雙電機同軸驅動系統功率追蹤算法研究

薛晨旭+韓峻峰+林川+潘盛輝+楊峰

摘?要：研究同軸雙電機負載功率追蹤問題，在該系統中，兩臺電機速度被強制同步，由于兩臺相同電機參數略有差異，將導致功率分配不平衡。基于功率平衡要求，根據矢量控制理論，將交流異步電機的電機轉矩和電機磁通的解耦，得到雙電機功率（電流）追蹤的數學模型，通過設計模糊控制器與迭代算法進行控制，進行了同軸雙電機功率追蹤問題仿真。仿真結果表明，模糊PID控制與迭代算法控制的系統相比，可以提高功率跟蹤的響應速度，更快達到功率平衡。

關鍵詞：雙電機;功率追蹤;模糊控制器;迭代算法

中圖分類號：TM343??????????文獻標識碼：A

Algorithm?of?coaxial?dual-motor?drive?system?power?tracking

XUE?Chen-Xu1*，?HAN?Jun-feng2，?LIN?Chuan1，?PAN?Sheng-hui1，?YANG?Feng1

• College?of?Electrical?and?Information?Engineering，?Guangxi?University?of?Science?and?Technology，?Liuzhou?545006?China;

2.Department?of?Electrical?Engineering，?Guangxi?Technological?College?of?machinery?and?electricity，?Nanning?530007?China）

Abstract：?Research?coaxial?dual-motor?load?power?tracking.?In?this?system，?two?synchronous?motors?speed?is?forced.?Due?to?the?slight?difference?in?the?two?identical?motor?parameters，?it?will?lead?to?uneven?distribution?of?power.?According?to?the?vector?control?theory，?the?AC?motor?torque?and?motor?flux?decoupling?induction?motor.?The?mathematical?model?of?dual-motor?power?（current）-tracking，?is?controlled?by?fuzzy?controller?design?and?iterative?algorithm?to?solve?the?power?to?track?all?issues.?Simulation?results?show?that?the?fuzzy?PID?control?system?compared?with?the?control?iterative?algorithm?can?improve?the?response?speed?power-tracking，?and?faster?to?achieve?power?balance.

Keywords：?Dual-motor;?power?point?tracking;?fuzzy?controller;?iterative?algorithm

1??引言

雙電機硬軸聯接驅動同一負載時，即使同批次的相同型號電機也極難達到各項參數完全一致，因此它們所分擔的負載就不可能完全相等，從而導致兩個電機輸出功率出現偏差，容易使其中一臺電機工作在輕載狀態，而另一電機工作在過載狀態，造成電機過負荷。為改善這種情況，將負載進行合理分配，雙電機的功率平衡問題就必須得到解決?[1]。

自從上世紀80年代?Koren提出交叉耦合控制算法之后[2]，許多專家針對“多電機協調控制”這一課題展開了一系列的研究。國內，湯杰，李志勇針對剛性硬聯的雙電機同步傳動系統的功率分配問題提出主從控制方案[3]，在同步運行中確保功率平衡。田瑞，趙艷提出了變頻器的主/從功能在多電機傳動系統中的應用[4]，解決了多臺電機同時驅動同一負載的功率平衡問題。張超，裴延濤提出了基于矢量控制思想的同軸硬聯雙電機負載平衡系統[5]，并且將交叉耦合及主從控制的概念運用于其中，從而實現雙電機承擔相等負載的實驗目的。

上述文獻均較少提及從電機功率跟蹤過程中的精確的數學模型，因此對雙電機功率追蹤精確數學模型的算法研究是一個新的研究點。本文以雙電機同軸驅動系統為對象，通過矢量控制理論，將交流異步電機的電機轉矩和電機磁通的解耦，建立了雙電機功率追蹤系統的數學模型。在主從控制和交叉耦合的基礎上，設計了模糊參數自整定PID控制器以及基于迭代算法的控制器，均獲得了精確的控制效果。通過比較，模糊參數自整定PID控制器提高了響應速度，解決了功率平衡問題，改善了系統的動態性能。

