一种双电机系统协同预测位置控制的方法发明专利

专利名称：一种双电机系统协同预测位置控制的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210041811.0

专利申请（专利权）人：河北工业大学
权利人地址：天津市红桥区光荣道8号河北工业大学东院

专利发明（设计）人：牛峰,马丽娟,黄少坡,吴立建,黄晓艳,方攸同,李奎

专利摘要：本发明公开了一种双电机系统协同预测位置控制的方法，实现双电机系统的高精度协同位置控制，提出了协同预测位置控制的CPPC方法，将位置同步误差嵌入成本函数，这样可以在电机之间建立算法级连接，增强电机间的信息交互，以此来提高同步性能，此外，利用权重系数自适应调整方法来实现电机不同运行阶段的全局优化。

主权利要求：
1.一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、变量预测：
由电机的位置跟踪误差的表达式 可知，电机一和电机二之间的位置同步误差表达式为：ξ＝θm1‑θm2(1)，式中θm1为电机一的转子位置，θm2为电机一的转子位置，上标*代表参考值，建立电机一和电机二之间位置同步误差的变化率表达式为：式中ωm1为电机一的转子速度，ωm2为电机二的转子速度，通过对泰勒级数展开式进行截断能够得到双电机系统的预测模型为：式中，X(k+1)＝[id1(k+1)iq1(k+1) ωm1(k+1)θm1(k+1)id2(k+1)iq2(k+1) ωm2(k+1)θm2(k+1)ξ(k+1)]，N为泰勒级数展开的阶数，其中N＝1时得到d轴、q轴电流预测值，N＝2时得到电机速度预测值，N＝3得到电机位置和位置同步误差预测值；
步骤二、构建成本函数并将成本函数最小化：
根据式(1)、(2)和(3)构建成本函数JCPPC来评估预测结果以选择最佳电压向量，成本函数JCPPC的表达式为：式中，成本函数JCPPC对各项的控制目标为：
(a)：最小化位置同步误差ξ；
(b)：最小化位置跟踪误差；
(c)：最小化转速跟踪误差；
(d)：最小化转矩脉动；
(e)：最大化最大转矩电流比，
(f)：表示电流限幅，如果预测电流超过限幅值，则对(f)分配一个非常大的值，如式(5)所示式中，上标*代表参考值，Imaxi是最大定子电流，λξ、λθ、λω、λq和λd分别为位置同步误差、位置跟踪误差、速度跟踪误差、q轴电流跟踪误差和d轴电流跟踪误差的权重系数；
步骤三，对成本函数进行自适应调整：
电机系统的位置控制过程包括四个阶段，分别为：加速阶段、恒速阶段、减速阶段和位置趋近阶段，根据电机系统的位置控制过程的四个阶段对成本函数JCPPC中的各项权重系数值进行适应调整，各项权重系数值的适应调整参照不同运行阶段的权重系数表进行。
2.根据权利要求1所述的一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其特征在于，所述电机系统的位置控制过程的四个阶段的划分方式为：从起点O加速到恒速A点为加速阶段，从恒速A点匀速运行到减速点B为恒速阶段，从减速点B减速到降速点C减速阶段，从降速点C慢慢接近终点D为位置趋近阶段。
3.根据权利要求2所述的一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其特征在于，所述起点O、恒速点A和终点D均为已知位置。
4.根据权利要求2所述的一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其特征在于，减速点B由式(6)确定：θdec＝k·θace(6)式中，θdec为减速面积，k为调整系数，θace为加速面积，θace按式(7)计算：式中，ωmax为加速阶段所达到的最大速度，amax为最大加速度，在实际应用中，摩擦力相对较小，可以忽略不计，主要考虑外载荷力的影响，k值可随负载变化线性调整，空载时k＝
1，满载时k最小。
