本發(fā)明涉及機電控制，具體涉及一種機電耦合共振抑制方法、控制器及電機驅(qū)動系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、機電設備在各個領域廣泛使用，機電設備中存在的機電耦合共振的問題也逐漸被人發(fā)現(xiàn)，機電耦合共振即機電設備中的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電流諧波頻率與機械系統(tǒng)中傳動部件的的固有頻率重合引發(fā)的共振，對機械設備運行穩(wěn)定性和設備內(nèi)部部件的壽命都有一定的影響。

2、特別的，為提高軌道車輛效率，研究人員提出永磁直驅(qū)方案，即將直接驅(qū)動系統(tǒng)與永磁同步電機相結(jié)合。然而，永磁同步電機直接驅(qū)動系統(tǒng)是一個非線性、高階、強耦合的系統(tǒng)。這一特性放大了電動扭矩和控制性能對傳動系統(tǒng)的影響。在永磁直驅(qū)系統(tǒng)中，電動機直接驅(qū)動負載以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，從而需要在低速下產(chǎn)生大扭矩。因此，諧波轉(zhuǎn)矩的頻率隨著轉(zhuǎn)子速度而降低，并且在某些速度下，其與機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率一致。而諧波轉(zhuǎn)矩會導致機電耦合共振，危及系統(tǒng)穩(wěn)定性，加速部件失效。因此，亟需采取有效的機電耦合共振抑制方法保障列車安全舒適的運行。

3、在現(xiàn)有的研究方法中，振動抑制方法分為基于軌道機械傳動系統(tǒng)與基于電機控制系統(tǒng)的方法。其中，基于軌道機械傳動系統(tǒng)主要關注隨機振動引起的動態(tài)響應和振動水平。電機通過橡膠接頭懸掛，這阻止了牽引電機的大部分諧波扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向架框架或車體，且電轉(zhuǎn)矩通常被認為是一個恒定值，忽略了諧波轉(zhuǎn)矩的影響，因此無法對機電耦合共振進行有效的抑制。

4、基于電機控制系統(tǒng)的方法通過抑制周期性擾動來抑制諧振，已經(jīng)提出了許多最優(yōu)控制算法，包括諧振控制、重復控制、自適應控制、自抗擾控制（adrc），然而，這些方法并未針對性的就機電耦合共振問題進行分析，實現(xiàn)較為復雜且效果欠佳。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種機電耦合共振抑制方法、控制器及電機驅(qū)動系統(tǒng)，解決現(xiàn)有復雜機電設備由于電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)之間出現(xiàn)機電耦合共振影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，加速部件失效的問題。

2、一種機電耦合共振抑制控制器，包括加入了qrc控制器的擴張狀態(tài)觀測器eso即qrc-eso，qrc-eso的狀態(tài)空間方程為：

3、

4、式中，z1為機械角速度估計，z2為集中擾動估計， b0?=?1/ j0， j0為慣性標稱值， x1?= ωm， ωm機械角速度， x2?=? dn， dn為集中擾動， u?=? is， is為定子電流，β1和β2是估計環(huán)路的增益，gqrc為qrc的表示，具體如下：

5、

6、式中，ωc為qrc控制器的截止頻率、ωr為被控對象的共振頻率、kr為qrc控制器的增益系數(shù)；

7、qrc-eso的誤差狀態(tài)空間方程為：

8、

9、式中，e1為角速度估計誤差，e1=?z1-ωm，e2為擾動估計誤差，e2=?z2-?dn

10、qrc-eso的角速度估計誤差e1和系統(tǒng)干擾x2之間的傳遞函數(shù)為：

11、

12、式中，δ（s）=β2（1+gqrc（s））；

13、qrc-eso的干擾估計z2和系統(tǒng)干擾x2之間的傳遞函數(shù)為：

14、。

15、進一步地，所述qrc控制器的截止頻率為諧振頻率附近10-25hz，qrc控制器的增益系數(shù)為0.0001-0.001。

16、進一步地，包括rs-adrc，所述rs-adrc采用權(quán)利要求1所述的qrc-eso作為擴張狀態(tài)觀測器，所述rs-adrc的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

17、

18、式中，ωc為qrc控制器的截止頻率、ωr為被控對象的共振頻率、kr為qrc控制器的增益系數(shù)；ω0為感測器的帶寬、ks為速度環(huán)增益參數(shù)；。

19、一種機電耦合共振抑制方法，包括：

20、確定機電設備的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)算法，構(gòu)建機械系統(tǒng)的動力學模型和控制系統(tǒng)的控制算法模型；

21、具體的，所述機電設備包括永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)如永磁直驅(qū)列車、旋翼飛行器、風力發(fā)電廠的風機等。

