一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多电机驱动控制技术，具体涉及一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制方法及系统。

背景技术

随着生产生活的需要和科学技术的发展,多电机驱动系统被应用在各个领域，对于多电机的协调控制是制造与生产过程中重要的环节。在水闸闸门、门型吊车、升降桥等应用场合，多电机轴的同步传动有严格要求；而在造纸机、塑料薄膜机等应用领域，则要求多电机驱动系统中电机转角或转速按某一规律连续变化运行。在这些系统中多个电机之间协调结果的好坏,直接影响生产效率及产品质量。因此,多电机协调一直是人们不懈研究的课题之一,具有非常重要的现实意义。

多电机协调控制是一个包括多变量、非线性的复杂控制问题。多电机的协调控制问题在垂直升船机,分部造纸机,连续轧钢机等驱动系统中广泛存在。在多电机控制的实际应用中,有很多场合需要各受控电机的控制过程相互配合和“协调”,使各电机之间保持某种协调关系,使整个系统能安全稳定且高效的处于工作状态。船舶电力推进系统的关键设备包括用于驱动螺旋桨的大功率船用电机和变频器，但由于大功率船用电机和变频器产量小，并且和其他领域同类产品通用性差，这样进一步增加电力推进系统的价格，同时增加采用电力推进系统的船舶的后期维护成本。一种解决方案是将多电机驱动系统应用于船舶推进系统，三体船采用三套或两套螺旋桨推进，是多电机驱动系统的良好应用场合，但多电机的协调控制问题会直接影响驱动系统的控制精度和可靠性。

在电动机的控制研究中，单个电动机的驱动系统控制较易实现，但多个电动机的同步性控制却一直以来是控制系统的难点与重点。耦合协同控制方式和非耦合协同控制方式和是目前多电动机的两种主要控制方式。耦合协同控制方式为将各个子电机的位置耦合，是控制中互相考虑式的控制。非耦合协同控制方式为各个子电机之间不存在位置关系，每一个电机都是独立控制。目前多电机驱动系统中转速、电流的控制多以PI算法为主。但PI控制参数整定困难，存在超调，且容易受电机参数变化影响，鲁棒性不强。采用传统方法控制的多电机驱动系统电机运行中的电流谐波将使电机的铜耗增加，所以电机在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，导致绝缘层老化加速，降低了设备的寿命。多电机并联驱动系统中，各电机由于工作状态不同，以及所带的负载有所差异，虽接受来自同一个逆变器所产生的电压空间矢量，但是各电机的电流也不尽相同。单独以主电机运行状态反馈为控制依据的控制方法，可能会加剧其他子驱动电机的电流谐波、转矩脉动和转速失步等问题，这将使得多电机驱动系统工作效率降低，更甚者无法正常工作等。因此提出一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制方法及系统十分迫切。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制系统及方法，该系统及方法能使多电机动系统中电机转速协调性能更好，同时采用改进的电流模型预测控制，能够降低电流谐波对系统性能的影响，保证了多电机驱动系统的稳定输出，提高了多电机驱动系统运行性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制系统，包括总监控平台和带有多个驱动电机的驱动系统，所述驱动系统的所有子驱动电机对应一个控制单元，所述控制单元相互连接的微处理器和存储器，所述总监控平台与控制单元通信连接，所述微处理器被编程或配置以执行降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制方法的步骤；所述控制单元还包括接收器连接安装在子驱动电机上的转速电流测量仪，用以接收实时转速和实时三相电流，所述接收器的输出端与对应的微处理器相连，用于输出实时转速ω

进一步，该系统还具有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制的计算机程序。

一种降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制方法，采用降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制系统，包括：