5.根据权利要求1所述的一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其特征在于，当位置跟踪误差e减小到θ0时，电机进入位置趋近阶段，根据式(8)确定C点：e＝θ0(8)。 说明书 : 一种双电机系统协同预测位置控制的方法技术领域[0001] 本发明涉及多点击预测位置控制技术领域，特别是一种双电机系统协同预测位置控制的方法。背景技术[0002] 目前，多电机协同控制的研究重点主要集中在两个部分：控制结构和控制算法。控制结构主要分为非耦合控制结构和耦合控制结构。非耦合控制结构主要包括主从控制和并行控制。耦合控制结构主要包括交叉耦合控制和偏差耦合控制。与非耦合控制结构相比，耦合控制结构可以加强多电机系统的协同控制，但设计相对复杂。[0003] 传统的控制算法是基于级联结构的磁场定向控制(Field orientedcontrol，FOC)。这种级联结构包括电流环、速度环和位置环，代表了单独的PI控制器的固定耦合，极大地限制了电机系统的动态响应。另外，PI控制器参数的恒定设置只适用于特定的工况，如果PI控制器参数不能根据电机运行条件进行变化调整，则多电机系统的动态响应、跟踪性能和同步性能无法进一步得到提升。先进的控制算法，如滑模控制、模糊控制、自适应控制，被提出用于多电机系统，以提高同步精度。虽然多电机系统的控制性能得到提升，但级联控制结构的局限性仍然存在。[0004] 为了解决上述技术问题，尤其是解决双电机的预测位置控制的技术问题，本领域技术人员提出了预测位置控制(Predictiveposition control，PPC)算法，并基于该算法建立了双电机PPC系统，该系统同时考虑快速性、跟踪性能和同步性能。然而PPC方法虽然具有动态响应快、跟踪精度高的特点，但是两个电机被独立控制，位置偏差信息在电机间进行传递，因此，双电机系统的同步性能只能通过每个单电机的高跟踪精度来保证。当多电机系统受到干扰时，同步性能会变差，无法满足双电机系统更高的同步性能要求。发明内容[0005] 本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种双电机系统协同预测位置控制的方法。[0006] 一种双电机系统协同预测位置控制的方法，该方法包括如下步骤：[0007] 步骤一、变量预测：[0008] 电机的位置跟踪误差的表达式为 电机一和电机二之间的位置同步误差表达式为：ξ＝θm1‑θm2(1)，[0009] 式中θm1为电机一的转子位置，θm2为电机一的转子位置，上标*代表参考值，[0010] 建立电机一和电机二之间位置同步误差的变化率表达式为：[0011][0012] 式中ωm1为电机一的转子速度，ωm2为电机二的转子速度，[0013] 通过采用泰勒级数展开式方法能够得到双电机系统的预测模型[0014] 为：[0015] 式中，X(k+1)＝[id1(k+1)iq1(k+1)ωm1(k+1)θm1(k+1)id2(k+1)iq2(k+1)ωm2(k+1)θm2(k+1)ξ(k+1)]，N为泰勒级数展开的阶数，其中N＝1时得到d轴、q轴电流预测值，N＝2时得到电机速度预测值，N＝3得到电机位置和位置同步误差预测值；[0016] 步骤二、构建成本函数并将成本函数最小化：[0017] 根据式(1)、(2)和(3)构建成本函数JCPPC来评估预测结果以选择最佳电压向量，成本函数JCPPC的表达式为：[0018][0019] 式中，成本函数JCPPC对各项的控制目标为：[0020] (a)：最小化位置同步误差ξ；[0021] (b)：最小化位置跟踪误差；[0022] (c)：最小化转速跟踪误差；[0023] (d)：最小化转矩脉动；[0024] (e)：最大化最大转矩电流比，[0025] (f)：表示电流限幅，如果预测电流超过限幅值，则对(f)分配一个非常大的值，如式(5)所示[0026][0027] 式中，上标*代表参考值，Imaxi是最大定子电流，λξ、λθ、λω、λq和λd分别为位置同步误差、位置跟踪误差、速度跟踪误差、q轴电流跟踪误差和d轴电流跟踪误差的权重系数。[0028] 步骤三，对成本函数进行自适应调整：[0029] 电机系统的位置控制过程包括四个阶段，分别为：加速阶段、恒速阶段、减速阶段和位置趋近阶段，根据电机系统的位置控制过程的四个阶段对成本函数JCPPC中的各项权重系数值进行适应调整，各项权重系数值的适应调整参照不同运行阶段的权重系数表进行。