2??雙電機同軸運行功率不平衡的Simulink仿真

由雙電機同軸運行功率平衡定義[6]可知，在雙電機同軸拖動同一負載時，兩臺電機額定功率相同，即使兩臺電機的其他參數不相同時，其所分配的負載力矩也必須是相同的。選擇電機為鼠籠式異步電機，在本次仿真試驗中采用星型接法。電源的三路輸入信號的初始相位分別設置為0°，120°，240°，電壓設置為380V，頻率為50Hz。在MATLAB/SIMULINK中創建雙電機同軸模型，如圖1所示：

圖1?雙電機功率不平衡仿真實驗

兩臺電機額定功率均為15kW，其中電機1轉子電阻為2.65Ω，電機2轉子電阻為3.65Ω，兩臺電機的輸出轉矩差如圖2所示：

圖2?功率不平衡輸出轉矩差

如圖2所示，在輸入負載轉矩為60NM時，電機1輸出轉矩為38NM，電機2輸出轉矩為22NM，這說明兩臺電機在定子電阻相差1歐姆時，兩臺電機輸出功率相差1.7倍以上，出現了嚴重的功率不平衡。因此，在該系統中，必須進行功率平衡的控制。

3??雙電機硬軸驅動系統數學模型的建立

系統采用主從控制方法對雙電機進行控制，通過微處理器產生變頻控制信號[7]，將主從電機的負載轉矩（定子電流）進行比較，進而控制從電機，達到改變從電機負載轉矩與主電機平衡的目的，從而通過控制從電機的變頻調速過程實現兩臺電機的功率平衡。

3.1??變頻器環節的數學模型

變頻器的輸入信號是控制電壓Uc，通過變頻器輸出相應的電機定子相電壓U1和電源頻率f1。由于f1和U1的比值保持不變，所以變頻器的頻率給定信號Uc與U1的關系由變頻器的加速時間確定。加速時間設為τ，可以得出在階躍給定下的系統響應情況。當給定信號是Uc，輸出響應可以分解為兩個斜坡函數y1（t）和y2（t），并有：

3.2??電機環節的數學模型

在對從電機數學模型的建模過程中，為了實現電機磁通和轉矩的解耦，利用矢量控制理論，通過坐標變換將交流異步電機等效為直流電動機，從而對從電機的轉矩進行控制。本系統中電機環節的模型是解耦后基于電流轉矩分量的傳遞函數[8]：

（6）

式（6）說明異步電動機的電流與電壓的動態是非線性關系。為了用簡單的過程說明矢量控制原理，假設如下：

電動機的負載變化非常慢，在電流調節中基本不變，可設△MZ=0;轉速變化相對于電流變化非常慢，因此在電流調節中可以認為轉速基本不變，可設△ωr=0。以上的假設將式（6）進一步線性化，可表示成三階微分方程的，其形式如下：

可將它等效為直流電機電樞繞組回路方程，本式將作為轉矩跟隨控制的傳遞函數。

4??雙電機同軸系統功率追蹤算法的MATLAB仿真

選擇主電機參數如表1所示：

表1?主電機的相關參數

為了使主從電機參數不同，這里設置從電機轉子電阻為0.42Ω，其他參數均與主電機相同。根據上節建立的電動機環節數學模型及電機參數，可以得到電機的傳遞函數為：

4.1??基于模糊參數自整定PID控制系統的設計

根據主從電機參數及矢量控制原理解耦，其中主從電機間電壓變化為4.5～5V，根據控制系統對過渡要求和專家經驗，設計模糊PID控制器[9]，建立模糊規則如圖3所示：

圖3?模糊控制器規則

對上述系統進行MATLAB仿真，仿真實驗如圖4所示：

圖4?同軸從電機功率跟蹤系統圖

仿真時間設置為3s，設置主電機輸入電流200A：仿真結果如圖5所示：

圖5?模糊PID功率追蹤

由仿真結果可知，主電機輸入200A電流，從電機電流經過0.5s達到主電機90%以上的輸入，經1s達到誤差為0，并且動態過程線性化程度較好。

4.2??基于迭代算法控制系統的設計