改进型永磁同步电机解耦控制策略研究

詪詪

D驱动控制摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇2019年第47卷第9期摇摇

riveandcontrol詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

摇44

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪李摇晴等摇改进型永磁同步电机解耦控制策略研究

改进型永磁同步电机解耦控制策略研究

(1.西安工业大学,西安710021;2.西安地下铁道有限责任公司运营分公司工电二部,西安710016;

3.金堆城钼业股份有限公司,渭南714100;4.西安科技大学,西安710021)

李摇晴1,2,司摇烨4,李摇锋2,贺摇雯3

摘摇要:永磁同步电机电流反馈解耦控制易受到在运行过程中参数变化等不确定扰动的影响。为了改善电流反馈解耦控制的解耦效果和控制精度,研究了一种CFDC-DOB策略。该策略将交直轴间耦合电流和电感参数变化引起的电压误差作为外部干扰来处理,干扰观测器用于观测外部干扰,观测值作为补偿反馈到电压输入端以减弱扰动对系统的影响,实现电流环的精确控制。理论分析和实验结果表明,引入了扰动观测器的电流反馈解耦控制策略提高了系统的动态解耦效果与鲁棒性。

关键词:电流反馈解耦控制;扰动观测器;精确控制;动态解耦

中图分类号:TM341;TM351摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1004-7018(2019)09-0044-04

ResearchonImprovedDecouplingControlStrategyofPermanentMagnetSynchronousMotor

(1.Xi爷anTechnologicalUniversity,Xi爷an710021,China;

LIQing1,2,SIYe4,LIFeng2,HEWen3

2.Xi爷anUndergroundRailwayCo.,Ltd.,OperatingBranch,ElectricalandIndustrialDepartment,Xi爷an710016,China;3.JinduichengMolybdenumIndustryCo.,Ltd.,Xi爷an714100,China;

4.Xi爷anUniversityofScienceandTechnology,Xi爷an710021,China)

uncertaindisturbancessuchasparameterchangesduringoperation.Inordertoimprovethedecouplingeffectandcontrolaccuracyofcurrentfeedbackdecouplingcontrol,acurrentfeedbackdecouplingcontrolstrategywithdisturbanceobserveraxesassystemdisturbances,estimatesthembydisturbanceobserver,andfeedsthembacktothevoltageinputascompen鄄sationtoweakentheinfluenceofdisturbancesonthesystem,soastoachieveaccuratecontrolofthecurrentloop.Thethe鄄oreticalanalysisandexperimentalresultsshowthatthecurrentfeedbackdecouplingcontrolstrategywithdisturbanceobserv鄄erimprovesthedynamicdecouplingeffectandrobustnessofthesystem.decoupling

Abstract:Thecurrentfeedbackdecouplingcontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)isvulnerableto

wasstudied.Thestrategyregardsthevoltageerrorscausedbycouplingcurrentandinductanceparameterchangesbetween

Keywords:currentfeedbackdecouplingcontrol(CFDC),disturbanceobserver(DOB),precisecontrol,dynamic

0摇引摇言

永磁同步电机因自身所具有的高功率密度、大转矩惯性比等特点,在交流调速领域得到了广泛应用。由于永磁同步电机本身是一个强耦合系统,因此如何提高永磁同步电机控制系统的解耦效果和控制精度便受到国内外学者的广泛关注。文献[1]采用电流反馈解耦控制来实现d,q轴电流解耦,结构简单,易于实现,但在实际应用中,电机参数变化较大,影响解耦效果。文献[2]将内模控制理论和模糊控制原理相结合,设计了永磁同步电机实时参数可调整的模糊内模控制器,优化控制器来实现较好的控制效果,但模糊控制的调节大多需要经验值。

文献[3]改为采用逆系统解耦控制来实现电流环的解耦控制,能够提高电流环的解耦效果,但需要被控对象的精确模型。文献[4-5]分别介绍了基于自适应扰动观测器和自适应内模观测器的电流控制方案,两种方案均针对电流环的未知扰动进行在线估计并补偿,提高了电流环的动态性能。文献[6]采用内模控制的观测器来实现对电流环的补偿控制,使得电流稳态波动变小。

