一种实现永磁同步电动机转速单向混沌运动的方法

摘要

本发明公开了一种实现永磁同步电动机转速单向混沌运动的方法，步骤包括：1)采集两相电流模拟信号，得到数字量i

说明书

技术领域

本发明属于永磁同步电动机控制技术领域，涉及一种实现永磁同步电动 机转速单向混沌运动的方法。

背景技术

近年来随着混沌研究的不断深入，人们发现混沌可以在很多工业应用中 获得更好的性能。例如振动压实领域，混沌运动的宽频谱特性可以使不同固 有频率的混合颗粒发生共振；混沌运动的速度变化率比单周期振动更加剧 烈，从而得到更好的压实效果。在实际的工程应用中，人们希望在工业过程 中产生需要的混沌现象，即混沌反控制。常用的电动机混沌反控制方法主要 有：延时反馈控制法、跟踪控制法和设计电机参数产生法。

现有的延时反馈控制方法电机转速有正负，即电机会出现不断的正反 转。一方面这对于某些工业过程没有实际意义；另一方面电机的正反非周 期转动对机械装置和电机寿命都有较大的影响。跟踪控制法虽然能够实现单 向混沌，但受系统响应时间制约，具有一定的局限性。此外，通过设计电机 参数，如气隙磁链、电枢电感等，可使电机系统产生混沌的转速。但这种方 式实现的混沌运动可控性差，调整不够灵活。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现永磁同步电动机转速单向混沌运动的方 法，解决了现有技术产生的混沌运动使电机转速有正负运动，对电机机械性 能要求高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种实现永磁同步电动机转速单向混沌运 动的方法，按照以下步骤实施：

步骤1、通过两个电流霍尔传感器，采集永磁同步电动机三相电流中的 两相电流的模拟信号，并且通过数字信号控制器的两路模拟数字转换器检测 得到电动机两相电流的数字量i_A(t)和i_B(t)；

步骤2、通过永磁同步电动机轴上连接的码盘和数字信号处理器的正交 编码脉冲输入模块采集永磁同步电动机机械角位置增量，进而得到电角度 θ(t)；

步骤3、将步骤1得到的永磁同步电动机两相电流i_A(t)和i_B(t)在数字信 号处理器中进行CLARK变换，得到α-β静止坐标系下的电流量i_α(t)和i_β(t)；

步骤4、利用步骤2中得到的电角度θ(t)，将步骤3中得到的i_α(t)、i_β(t) 在数字信号处理器中进行PARK变换，得到d-q旋转坐标系下电流的反馈 量，即直轴电流i_d(t)和交轴电流i_q(t)；

步骤5、在数字信号处理器中将直轴电流给定量设定为i_dref＝0与步骤4 中得到的反馈量i_d(t)作差，得到误差信号e(t)，误差信号e(t)通过PI调节器得 到控制量U_d(t)；

步骤6、将步骤4中得到的交轴电流i_q(t)和经过延迟处理后得到的i_q(t-τ) 作差，将作差结果乘以比例因子K₁，并在此基础上加上一个基值分量u_q(t)得 到控制量U_q(t)；

步骤7、利用步骤2中得到的电角度θ(t)，将步骤5和步骤6中得到的 控制量U_d(t)和U_q(t)在数字信号处理器中进行PARK反变换，得到α-β静止 坐标系下的电压量U_α(t)和U_β(t)；

步骤8、以步骤7得到的电压量U_α(t)和U_β(t)为输入，在数字信号处理 器中进行空间矢量调制，得到驱动逆变器六路控制脉冲；

步骤9、以步骤8中得到的六路控制脉冲为输入，在驱动逆变器中经过 三相全桥逆变器，逆变出三相交流电给永磁同步电动机供电，从而控制永磁 同步电动机实现转速单向混沌运动。

本发明的有益效果是，包括以下方面：

1)能够使永磁同步电动机在某基速附近做混动运动，能够在满足某些 工业过程或者生产工艺要求的情况下实现混沌化电机驱动，扩展了混动化电 机驱动在工业过程中应用范围。

2)本发明方法与传统的直接延时反馈控制法相比，能够实现电机转速 在某基值附近单向混沌，与跟踪控制方法相比不受系统响应时间的制约，与 设计电机参数产生法相比这种电气化的控制具有很强的灵活性。

3)将本发明方法应用于振动压实，对比实验表明本发明方法在单位时 间内不仅下降位移大，单位压下量消耗能量更小，压实效果更好。

附图说明

图1是本发明方法所依赖的系统框图；

图2是本发明方法应用到振动压实装置中的电机转速实验波形；

图3是本发明方法控制电机得到的在ω_r-i_q平面的混沌吸引子图；

图4是本发明方法应用到振动压实装置中的作用力功率谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的实现永磁同步电动机转速单向混沌运动的方法依 赖的系统结构是，包括数字信号处理器、驱动逆变器和永磁同步电动机三大 部分，分别如图中虚线框所示，其中的数字信号处理器包括并列设置的两路 模拟数字转换器(A/D)、正交编码脉冲输入电路(eQEP)和六路驱动信号 发生器(SVPWM)；两路模拟数字转换器通过CLARK变换(模块)与PARK 变换(模块)连接；PARK变换(模块)一路输出i_d与给定量i_dref作差后，通 过PI调节器与PARK反变换(模块)连接，PARK变换(模块)另一路输出 通过与其本身的时间延迟作差后乘比例因子K₁与u_q相加后与PARK反变换 (模块)连接，正交编码脉冲输入电路的输出除送至PARK变换和PARK反 变换外，还送入平均转速计算模块得到平均转速平均转速与平均转速 期望值n_ref作差后乘比例因子K₂后再与电压基值相加得到u_q；

