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类型基于模糊PI控制的抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf

  • 上传人:HR专家
  • 文档编号:5279506
  • 上传时间:2019-02-18
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    基于模糊PI控制的抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf
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    1、耢爆晓札 201 1年第l期(EXPLOSIONPR00F ELECTRIC MACHINE) 第46卷(总第l 5 8期)基于模糊PI控制的抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统李静。程小华华南理工大学电力学院,广东广州(510640)摘要在抽油机系统中,常存在“大马拉小车”的现象,造成能源浪费。将永磁同步电机代替传统的异步电动机作为抽油机系统的动力机,用模糊PI控制器取代矗接转矩控制中的传统PI调节器,并进行仿真研究。结果表明基于模糊PI控制器的抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统响应迅速,能够实现节能目标。关键词抽油机;永磁同步电机;直接转矩控制;模糊PI控制中图分类号:TM3012;TM

    2、313文献标识码:A文章编号:1008-72812011)01枷19硝rect Torque C帆trol System of PMSM in on PIImp b嬲ed蛐Fuzzy PI Control丘肋皤。耐C7比增o妣Abst糟ct In tle oil p砌p system,there always exists tlle phenomenon of“waste one 7staIent on a petty job”,which caIl cause energy wte In this paper,a simulation research isperfomed by using

    3、 PMsM鹪the拍、,ing motor of oil pump system instead of the traditional induction motor锄d using fuzzy PI controller instead of the traditional PI block in direct torquec叩trol 8ystemThe resIIlts show that tlle direct torque control system of PMSM for oil pumpbased on f如zy PI co咖lkr c肌就hieve瑚甲id地sporIse锄d

    4、 ener影-saving goal。Key wor凼 0il pump;PMSM;direct torque control;fuzzy PI controlO 引言石油作为现代社会不可或缺的主要能源广泛的应用于各行各业,被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金”。我国普遍使用的抽油机系统多采用游梁式抽油机,它的动力机多是异步电动机。但是由于游梁式抽油机机械传动系统的组成环节多,其转动惯量较大,在抽油机起动过程中要求电机输出足够大的起动转矩,且可能出现的瞬时超载也要求抽油机配置的异步电动机要留有较大的功率裕量,以避免抽油机出现“卡死”现象。基于以上原因,游梁式抽油机使用的异步电动机在正常运行时往往

    5、工作在较轻的负载工况下。油田的测试数据表明,抽油机的平均负载率不到30,这就是所谓的“大马拉小车”现象。由于异步电动机在额定负载附近的工况下才有最好的效率和功率因数,而随着负载率的降低,效率和功率因数也呈下降趋势,导致电机的损耗增大,不仅消耗了较多的有功功率,而且占用了很多的无功功率,这对提高抽油机的系统效率极为不利7。永磁同步电动机与感应式异步电动机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数,减小定子电流和定子电阻损耗,效率比同规格的异步电动机提高2一8。而且永磁同步电动机一般在25一120额定负载范围内均可以保持较高的效率和功率因数,使轻载运行时的节能效果更为显著。因此本文将永磁同步电

    6、机代替传统的异步电动机作为抽油机系统的动力机。直接转矩控制控制简称DTC(Direct TorqueContr01)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能交流电机变频调速系统,与矢量控制系统相比具有转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。为了更好地解决DTc系统中的变参数非线性问题,本文将模糊控制理论引入直接转矩控制系统中,用模糊控制规则和模糊推理去推断PI控制器的参数,以获得更好的控制效果。通过与传统的PI控制器仿真曲线相比较,验证了模糊PI直接转矩控制系统比传统的PI控制具有响应速度更快,过渡更平稳的性能。19万方数据第46茗:1嚣臻期) (ExPLosIoNPR