以上控制算法,由于器件老化、温升等影响,电流环解耦控制策略在特定的条件下才能实现电流环解耦控制。本文通过对永磁同步电机电流反馈解耦控制进行分析,采用在电流反馈解耦控制的基础上引入扰动观测器的控制策略,该策略是将参数变化、突变负载和交直轴间电流耦合造成的电压误差作为外部干扰来处理,利用干扰观测器(以下简称DOB)

收稿日期:2019-01-30

摇摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪对外部干扰进行观测,并将其反馈到电压输入端进行补偿。实现电流环的精确控制。

摇摇2019年第47卷第9期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇摇摇摇

D驱动控制摇摇riveandcontrol詪詪

10~1000rad/s频段内L(棕)=-26.8dB,表明在参数变化时d,q轴电流不能实现完全解耦。

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪1摇永磁同步电机反馈解耦控制分析

表贴式永磁同步电机在两相旋转坐标系下的电压方程:

ud=Rsid+Ld

üïï

(1)ý

diqï

uq=Rsiq+Lq+棕(Ldid+鬃f)ï

þdt

式中:Ld,Lq,id,iq,ud,uq分别为d,q轴电感、电流、1.1摇电流反馈解耦控制

为转子电角速度;棕Lqiq,棕Ldid为d,q轴的耦合电压。

did

-棕Lqiqdt

图2摇CFDC解耦项传递函数伯德图

电压;L=Ld=Lq;鬃f为永磁体磁链;Rs为定子电阻;棕

1.2摇带DOB的电流反馈控制

(1)DOB的控制原理

电流反馈解耦控制(以下简称CFDC)是通过电流反馈值建立电压补偿项,使得电压补偿项与电机的耦合项正好抵消,实现电流环的解耦。CFDC结构图如图1所示。

-1

对象;Gn(s)为被控对象的逆;d(s)为系统等效扰

^

图3为扰动观测器结构图。其中,Gp(s)为被控

动;d(s)为等效扰动的估计值;Q(s)为低通滤波器;G(s)为控制器;R(s)为系统输入;Y(s)为系统输出。

图3摇DOB结构图

从图3可以推出,未加入扰动观测器时,输出Y(s)的表达式:

图1摇CFDC结构图

id,iq之间关系,表达式如下:

icéêdùú=éêdd

êúê*

由图1得到电流给定值i*d,iq与电流反馈值

式中:GRY(s)和GdY(s)为未加入扰动观测器时输入R(s)和扰动d(s)对输出Y(s)的传递函数。其中:

G(s)Gp(s)üï

1+G(s)Gp(s)ï

ýïGp(s)

GRY(s)=

Y=GRY(s)R(s)+GdY(s)d(s)(5)

cdqùéi*ùúêdú

úêú(2)

(6)

ëiqûëcqd

cqqûëi*

qû

式中c:cdd,cqq为d,q轴电流控制器的闭环传递函数;cdq,qd为d,q轴电流控制器的动态解耦项传递函数。其中:

c^

dq=-cqd=-棕(L-L)G

(Rs+Ls+G)2+棕2(L^

-L)2

cqq=

G(Rs+Ls+G)

(3)cdd=2

2

^

(4)

摇摇由式(3)可知(R,s+Ls+G)+棕当L=L^

(L-L)

2

时,cdq方法才能实现系统完全解耦。但由于电机在运行过

=-cqd=0,此时该程中,存在参数变化、突加负载等干扰问题,使得电机参数L屹L^

全抵消耦合项,cdq,影响系统解耦效果和动态响应=-cqd屹0,即解耦项补偿量不能完。

图2为L=0.8L^

和L=1.2L^

时CFDC解耦项传递函数伯德图,由图2可知,其对数幅频特性曲线在

GdY(s)=加入DOB后,输出Y(1s)+的表达式G(s)Gp(ï

:

s)þY=G忆式中:G忆RY(s)R(s)+G忆dY(s)d(s)(7)

和扰动dRY((ss))对输出和G忆dY(Ys)(分别为加入s)的传递函数DOB。其中时输入:

R(s)G忆RY(s)=摇摇摇摇

ü摇摇Q(s)[GG(s)GïpG忆

=摇摇摇p(摇

s)-Gn(s)](+s)GGnn((s)[1s)