22、基于機械系統(tǒng)的動力學模型和控制系統(tǒng)的控制算法模型構(gòu)建機電耦合模型：動力學模型與電機控制模型信息交互，控制算法模型以動力學模型中電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和負載信號為輸入信號，經(jīng)由控制器處理輸出電機控制信號，驅(qū)動變流器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速與輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，動力學模型根據(jù)電機驅(qū)動力矩與其本身的負載力矩計算動力學模型的動態(tài)響應特性；

23、基于機電耦合模型開展機電系統(tǒng)共振特性分析確定共振點：針對機械系統(tǒng)的動力學模型進行模態(tài)分析，得到傳動部件的固有模態(tài)頻率信息，對控制算法中的定子電流與輸出轉(zhuǎn)矩諧波特性進行分析，得到諧波電流與諧波轉(zhuǎn)矩頻率分布特性，將機械模態(tài)頻率特性與諧波轉(zhuǎn)矩特性進行對比分析，確定機電系統(tǒng)耦合振動頻率分布范圍獲取共振點。

24、進一步地，所述機械系統(tǒng)的動力學模型構(gòu)建過程包括：確定機械系統(tǒng)的組成部件，將參與傳動的傳動部件進行柔性體建模，以反映其固有機械模態(tài)特性和特征頻率，其余部件視為剛體，以建立機械系統(tǒng)的有限元模型，對有限元模型進行離散化處理，再采用子結(jié)構(gòu)模態(tài)縮減法，將有限元模型進行自由度縮減制作為柔性體，以確保各部件可以傳遞高頻振動；

25、所述控制系統(tǒng)的控制算法模型構(gòu)建過程包括：確定控制系統(tǒng)中控制對象的數(shù)學模型包括永磁電機和變流器的數(shù)學模型，針對該數(shù)學模型設計電機控制器，電機控制器包括adrc轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、dq軸電流控制器與pwm調(diào)制算法組成。

26、進一步地，還包括：針對共振點設計耦合振動抑制算法，機電系統(tǒng)共振源為電機諧波轉(zhuǎn)矩，因此需要設計機電系統(tǒng)耦合振動狀態(tài)觀測器，觀測特定頻率范圍內(nèi)的諧波轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動，并輸出抑制信號減小共振頻率附近的諧波轉(zhuǎn)矩幅值，進而降低特定諧波轉(zhuǎn)矩對機械系統(tǒng)振動的影響。

27、進一步地，所述機電設備為永磁直驅(qū)列車時，所述構(gòu)建機械系統(tǒng)的動力學模型包括先構(gòu)建整車動力學模型，再構(gòu)建直驅(qū)轉(zhuǎn)向架動力學模型建模，所述構(gòu)建控制系統(tǒng)的控制算法模型包括構(gòu)建永磁直驅(qū)電機全速域控制算法模型，所述構(gòu)建機電耦合模型包括將電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為永磁直驅(qū)系統(tǒng)機電耦合的關鍵參數(shù)，搭建基于動力學模型、控制算法模型聯(lián)合仿真的機電耦合動力學數(shù)值模擬平臺，在此基礎上開展整車機電系統(tǒng)模態(tài)分析，研究機電耦合共振特征和對應耦合振動抑制算法。

28、進一步地，所述機械系統(tǒng)包括：車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)、內(nèi)置式軸箱與輪對，除永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)外其余部件均可看作剛體，每個輪對由一套永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)驅(qū)動，每套永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)由永磁直驅(qū)牽引電機和撓性板空心軸聯(lián)軸器以及電機吊架構(gòu)成。

29、其中，所述構(gòu)建整車動力學模型包括：構(gòu)架的載荷通過一系懸掛傳遞至輪對，車體與構(gòu)架之間通過二系懸掛連接，將一系懸掛與二系懸掛視為彈簧-阻尼器單元；永磁直驅(qū)電機定子固定在電機吊架上，電機吊架通過吊桿和懸臂與構(gòu)架相連，其中，吊桿懸掛點在電機兩端主要提供垂向力，懸臂可視為縱向與垂向彈簧-阻尼器單元；輪對與構(gòu)架之間的軸箱拉桿、轉(zhuǎn)向架與車體間的牽引桿等效為減震器，轉(zhuǎn)向架牽引力可通過牽引桿傳遞至車體。