    7、ooF ELEc嘲c MAcHINE) 鲂爆电机第46卷(总第158期) (EXPLOSIONPROOF ELECTRIC MACHINE)r万_j卜艺巩1 PMSM数学模型永磁同步电动机是利用定子磁链和永磁转子磁链的相互作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。假设忽略漏磁通的影响,不考虑磁饱和现象,定子各相绕组完全对称,即电枢电阻值相等,定子各相绕组的电感相等,气隙分布均匀,磁回路与转子位置无关,即各相绕组的电感与转子的位置无关,转子磁链在气隙中呈正弦分布,那么基于转子坐标系(d9轴系)的永磁同步电动机的磁链、电压和电磁转矩方程为仉=置屯+p西。一,西。 (1)U=R,i9+p西g+,吼

    8、(2)或=厶屯+露 (3)多。=厶i, (4)r=和。(或i。一中。屯)(5)式中,咖小少,、玑、虬、i扑p乙、。分别是定子绕组d、q轴的磁链、电压、电流和电感;R。一定子电阻;风、丁、,一电机极对数、电磁转矩和角频率;p微分算子。2模糊PI速度调节器的构成模糊PI自适应直接转矩控制系统是以模糊控制规则实时调节PI产生的一种自适应控制系统,模糊规则给出的是在不同的实时状态下对PI参数优化分析且结合专家经验所得的推理结果2】。该控制系统的基本结构如图1所示。模糊控制环节是根据系统实时状态调节PI参数而设定的。因此本系统设计的关键在于模糊控制规则对PI参数的调节机理过程。图1具有模糊PI调节器的明

    9、1c系统PI调节器的离散表达式为Iu(七)=|,(|I)+I|,t互e(_) (6)式中,E采样周期(已知量);e(I|)一输入量(已知量);矗。,|,一控制器参数(未知量)。20先用扩充响应曲线法得到I|。,J|,的大致范围J舯I|,。和I|鼬,后,一。为了方便寻找,可实时推理出恰当的PI参数控制规律,对有关参数作如下规定。通过下面的线性变换使未知控制器参数归到O,1区间”=菩鼍 (7)奄,。:粤坐 (8)厅。一J|l一后梳n 、。,显然,若能确定i小屉,就可以很容易地求出系统参数I|岛p o。3基本模糊控制器的设计31模糊化和隶属函数的确定为了方便模糊化定义模糊控制的输入为偏差e,其定义如

    10、下e:10以生坐) (9)“|式中,n。一转速给定;n广电机的实际转速;八)一取整函数。偏差变化率加定义如下扯地止掣(10)式中,r为采样周期,偏差e和偏差变化率e的量化论域分别见表1和表2。表l偏差e的量化论域量化域裹2偏差变化率知的量化论域等级一lOl设偏差e的语言变量E,其相应的模糊子集墼4。o。234,Uo,一一一0p”D一,一一,加加mm栅一mq域一。舢筹糍万方数据玢爆_邑j16b (ExPLosIoNPRooF ELEcTRIc MAcHINE) 第46茗l(1嚣?矍期)为A;(i=1,2,39)。论域为X,划分为9个等级艮IX=一4,一3,一2,一1,O,1,2,3,4,Af的9

    11、个语言变量为NBNMNMs。Nss,ZERo,Pss,P椰,删,船;又设偏差变化的语言变量为Ec,其相应的模糊子集为口i(i=1,2,3),论域为y,也相应的分出3个等级l,=一l,0,l。模糊子集B;的3个语言变量为zER0,舰,80,之所以将EC分得这么粗,是因为无论在仿真中或是实际应用中,偏差的变化总是很快、很大。输出JI小J,的语言变量分别取以、以,其相应的模糊子集分别为Ci、D;(i=1,2,3,4,5);模糊子集分为5个等级z职O,船,螂,肘,曰,论域为形,Z划分为5个等级,即驴、z=O,1,2,3,4。表3和表4分别是E、奶的隶属函数。Ec的隶属函数略。表3隶属度函数p(茗)zE