[0030] 所述电机系统的位置控制过程的四个阶段的划分方式为：从起点O加速到恒速A点为加速阶段，从恒速A点匀速运行到减速点B为恒速阶段，从减速点B减速到降速点C减速阶段，从降速点C慢慢接近终点D为位置趋近阶段。[0031] 所述起点O、恒速点A和终点D均为已知位置。[0032] 减速点B由式(6)确定：[0033] θdec＝k·θace(6)[0034] 式中，θdec为减速面积，k为调整系数，θace为加速面积，θace按式(7)计算：[0035][0036] 式中，ωmax为加速阶段所达到的最大速度，amax为最大加速度，在实际应用中，摩擦力相对较小，可以忽略不计，主要考虑外载荷力的影响，k值可随负载变化线性调整，空载时k＝1，满载时k最小。[0037] 当位置跟踪误差e减小到θ0时，电机进入位置趋近阶段，根据式(8)确定C点：[0038] e＝θ0(8)。[0039] 在整个运行阶段将λξ设置为λξmax，以减少双电机系统的同步误差，由于成本函数中每项的单位差异，与λdmax、λqmax和λωmax相比，λθmax和λξmax被设置为更大的值。[0040] (1)加速阶段、该阶段电机以最大加速度加速到最大速度，控制目标是获得最快的动态响应，因此权重系数λq和λd相对于权重系数λω和λθ较大。[0041] (2)恒速阶段(可选)、该阶段电机以最大速度运行直至开始减速，控制目标是保证电机以最小的转速波动稳定运行，因此权重系数λω相对于权重系数λq和λd和λθ较大。需要注意的是，如果参考位置比较小，电机可能在达到最大速度之前就开始减速，在这种情况下不存在恒速阶段。[0042] (3)减速阶段、该阶段电机以最大加速度减速，直到进入位置趋近阶段，控制目标是获得最快的动态响应，因此权重系数λq和λd相对于权重系数λω和λθ较大。[0043] (4)位置趋近阶段、该阶段电机缓慢趋近参考位置，控制目标是在位置波动最小的情况下提高位置跟踪精度，因此权重系数λθ应相对大于权重系数λq和λd和λω。[0044] 有益效果[0045] 利用本发明的技术方案制作的一种双电机系统协同预测位置控制的方法，其具有如下优势：[0046] 1、与现有的FOC和PPC控制方法相比，本申请采用的CPPC的控制性能，包括同步性能、跟踪性能和动态响应，得到了有效的提升，电机参数(Ls1和Jm1)失配下的实验结果表明CPPC方法具有较强的参数鲁棒性，验证了同步误差权重系数λξ对双电机系统控制性能的影响，也就是说，本申请所提出的CPPC算法在多电机协同控制系统中具有明显的优势；[0047] 2、与传统的双电机系统PPC方法相比，本申请所提出的CPPC方法将位置同步误差作为预测模型中的状态变量之一，实现对同步误差发生前的提前控制，并将位置同步误差引入成本函数以提高同步性能，这样可以建立电机间的算法级连接，权重系数被自适应调整，实现了实现多变量协同优化。附图说明[0048] 图1是本发明所述电机位置控制过程的划分图；[0049] 图2是本发明所述不同运行阶段的权重系数表；[0050] 图3是本发明所述权重系数自适应调整方法的流程图；[0051] 图4是本发明所述电机1空载和带载时，FOC、PPC和CPPC三种控制方法在参考位置rad时的结果对比实验图，其中，(a)负载：电机1和电机2均为0N·m、(b)负载：电机1为10N·m、电机2为0N·m；[0052] 图5是本发明所述电机1空载和带载时，FOC、PPC和CPPC三种控制方法在参考位置rad时的结果数据对比表；[0053] 图6是本发明所述电机1空载和带载时，FOC、PPC和CPPC三种控制方法在参考位置rad时的对比实验图，其中，(a)负载：电机1和电机2均为0N·m、(b)负载：电机1为10N·m、电机2为0N·m；[0054] 图7是本发明所述电机1空载和带载时，FOC、PPC和CPPC三种控制方法在参考位置rad时的结果数据对比表；[0055] 图8是本发明所述FOC、PPC和CPPC三种控制方法在不同工况下合成轨迹与参考轨迹的偏差程度图，其中，参考位置θm*＝100rad、负载：电机1为10N·m、电机2为0N·m；[0056] 图9是本发明所述电机1参数(Ls1和Jm1)在不匹配时的同步误差图，参考位置rad、负载：电机1为10N·m、电机2为0N·m；[0057] 图10是本发明所述不同权重系数下CPPC方法的实验结果图，其中，参考位置θm*＝100rad、负载：电机1为10N·m、电机2为0N·m、(a)λξ＝0、(b)λξ＝5·104、(c)λξ＝50·104。