永磁同步电动机上设置有用来检测转速的码盘，码盘的输出信号进入正 交编码脉冲，得到电动机的电角度θ(t)，正交编码脉冲输入电路同时与PARK 反变换(模块)、PARK变换(模块)、转速均值计算(模块)分别连接；电 动机的三相电流中的两相对应通过两个电流霍尔传感器采集，进入两路模拟 数字转换器(分别通过ADC0和ADC1端口进入)，得到两相电流i_A(t)和i_B(t)；

驱动逆变器中包括三相全桥逆变器，三相全桥逆变器通过不控整流与三 相工频电源连接；六路驱动信号发生器产生的驱动信号驱动三相全桥逆变器 给永磁同步电动机供电(控制永磁同步电动机)；

另外，采用矢量控制的框架，令直轴电流给定值i_dref＝0，通过电流环PI 调节器构成直轴电流闭环得到直轴电流控制量U_d(t)；交轴电流采用直接延时 反馈的方法，并在此基础上了增加了一个基值分量u_q(t)得到交轴电流控制量 U_q(t)。

数字信号控制器的最优型号选用TMS320F28335。

本发明的单向混沌反控制方法，通过上述的系统实现，按照以下步骤实 施：

步骤1、通过两个电流霍尔传感器(即图1中的两个HALL模块)，采 集永磁同步电动机(图1中的PMSM)三相电流中的两相电流的模拟信号， 并且通过数字信号控制器的两路模拟数字转换器(图1中A/D模块中的 ADC0和ADC1两个通路)检测得到电动机两相电流的数字量i_A(t)和i_B(t)；

步骤2、通过永磁同步电动机轴上连接的码盘(图1中码盘)和数字信 号处理器的正交编码脉冲输入模块(图1中eQEP)采集永磁同步电动机机 械角位置增量，进而得到电角度θ(t)；

步骤3、将步骤1得到的永磁同步电动机两相电流i_A(t)和i_B(t)在数字信 号处理器中进行CLARK变换(图1中CLARK变换模块)，得到α-β静止 坐标系下的电流量i_α(t)和i_β(t)；

步骤4、利用步骤2中得到的电角度θ(t)，将步骤3中得到的电流量i_α(t)、 i_β(t)在数字信号处理器中进行PARK变换(图1中PARK变换模块)，得到 d-q旋转坐标系下电流的反馈量，即直轴电流i_d(t)和交轴电流i_q(t)；

步骤5、直轴电流给定量i_dref＝0与步骤4中得到的反馈量i_d(t)作差，得到 误差信号e(t)，在数字信号处理器中误差信号e(t)进入PI调节器(图1中PI 调节器模块)得到直轴电流控制量U_d(t)，PI调节器的调节过程表达式如下：

$U_d\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\int }_0^{t}e\left(t\right)dt,$

其中e(t)＝i_dref-i_d(t)，K_p为比例系数，K_i为积分系数；

步骤6、将步骤4中得到的交轴电流i_q(t)和经过延迟处理(图1中的时 间延迟τ模块)后得到的i_q(t-τ)作差，将作差结果乘以比例因子K₁，并在此 基础上加上一个基值分量u_q(t)得到交轴电流控制量U_q(t)，

交轴电流控制量U_q(t)的表达式为：U_q(t)＝u_q(t)+K₁((i_q(t)-i_q(t-τ)))，

其中u_q(t)＝u_base+u_comp(t)，u_base为根据电动机转速单向混沌运动的期望基速 来确定的一个基值量，K₂为比例因子，n_ref为永磁同步 电动机转速单向混沌运动的期望基速，以步骤2中得到的电角度θ(t)为输入， 在数字信号处理器中经过转速均值计算模块(图1中转速均值计算模块)， 得到永磁同步电动机转速均值

步骤7、利用步骤2中得到的电角度θ(t)，将步骤5和步骤6中得到的 控制量U_d(t)和U_q(t)在数字信号处理器中进行PARK反变换(图1中PARK 反变换模块)，得到α-β静止坐标系下的电压量U_α(t)和U_β(t)；

步骤8、以步骤7得到的电压量U_α(t)和U_β(t)为输入，在数字信号处理 器中进行空间矢量调制(图1中的SVPWM模块)，得到驱动逆变器(图1 中驱动逆变器模块)的六路控制脉冲；

步骤9、以步骤8中得到的六路控制脉冲为输入，在驱动逆变器中经过 三相全桥逆变器(图1中三相全桥逆变器模块)，逆变出三相交流电给永磁 同步电动机供电，从而控制永磁同步电动机实现转速单向混沌运动。

实施例

将本发明方法应用于压实装置中，为了验证本发明控制方法的有效性设 计了对比实验，实验中将土、沙子、小石子混合进行压实实验。对此实验中 采用了三种不同的控制方法控制电机的工作：①恒速控制；②混沌转速给定 控制；③本发明方法控制。

图2是本发明方法应用到振动压实装置中的电机转速实验波形，将数字 信号处理器中计算得到的电机转速通过D/A转化送出，用示波器观测得到。 横坐标为时间(每格4秒)，纵坐标为转速(每格150转每分钟)。

图3是本发明控制方法控制电机得到的在ω_r-i_q平面的混沌吸引子。将 数字信号处理器中得到的电机转速和交轴电流分别通过D/A转化，并分别以 电机转速为横轴(每格150转每分钟)，交轴电流量为纵轴(每格2安培)， 用示波器观测得到。

图4是本发明控制方法应用到振动压实装置中的作用力功率谱，横坐标 为频率(单位：赫兹)，纵坐标为幅值(单位：分贝)。

如表1所示，是三种方法的压实效果对比结果。

表1三种方法的压实效果比较

通过对比实验表明，本发明方法在单位时间内不仅下降位移大，单位压 下量消耗能量更小，压实效果更好。