ï+Gp(s)G(s)]ï

ï

ýdYï摇摇Q(s)[GGï

pp(s)-(Gsn)(Gs)]n(s)[1+Gn-(sQ)[1(s)]+Gïp(s)G(s)]ï

þ

摇Q(摇(8)

s)抑1,比较式G忆(5)~式(8)可知,在低中频段时,有具有很好地抑制对象参数的不确定性和外部低频干

RY(s)抑GRY(s),G忆dY(s)抑0,此时观测器扰能力。

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪通过式(8)可知,Q(s)的设计是DOB设计的关詪詪李

摇晴等摇改进型永磁同步电机解耦控制策略研究

45

摇摇摇

詪詪

D驱动控制摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇2019年第47卷第9期摇摇

riveandcontrol詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪键,它可以有效提高控制系统的鲁棒性。永磁同步电机变频调速系统通常工作在低频段,设计合适的Q(s),使得系统实现低频段对电机参数不确定性及外部干扰的有效抑制(2)为了实现DOB结构选择

。

Q(s),Q(s)的相对阶次必须大于或

等于G一阶惯性环节n(s)的相对阶次,因此滤波器选择一阶低通滤波器。永磁同步电机可以简化为。

Q(s)的表达式如下:

Q(s)=

子s1

+1

(9)

式中:(3)子为时间常数。

带扰动观测器的电流反馈解耦控制带DOB的电流反馈解耦的实现

CFDC-DOB)(以下简称

直轴间耦合电流和电感参数变化引起的电压误差作是在CFDC的基础上引入DOB,将交为外部干扰来处理。干扰观测器用于观测外部干扰,观测值作为补偿,反馈到电压输入端,以减弱扰动对系统的影响,实现对电流环的精确控制。图4为CFDC-DOB结构图。

图4摇CFDC-DOB结构图

由图4得到电流给定值i*d

*q

与电流反馈值

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪i李cd,iq之间关系,表达式如式(2),其中,i

:

dq=-cqd=摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇晴摇

G棕(1-Q)(L^

-L)

等摇[(Rs+Ls)(1-Q)+GnQ+G]2+[棕(1-Q)(L^

-L)]2

改进型c=c摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇(10)

ddqq=摇摇摇摇永磁同步摇

G[(Rs+Ls)(1-Q)+GnQ+G)

电[(Rs+Ls)(1-Q)+GnQ+G]2+[棕(1-Q)(L^

-L)]2机解耦控摇摇由式(10)可知,当L=L^

(11)

时,cdq制该方法才能实现系统完全解耦。

=-cqd=0,此时,策略图5为L=0.8L^

和L=1.2L^时CFDC-DOB解耦研究

项传递函数伯德图。由图5可知,当电感参数L屹L^

其幅频增益小于,对数幅频特性曲线在整个频段内无谐振峰-50dB,此时可以认为该方法近似,而且詪詪46

实现系统完全解耦,且鲁棒性强、动态性能好。

图5摇CFDC-DOB解耦项传递函数伯德图

对于CFDC-DOB来说,将交直轴间的电流耦合和电感参数变化引起的电压误差作为外部干扰来处理。因此,有必要找出扰动下控制系统的稳态误差,以反映系统的抗干扰能力。利用终值定理可求出动态解耦项传递函数在阶跃、斜坡和加速度等扰动下的稳态误差为式(12)~式(14)。e1(¥)=lims寅0

scdq

1

s

=摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇ìïkp棕(L^

-L)(Q-1)ïï^

í

[kp+Qr-r2(Q-1)]2+棕2(L-L)2ïï

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇(Q-1)2摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇kki=0î0摇i屹(12)0

e2(¥)=lims寅0

scdq

s1

2=0(13)e3(¥)=lims寅0

scdq

s1

3

=0(14)

式中:e态解耦项在阶跃1(¥),e2(¥、斜坡和加速度等扰动作用下的稳)和e3(¥)分别为CFDC-DOB动态误差。可以看出,对CFDC-DOB来说,在ki时,消除了阶跃扰动下的稳态误差,斜坡扰动和加速屹0度扰动下的稳态误差为0。说明该方法具有较强的抗扰动能力。1.3摇鲁棒性分析

利用两种控制策略的动态解耦项、式(15)判断两种控制策略对于参数L变化的敏感程度。

鄣鄣cL

dq=-

鄣摇摇图6为棕=600radL^

=L

/s时,鄣c两种控制策略对参数

L

qdL^

=L

(15)