    12、Ro Ss Ms 肘0OO4lO4O4lO40OO041OO32模糊规则的生成模糊规则的生成是通过分析经典PI控制的阶跃响应,根据过渡过程的要求和专家经验得到的。通过分析可以得到系统不同状态时,PI调节器有关参数的修正系数后。,矗,模糊控制规则,见表5。用模糊条件语言来描述,推断修正系数的模糊规则格式如下IF E i8 Aj AND EC is曰f,then仉is Cl,U is Di可以看出,控制规则表(也可以写成矩阵型式)比罗列各条语言的控制规则来得简单明了。表5玑、U,的模糊控制规则表根据模糊控制规则表,我们可以分别求出玩、坼对应的模糊关系分别有27条。用心、尺捌分别表示Ai_阢,最一E

    13、的蕴含关系,则以、“的模糊关系都可以写成蜀=尺小n尺州(Z=l,2,327),并设偏差及偏差变化的模糊值为e、ec,即可根据模糊关系进行合成推理运算CRI,得到相应的输出控制量的模糊值以=e嘏小,ec胡肼 (11)由此模糊控制器的输出控制量应该是27u=y“ (12)f;I由于得到的是一模糊量,而被控对象只能接收一个确定的控制量,为此需经过清晰化过程。我们可以采用最大隶属度法,在输出的模糊集合中选择隶属度最大的模糊量作为精确输出。4仿真选取PMsM的参数为定子电阻R=3Q;厶=己。=O168H;磁链幅值为0175wb;转动惯量为00008kgm2;阻尼系数为O;电机极对数3。在Matlabsi

    14、mulink环境下打开仿真模型,并设置仿真起始时间、仿真步长、解法、要求的误差限等仿真参数。仿真结构图如图2所示。21。oooOl234万方数据第46驯:雾然M J (ExPLOS-PRooF ELEcTRIc MAcHINE J 防螓电机模拟抽油机系统运行工况对电机在分别给定速度为75mds时,电机的起动和稳定运行实然加速,突持减速、突加负载滨减鱼载五种工况来横拟抽油机系统的工作情况进行仿真。并对传统直接转矩控制和打丑人了模糊PI控制器的直接转矩控制系统进行比较。霾露固霜囤固(3)至然减速。空载时速度给定在0 2s处由75删扩s突变为50mds仿真波形如图5所示。圈图固a)传绕PI控制转矩转

    15、速、磁链响应图圈固(b)横糊PI挖制转矩,转速融链响应田5亮然蕞遘情况下的仿真坫暴(4)突加负载。速度给定在75r4ds负载转霖圉固霜圉:固弱飘固弱强固。)传统H控制转矩、转速、磁链响应 (。)传院H控制转矩、转速、礁链响应霸强霸霪舀:囱b)攮糊Pl控制转矩转建、磁链响t圈4凳赫加遭情aT的仿真#累(b)横蝴Pl控制转矩、转递、稚链晌虚圈7突蕞盘t情况T的仿真结果(f#37 i万方数据耢爆龟扎 2011年第l期(EXPLoSIONPROoF ELECTRIC MACHINE) 第46卷(总第l 58期)断续状态及在整流电源励磁可逆系统的电动机中,电磁力的脉动振幅更大,引发的后果更显著。选用脉动

    16、量小的整流电源,电路内串接平波电抗器,增加电动机机体刚度,定、转子进行真空压力整浸绝缘处理以增强绕组和铁心的整体性,电枢采用斜槽及加强所有绕组和连接线的紧固措施,均有助于减小振动和噪声,提高电动机运行的可靠性。24电动机的轴电压电动机dj整流电源供电时,除了可能存在上述的轴电压外,由于电源的高频谐波电压作用在电枢绕组对铁心、轴颈对轴瓦、电源装置对地等电容回路上,产生轴对地的高频感应轴电压。谐波电压越高,此类轴电压也越高,甚至发生轴承油膜电击穿。垫绝缘板的方法不能防止高频感应轴电压对轴承油膜的电击穿。一般采用接地电刷,使轴与地之间短接,轴电流不经过轴颈、轴瓦(或滚动轴承),从rflj防止轴电流的

