所示。系数K的值暂时取1.2。图4-6交叉耦合控制模块1.1.2交叉耦合控制器仿真模块前文3.3章节已经分析过，并且推导出设计过程，这里也不再细说。滑模控制器的展开模型如图4-7所示。图4-7滑模控制器模块该控制器的各个参数设置详情见表4-1。表4-1控制器参数设置参数数值602000700.51.2实验结果分析在实验测试中，使用2台来自同一厂家、同一生产批次，具有相同参数的永磁同步电机，它们的详细参数具体见表4-2。表4-2永磁同步电机参数参数符号数值单位定子电压UN320V定子电流IN13.5A额定转矩TN10N*m额定转速nN1000rpm相电阻R0.675Ω极对数p2-永磁磁链ψf0.045Wb转动惯量J0.002kgm21.2.1性能分析（1）第一种情况，若两台电机已经工作在稳定的阶段，并且外界没有对其进行负载干扰，也就是，，。此时，我们把它们的转速进行对比，可以发现其结果是没有转速差。这说明两者都有着不错的稳态误差，另外，在这种状态下，交叉耦合控制器不需要作用。（2）第二种情况，若两台电机的实际转速都已经达到一致，突然在时间点1号电机的输出受到干扰。此时就会出现，1号电机的转速会极速下降且小于2号电机的转速，系统开始出现转速同步误差，而且会逐渐加大到最高值。但是，交叉耦合控制器开始发挥作用来救场，2号电机会跟随1号电机的转速来下降。直到时间点，该误差值封顶，再也不增加，开始逐渐减小。耦合控制器会给1号电机一个较大的补偿电流，给2号电机一个较小的补偿电流，使1号电机转速上升的加速度大于2号电机转速上升的加速度。直到时间点，两台电机恢复到原有的平衡状态。从时间点到时间点的这段时间称之为系统的调节时间ts，这也是衡量一个系统是否优秀的重要指标。以上两种情况都是我们的理论分析及猜想，还需要通过仿真实验来验证该控制系统在遇到负载干扰时，电机的转速调整能否达到猜想的结果。当两个电机的转速已经进入到转速相同的阶段，我们都在约0.4秒的时刻给1号电机施加一个极其短暂的干扰信号，进行实验验证。最终得到的实验对比图如图4-8和4-9所示，对图中的坐标数据进行简单的计算，在电机受到扰动的情况下，改进型系统的转速同步能力比传统的加强了30%，同时系统的调节时间缩减了约10%。图4-8传统交叉耦合转速控制图4-9改进型交叉耦合转速控制图4-8传统交叉耦合转速控制和图4-9改进型交叉耦合转速控制都是两台电机的转速图，两个图的图例含义均相同，详细请见表4-3。表4-3图例的具体含义颜色名称具体含义蓝色1号电机的转速红色1号电机的转速观察图4-9和图4-10，我们可以清楚得发现，在时间为0.4秒时，两个控制系统中的1号电机均突然受到相同时间的干扰，1号电机的转速陡峭式下降，2号电机跟随1号电机变化而变化。在传统结构中，1号电机的转速下降至约515r/min，2号电机的转速跟随1号下降至565r/min，误差为50r/min。在改进型结构中1号电机的转速跌落至525r/min，2号电机的转速下降到560r/min，误差为35r/min。经过数据对比，我们可以比较直观地发现，改进型系统的鲁棒性更强硬。改进型电机之间的跟随性能比传统型的提高了3%。对于两种系统中对单一电机的控制，就以抗干扰能力而言，改进型结构增强了2%。本设计提出的改进型结构，它的误差从传统型结构的同步误差50r/min缩小至35r/min，加强了30%。另外，当两种系统工作稳定后，所有电机的转速都恢复到600r/min，达到实验设定值。所以，经过两种情况的实验数据综合分析后，我们可以明确的说本设计验证了实验前的猜想，符合设计要求。1.2.2系统最优化在前文3.3章节的结尾，本文留了一个悬念，说将到第四章讨论耦合系数K的取值。通过过往工程经验来看，K值会影响系统的整体鲁棒性。因此，本部分将作为系统优化来研究一下。这次实验，我们直接使用改进型结构作为实验对象，电机参数没有改变，设定转速还是600r/min，在时间为0.4秒时，附加短暂的干扰，其余条件不变，只改变K的取值。我们进行了多次实验，得出以下转速波形图，详情请见图4-10。图例的参考含义依旧参照上一小节中的表4-3。图（a）K=0.5时的转速波形图（b）K=0.8时的转速波形图（a）和图（b）分别是K=0.5和K=0.8时的双电机转速波形图，我们从图中的波形就可以非常直观地判断，一眼看出，K=0.8时有更好的控制效果。K=0.8时，电机系统的速度同步误差从75r/min缩小到60r/min，而调节时间仅仅延长0.01秒，并且转速曲线非常的平滑，没有肉眼可见的抖动，说明系统的稳定性良好，还有继续提升的空间，可以继续加大K值。图（c）K=1时的转速波形图（d）K=1.2时的转速波形图（c）和图（d）分别是K=1.0和K=1.2时的双电机转速波形图，我们详细分析一下波形图的信息。K=1.0时，两个电机的转速最高相差45r/min。K=1.2时，两个电机的转速最高相差35r/min。两着的误差进一步缩小，再看系统的调节时间，再延长0.02秒。整体上观察，K=1和K=2时的曲线还是连续平滑的，表面控制器还没有饱和，系统稳定，K值还有上调的空间。图（e）K=1.5时的转速波形图（f）K=1.8时的转速波形图（g）K=2时的转速波形图4-10不同K值下的转速波形图（e）和图（f）及图（g）依次分别是K=1.5和K=1.8及K=2.0时的双电机转速波形图。我们观察K=1.5和K=1.8时的波形图，可以发现电极之间的最高转速差从25r/min下降到20r/min，放眼到设定转速600r/min，仅有3.3%的误差。系统的调节时间再延长0.03秒。虽然K=1.8时的曲线在电机转速补偿阶段有一些细小的抖动，但是经过0.03秒就能很快消失，而且抖动的幅度仅有5r/min，几乎很小。当K=2时，在波形图中能看到两个电机几乎没有转速差，很快就能恢复到同速状态，此时两个电机具有强烈的耦合关系。但是，波形图中的曲线出现剧烈的上下抖动，振幅可达25r/min，会造成电机晃动剧烈，说明控制器达到饱和状态。若让电机长时间在此状态下工作，会毁坏电机。图4-10是电机在K的不同取值下的转速波形图，它包含7张波形图，对应7次K的不同取值，依次取值0.5、0.8、1.0、1.5、1.8、2.0。随着每次K值的增大，两个电机之间的最高转速差也在逐步减小，关系如图4-11所示。图4-11K值与转速误差的关系从图4-11可以看出，K值与转速误差的关系类似一个反函数的关系，反应在该控制系统中，其物理意义是本文设计的新型控制结构，其性能不断在优化，越来越达到最佳的状态。但是当K