30、輪軌接觸采用蠕滑力模型，法向選取hertzian非線性接觸。

31、所述直驅(qū)轉(zhuǎn)向架動力學模型建模包括：空心軸聯(lián)軸器一端的傳力法蘭通過撓性板與電機轉(zhuǎn)子輸出端連接，撓性板視為縱向、垂向與扭轉(zhuǎn)方向的彈簧-阻尼器單元，空心軸聯(lián)軸器的另一端經(jīng)由撓性板與傳力盤連接，傳力盤與車軸之間采用過盈配合進行裝配，空心軸與傳力盤之間的撓性板等效為縱向、垂向與扭轉(zhuǎn)方向的彈簧-阻尼器單元，聯(lián)軸器中的傳力盤與車軸固定連接，兩者繞坐標系y軸同步旋轉(zhuǎn)。其中，軸箱箱體通過軸承固定在車軸上，軸箱與車軸之間僅釋放繞y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，電機轉(zhuǎn)子通過兩端的軸承固定在定子外殼上，轉(zhuǎn)子與定子之間同樣僅釋放繞y軸旋轉(zhuǎn)的自由度。

32、進一步地，所述機電耦合動力學數(shù)值模擬平臺的機電耦合原理為：機電耦合動力學數(shù)值模擬平臺將動力學模型中根據(jù)牽引力矩與負載轉(zhuǎn)矩計算電機轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速并輸入控制算法模型，控制算法模型根據(jù)實際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速的差值調(diào)節(jié)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對列車的運行控制；其中，動力學模型中的聯(lián)動參數(shù)會影響電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速作為牽引電機控制系統(tǒng)輸入量進而影響電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩與其中的諧波轉(zhuǎn)矩又將影響列車機械結(jié)構(gòu)的動力學響應，從而實現(xiàn)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的耦合作用，所述聯(lián)動參數(shù)包括軌道譜、懸掛元件、結(jié)構(gòu)彈性振動。

33、一種機電耦合共振抑制電機驅(qū)動系統(tǒng)，采用了一種機電耦合共振抑制控制器，所述控制器設于控制系統(tǒng)中，所述控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)相連。

34、進一步地，所述控制系統(tǒng)包括速度環(huán)控制器、弱磁控制模塊、電流環(huán)pi控制器、svm調(diào)制模塊和逆變器模塊，所述速度環(huán)控制器采用rs-adrc，所述控制系統(tǒng)的控制原理為：

35、電機轉(zhuǎn)速較低時，所需參考電壓 u s, ref在逆變器電壓輸出范圍以內(nèi)，此時弱磁控制模塊不作用， dq軸參考電流由mtpa模塊決定。

36、隨著轉(zhuǎn)速逐漸升高，所需參考電壓 u s, ref逐漸超出逆變器電壓輸出范圍，此時使能弱磁控制模塊， dq軸參考電流由弱磁控制模塊決定，其中 d軸電流反向增加，以削弱電機反電勢幅值，拓寬電機運行速域。

37、電流環(huán)pi控制器根據(jù) dq軸參考電流調(diào)節(jié) dq軸參考電壓并輸入至svm調(diào)制模塊，

38、經(jīng)由svm調(diào)制模塊處理輸出逆變器開關信號控制逆變器模塊通斷時間和順序，

39、進而控制永磁直驅(qū)電機三相繞組電流，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的目標。

40、本發(fā)明的有益效果包括：

41、1、針對現(xiàn)有存在的機電耦合共振問題，本發(fā)明基于機械系統(tǒng)的動力學模型和控制系統(tǒng)的控制算法模型構(gòu)建機電耦合模型；基于機電耦合模型開展機電系統(tǒng)共振特性分析確定共振點，快速準確了解共振點，以便針對共振點進行具體的共振抑制算法設計，解決機電耦合共振的問題；基于本發(fā)明的處理思路，可解決多類型的機電復雜設備會出現(xiàn)的機電耦合共振問題，對保障機電復雜設備的系統(tǒng)穩(wěn)定性，延緩部件失效有重大意義。

42、2、本發(fā)明還以永磁直驅(qū)列車作為機電設備，從電機控制角度出發(fā)，通過對觀測器進行改進增強其對高頻信號的觀測能力，再根據(jù)擾動信號實時調(diào)節(jié)電流，無需在機械結(jié)構(gòu)上做出改變，成本較低。

43、3、本發(fā)明所提出的方法為觀測器選擇合適的截止頻率ωc和諧振增益系數(shù)kr，截止頻率在諧振頻率附近10-25hz左右，應盡量包括諧振頻率附近的特征分量，諧振增益系數(shù)設置為0.0001-0.001之間，應保證在放大耦合振動高頻信號的同時不會放大額外的噪聲信號，提高電機運行性能的同時不會引入額外的干擾。

44、4、本發(fā)明所提出的方法結(jié)合了adrc，在電機參數(shù)發(fā)生變化時仍有較好的控制性能，對pmsm參數(shù)的變化具有魯棒性。