- 頭條《電工技術學報》優秀論文｜改進型偏差耦合多電機轉速同步控制2021-12-12 作者：耿強 王少煒 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語傳統偏差耦合多電機同步控制系統中，系統的跟蹤性能與同步性能相互耦合，難以兼顧，尤其在多電機系統起動階段，轉速同步誤差較大。針對以上問題，本文運用線性系統校正原理設計了改進型偏差耦合控制結構，實現了系統的同步性能與跟蹤性能的解耦調節，有效提升了系統起動階段的性能。
《電工技術學報》2019年度優秀論文獲獎論文簡報
《光伏發電出力預測技術研究綜述》等15篇優秀論文入選《電工技術學報》2019年度優秀論文，榮獲中國電工技術學會表彰。現將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者，以期促進本領域的技術交流。
團隊介紹
天津工業大學“高效能電機系統智能設計與制造”國家地方聯合工程研究中心緊密圍繞國家和天津市在智能制造領域的戰略部署和主攻方向，發揮在技術創新層面的主導作用，開展高效能電機系統智能設計與制造領域的前瞻性研究。中心設立了高效能電機系統智能設計與結構優化、高效能電機系統電力電子變流與驅動、高效能電機系統實時檢測與智能控制、高效能電機系統智能制造與產業化應用等主要發展方向，通過開展產學研合作交流，提升高效能電機系統領域先進材料、工藝及配套技術的工程化與產業化，力求解決國內高效能電機系統設計、控制及制造面臨的瓶頸問題。
耿強
1978出生，教授，博士生導師，入選天津市“131創新型人才培養工程”、天津市高校“中青年骨干創新人才培養計劃”；擔任中國電工技術學會電控系統與裝置專委會委員、中國自動化學會電氣自動化專委會委員、國家自然科學基金通訊評議專家等。主持國家自然科學基金面上項目、天津市自然科學基金重點項目、天津市教委科研計劃重點項目等；作為主要參加人參與國家自然科學基金重大項目、科技部973計劃項目、國家自然科學基金面上項目、中國工程院咨詢研究重大項目等。研究成果發表SCI/EI收錄論文40余篇；授權發明專利20余項；獲省部級科技特等獎1項、一等獎3項。
研究背景
圖1 傳統偏差耦合控制結構示意圖
偏差耦合控制結構因可靠性好、耦合程度高、可控電機數量多而被廣泛用于多電機轉速同步控制場合。但傳統結構需要將系統中所有電機的速度信號分別輸入到各自電機前端補償模塊中進行相關運算，轉速補償機制較為復雜；并且由于轉速環控制器參數的選擇會同時影響系統的跟蹤性能與同步性能，所以在保證系統快速性與穩定性的前提下難以同時兼顧系統的同步性能。
論文方法及創新點
本文提出了一種結構較為簡單，同步性能較好的改進型偏差耦合控制結構，為簡化分析，忽略電流環延遲和測速延遲，其結構如圖2所示。
圖2 改進型偏差耦合控制結構示意圖
所提改進型偏差耦合結構下的多電機系統主要由三部分構成：轉速環控制器、同步誤差補償器以及多電機系統。對于多電機系統而言，為簡化分析，將系統中每臺電機的傳遞函數視為積分環節，經推導可得任意兩臺電機之間的同步誤差為
為了得到改進型偏差耦合結構在不同HP與HI的參數取值下，系統同步性能的動態性能，以改進型偏差耦合結構為基礎，進行3臺永磁同步電機的仿真，結果如圖3所示。
圖3 改進偏差耦合結構動態性能仿真
由圖中可以看出，當3臺電機所帶負載不同時，無論是起動階段還是負載突變階段，系統同步誤差峰值隨著HP與HI的增大而逐漸減小，但同步誤差調節時間卻隨著HP的增大而增大；在起動階段，由于選擇輸出器的作用，調節時間隨HP與HI的變化較為復雜，當HP比HI為某一較小比值時，調節時間較短。
依據上述理論分析與仿真結果，對系統參數進行了整定，并搭建了多電機實驗平臺進行實驗驗證，實驗平臺和起動階段實驗結果分別如圖4、圖5所示。
圖4 多電機實驗平臺
圖5 兩種結構在起動過程中的輸出轉速與同步誤差
由圖5（a）可以看出，與傳統結構相比，改進結構的3臺電機的調節時間保持不變；由圖5（b）可以看出，在電機起動瞬間，改進結構的同步誤差最大值相較于傳統結構，縮小了約20%；并且，同步誤差調節時間相較于傳統結構，也減小了約20%。
結論
本文所設計的改進型偏差耦合結構適用于3臺及以上電機且對同步性能有較高要求的多電機協同控制系統，其特點如下：
（1）設計了新型多電機系統偏差耦合控制結構，實現了系統同步性能與跟蹤性能的解耦調節；
（2）采用比例-積分控制的同步誤差補償器替代了傳統結構中只含比例控制的轉速補償環節，減少了誤差的調節時間，使用自身轉速與平均轉速作為輸入量，相對于傳統結構減少了在線計算量；
（3）在轉速環控制器中增加了選擇輸出器，電機負載不均起動時，在同步誤差比例補償量與限幅量的參與下，將轉速環比例部分補償量進行在線調節去飽和（使之小于限幅值），然后經同步補償作用，使得平均轉速以下的重載電機參考轉矩相對較大，平均轉速以上的輕載電機參考轉矩相對較小，從而減小了起動階段系統的同步誤差。
引用本文
耿強, 王少煒, 周湛清, 史婷娜, 夏長亮. 改進型偏差耦合多電機轉速同步控制[J]. 電工技術學報, 2019, 34(3): 474-482. Geng Qiang, Wang Shaowei, Zhou Zhanqing, Shi Tingna, Xia Changliang. Multi-Motor Speed Synchronous Control Based onImproved Relative Coupling Structure. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 474-482.