具体实施方式[0058] 下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1‑10所示；[0059] 本技术方案采用的电子器件均为现有产品，本申请的技术方案对于上述电子器件的结构没有特殊要求和改变，上述电子器件均属于常规电子设备；[0060] 在本技术方案实施的过程中，本领域人员需要将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。[0061] 为验证本技术方案所提出的CPPC方法的有效性，进行了FOC、PPC和本申请所提出的CPPC三种控制方法之间的对比实验。对比试验的内容包括：响应时间(T)、跟踪误差和同步误差，通过上述实验内容可以评估不同控制方法的整体控制性能，图4为电机1空载和带载时，每种控制方法的实验结果，参考位置θm*＝100rad。图5中的数据表总结了图4中的比较结果。[0062] 可以看出，无论电机1是否带负载启动，与FOC相比，PPC的响应时间和跟踪误差明显降低，但整个运行过程中的同步误差并未降低。此外，无论电机1是否带负载启动，与PPC相比，CPPC的响应时间和跟踪误差略有降低，但整个运行过程中的同步误差明显降低。结果表明，CPPC的控制性能优于FOC和PPC。[0063] 图6为电机1空载和带载时，FOC、PPC和本申请所提出的CPPC三种控制方法之间的对比实验，参考位置θm*＝2rad。图7中的数据表总结了图6中的比较结果。可以观察到，CPPC方法具有更快的响应时间，跟踪误差和同步误差低于FOC和PPC。从这个意义上说，当参考位置很小时，所提出的CPPC方法与FOC和PPC相比仍然表现出优越的性能。[0064] 在双轴运动场合，轴间的协同性能成为重点。如果两台电机在X轴和Y轴上作直线运动，则合成运动轨迹应紧密贴合参考轨迹。图8为不同控制方式、不同工况下合成轨迹与参考轨迹的偏差程度，其中合成轨迹绘制在以电机1位置为X轴，电机2位置为Y轴建立的坐标系中，参考轨迹为是X、Y坐标系中的一条直线。可以观察到，与FOC和PPC两种控制方法相比，CPPC控制方法的合成运动轨迹更贴合参考轨迹，这进一步表明CPPC方法可以加强电机之间的协同性。[0065] 图9显示了电机1参数(Ls1和Jm1)不匹配时的同步误差。假设电机2的参数保持不变，电机1的参数(Ls1和Jm1)的偏差在±50％以内，通过设置不同的Ls1和Jm1人为调整偏差。可以观察到，当电机1参数存在偏差时，同步误差小于0.19rad。表明所提出的CPPC方法具有较强的参数鲁棒性，双电机系统的同步性能几乎不受影响。[0066] 最后，图10显示了不同权重系数λξ对双电机系统控制性能的影响。在λξ＝0,5·4 410 ,50·10下进行CPPC法对比实验。从图10(a)和图10(b)可以看出，随着权重系数λξ的增加，在保证跟踪误差不增加的同时，减小了同步误差。由图10(b)和图10(c)可以看出，如果权重系数λξ不断增大，同步误差可以进一步减小，但跟踪误差增大，双电机系统会出现局部振荡。这是因为与其他权重系数相比，权重系数λξ太大，代价函数的评价结果以同步误差项为主，影响双电机系统的稳定性。考虑到双电机系统的整体性能，权重系数λξ的取值不宜过大。[0067] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。[0068] 上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

专利地区：天津

专利申请日期：2022-01-14

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114421817B