1)转速环根据子驱动电机实时转速ω

2)电流环根据多电机驱动系统当前周期k的q轴电流指令值

3)通过子驱动电机电流的均值误差对预测电流进行延时矫正，经价值寻优函数得到最优电压矢量u

进一步，步骤1)闭环的均值反馈PI调节控制，从而获得电流环当前周期k的q轴电流参考指令

1.1)测量所有子驱动电机的实时角速度ω

上式中，ω

1.2)根据所有子驱动电机角速度的均值

上式中，k

进一步，步骤2)采用改进的最优占空比电流模型预测控制得到下一周期k+1的预测电流i′(k+1)包括：

2.1)获取转速环给定的当前周期k的q轴参考电流值

2.2)根据当前周期k的q轴参考电流值

上式中，t

上式中，R

2.3)采用改进的最优占空比电流模型预测控制得到下一周期k+1的预测电流i′(k+1)，预测电流包括dq轴分量i′

进一步，在传统最优模型预测的最优电压矢量挑选中加入零矢量作用，从而实现降低电机电流谐波的性能的具体计算方程如下：

上式中，i

进一步，步骤3)控制器根据最优电压矢量控制多电机驱动系统运行包括：

3.1)通过子电驱电机电流的均值误差对预测电流进行延时矫正，采集子驱动电机的电流求其均值：

上式中，i

预测电流的延时矫正方程式如下：

上式中，i′

3.2)根据预测电流和电流参考指令，通过价值函数寻优获得最优电压矢量，价值函数的方程如下：

选取使得G最小值作为最优电压矢量，将最优电压矢量u

3.3)最优电压矢量u

进一步，步骤1)～步骤3)的执行主体为子驱动电机对应的控制单元，且步骤1)之前还包括控制单元与预设的总监控平台通信以接收转速参考指令

进一步，总监控平台收到实时转速ω

进一步，(1)判断是否收到所有子驱动电机的实时转速和实时三相电流，若收到所有子驱动电机的实时转速和实时三相电流、且两实时参数均在设定的安全范围内，则对它们做均值处理，用于后续控制；(2)判断所有子驱动电机转速与均值的差，是否在设定协调阈值以内，如果是则进入保持稳定运行控制状态；否则，继续向按转速参考指令调节多电机驱动系统以实现协调控制。

与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：

1、本发明的转速环根据子驱动电机实时转速的均值和转速参考指令进行闭环的均值反馈PI调节控制，从转速环上提升了多电机驱动系统的同步控制性能。

2、本发明采用改进的最优占空比电流模型预测控制得到下一周期k+1的预测电流，在最优电压矢量挑选中考虑零电压矢量作用，降低了驱动系统中电机电流谐波，使系统输出更稳定。

3、本发明在电流环同样采用所用子驱动电机的电流均值做电流修正，解决了由单一主电机状态参数控制下的电流误差引起的控制性能变差问题。

附图说明

图1是本发明实施例中多电机驱动系统控制结构示意图；

图2是本发明实施例方法的控制原理示意图；

图3是本发明实施例中总监控平台和多电机驱动系统的总体控制流程示意图；

图4是本发明实施例中传统PI控制方法下电流波形；

图5是本发明实施例中本发明控制方法下的电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将更加明显。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本实施例以三螺旋桨三电机驱动系统的三体船为例，对本发明进行详细说明。图1是本发明实施例提供的多电机驱动系统控制结构示意图。如图1所示，该系统包括：总监控平台1下发同步参考转速指令

如图1和图2所示，本实施例降低电流谐波的多电机驱动系统协调控制方法包括：

1)转速环根据子驱动电机实时转速ω

2)电流环根据多电机驱动系统当前周期k的q轴电流指令值

3)通过子驱动电机电流的均值误差对预测电流进行延时矫正，经价值寻优函数得到最优电压矢量u

参见图2，本实施例包括采集子驱动电机实时转速ω

本实施案例中，步骤1)闭环的均值反馈PI调节控制，从而获得电流环当前周期k的q轴电流参考指令

1.1)测量所有子驱动电机的实时角速度ω

上式中，ω

1.2)根据所有子驱动电机角速度的均值

上式中，k

本实施案例，步骤2)采用改进的最优占空比电流模型预测控制得到下一周期k+1的预测电流i′(k+1)包括：

2.1)获取转速环给定的当前周期k的q轴参考电流值

2.2)根据当前周期k的q轴参考电流值

上式中，t

上式中，R

2.3)采用改进的最优占空比电流模型预测控制得到下一周期k+1的预测电流i′(k+1)，预测电流包括dq轴分量i′

上式中，i

本实施案例，步骤2)控制器根据最优电压矢量控制多电机驱动系统运行包括：

3.1)通过子电驱电机电流的均值误差对预测电流进行延时矫正，采集子驱动电机的电流求其均值：

上式中，i

预测电流的延时矫正方程式如下：

上式中，i′

3.2)根据预测电流和电流参考指令，通过价值函数寻优获得最优电压矢量，价值函数的方程如下：

G＝[i

选取使得G最小值作为最优电压矢量，将最优电压矢量u

3.3)最优电压矢量u

参见图1和图3，本实施案例，步骤1)～步骤3)的执行主体为子驱动电机对应的控制单元，且步骤1)之前还包括控制单元与预设的总监控平台通信以接收转速参考指令

图4为在传统PI(比例积分)控制方法下子驱动电机的电流波形图，图5为采用本发明控制方法下子驱动电机的电流波形图。对比图4和图5，可以较明显的看出本发明控制方法能够有效的降低电流谐波，降低由其带来的电机铜耗、振动和噪声等影响，提高了多电机驱动系统的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。