    17、危害。3 结语综上所述,建议再设计直流电机时,定子磁轭与换向极采用叠片结构,以减少电机负载突变时在换向磁路中产生有害的涡流阻尼作用,使电动机能够承受每秒200倍额定电流的电流变化率;采用,级绝缘结构和无溶剂真空压力浸漆,使绕组具有良好的抗潮能力和机械强度;采用接地电刷。这将大大提高直流电机的使用性能,使其在运行中更加安全、稳定。参考文献1中国电气工程大典(第9卷)电机工程北京:中国电力出版社,20082 陈世坤电机设计北京:机械工业出版社,2000作者简介:徐洋男 1983年生:2005年毕业于长春工程学院机械专业。现从事电机生产控制工作收稿日期:2010一ll15(上接22页)分析图3一图7

    18、仿真波形可得:与传统直接转矩控制相比,模糊PI直接转矩摔制下的系统转矩响应快速平稳,超调小、脉动小、精度高;转速响应较常规直接转矩控制平稳;磁链轨迹较常规直接转矩控制更接近为圆形。与传统DTC相比,基于模糊PI控制的抽油机用永磁同步电机DTc系统转矩响应脉动小、精度高,动态性能要优于传统的DTC系统。将其应用到拙油机系统,可以提高功率因数,实现节能的目标。5 结语本文提出将模糊PI控制应用到抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统,采用模糊Pl自适应控制器作为直接转矩控制系统的速度调节器,依据转速和转速误差变化实时在线调整常规PI控制器参数。仿真结果表明该系统能够实现抽油机快速跟踪负载响应,增强了

    19、系统速度调节的自适应能力,从而为抽油机系统响应速度更快,过渡更平稳,系统抗干扰能力强,系统性能得以提高,从而最终实现抽油机系统的节能降耗目标。参考文献1李华德,白晶,李志民交流调速控制系统M北京:电子喈出版社20032 李勇基于模糊控制的永磁同步电动机直接转矩控制J微电机,20063】陶永华新型PID控制及其应用M北京:机械工业部出版社,19984 薛定宇,陈阳泉基于Matlabsimulink的系统仿真技术与应用M北京:清华大学出版社,20025 Matic P R,BIanusa B D,Bukosavic s NA novel di-rect torque and fmx contmll

    20、lgothm for the induc卜ion motordrivceJ】Electric Machines and I)rivces Confbrence2003,2(3):146 诸静模糊控制原理与应用M北京:机械工业出版社,19997 欧立生游梁式抽油机拖动系统变频控制的研究硕士论文沈阳:沈阳工业大学,20028 suN D柚,HE Yikallg,zHu J ianguoFu船y b舀cDirect Torque Contml for Pe肋粕entMagIlet synchr-onous Mo-torscHang弘hou,PRchinaIEEE the 5 world congre

    21、ss on InteUigent ContmlAnd Automation440l 4405作者简介:李静女1984年生;华南理工大学电力学院电机与电器专业硕士研究生,研究方向为新型、智能化电气设备。收稿日期:2010舶-2137万方数据基于模糊PI控制的抽油机用永磁同步电机直接转矩控制系统作者: 李静, 程小华, Li Jing, Cheng Xiaohua作者单位: 华南理工大学电力学院,广东,广州,510640刊名: 防爆电机英文刊名: EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE年,卷(期): 2011,46(1)参考文献(8条)1.SUN Dan;HE Yikan

    22、g;ZHU J ianguo Fuzzy Logic Direct Torque Control for Permanent Magnet Synchr-onousMotors2.欧立生 游梁式抽油机拖动系统变频控制的研究 20023.诸静 模糊控制原理与应用 19994.Matic P R;Blanusa B D;Bukosavic S N A novel direct torque and fulx control algorithm for theinduct-ion motor drivce 2003(03)5.薛定宇;陈阳泉 基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用 20026.陶永华 新型PID控制及其应用 19987.李勇 基于模糊控制的永磁同步电动机直接转矩控制期刊论文-微电机 2006(3)8.李华德;白晶;李志民 交流调速控制系统 2003本文链接:http:/

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