L变化的伯德图。由图6可以看出,在整个频段内,

图6摇两种控制策略对参数L变化的伯德图

摇摇摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪中低频段CFDC-DOB的幅值增益小于CFDC的幅值增益,CFDC-DOB对参数L变化的鲁棒性好于CFDC对参数L变化的鲁棒性,即CFDC-DOB利用Q(s)的频率特性进一步提高了CFDC的鲁棒性,在高频段CFDC-DOB对参数L变化的鲁棒性与CFDC相等。

(a)CFDC

摇摇2019年第47卷第9期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇摇摇摇

D驱动控制摇摇riveandcontrol詪詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪图9摇参数不匹配时起动实验波形

(b)CFDC-DOB

于电机电感参数不匹配时,CFDC-DOB具有较强的解耦效果。

^

2摇实验结果及分析

为了验证本文控制策略的有效性和正确性,在TMS320F28335数字信号处理器的实验平台上进行了实验。采样频率均为10kHz,在实验中均采用相同的速度外环PI参数,对应不同的截止频率,本文时间常数子为0.015ms。。

实验中永磁同步电机参数:额定电压125V,额定电流6A,额定功率750W,额定转矩2.38N·m,额定转速3000r/min,极对数2,定子电阻0.43赘,定子电感0.002494H,转子惯量J=1.926伊10-4kg·m2。

图7为CFDC和CFDC-DOB两种控制策略在

图10为CFDC和CFDC-DOB两种控制策略在转速1000r/min、电机电感参数L=1.5L、突减负载时实验波形。从图10可以看出,在电机电感参数不匹配、转速1000r/min、突减负载时CFDC-DOB的q轴突减不引起d轴变化,能够实现解耦控制;而CFDC的q轴电流突变引起d轴电流变化。说明对于电机电感参数不匹配时,CFDC-DOB具有较强的解耦效果和抗扰性能。

500r/min变为1000r/min时转速实验波形。从图7可以看出,转速突变后,两种控制策略电机均可稳定运行于1000r/min,且转速突变时交直轴电流的性能相同。说明带DOB的偏差解耦控制在电感参数匹配、转速突变时具有有效性。

永磁同步电机空载起动,电机电感参数匹配,转速由

(a)CFDC

图10摇参数不匹配时减载实验波形

(b)CFDC-DOB

3摇结摇语

针对CFDC不能有效消除永磁同步电机在运行

过程中电感参数变化造成的系统控制效果差问题,采用CFDC-DOB。通过理论分析和实验结果可得,当电感参数匹配时,两种控制策略在转速突变时具有相同的动态性能和解耦性能;当电感参数不匹配时,CFDC-DOB比CFDC在转速和负载突变时都具(a)CFDC

(b)CFDC-DOB

图7摇参数匹配时突变转速实验波形

图8为CFDC和CFDC-DOB两种控制策略在转速1000r/min,电机电感参数匹配,突减负载时实验波形。从图8可以看出,两种控制策略q轴突1减不引起d轴变化,说明在电感参数匹配、转速

耦且均能稳定运行000r/min、突减负载时。

,两种控制策略均能实现解(a)图CFDC

8摇参数匹配时减载实验波形

(b)CFDC-DOB

图9为CFDC和CFDC-DOB两种控制策略在永磁同步电机空载起动,电机电感参数L=1.5L^

速由500r/min变为1000r/min时转速实验波形、转。

从图9可以看出,CFDC-DOB的交直轴电流的解耦效果好于CFDC的交直轴电流的解耦效果,说明对

有更好动态性能和解耦效果。与CFDC策略相比,

引入DOB的CFDC策略能够提高电流环的解耦控制,基本能够实现电流环的解耦控制。参考文献

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摇摇2019年第47卷第9期摇摇

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(c)300Hz

(d)500Hz

摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪牛宇杰等摇永磁同步直线电动机电流控制方法

图12摇预测电流控制带宽测试实验结果

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提升,且动态响应较快,控制系统的带宽以及控制精度都具有较高的水平。

3摇结摇语

本文对比了三种电流控制方法,滞环电流控制方法简单、易于实现,且动态响应好、带宽较大,采样频率为20kHz时的带宽基本可以达到500Hz,但其精度差,一般无法满足精密控制系统的精度要求;同步旋转坐标系下的PI电流控制无静差,电流波动小,精度高,但其带宽较低,当开关频率为5kHz时的带宽只有300Hz左右,且传统的PI电流控制系统鲁棒性差;对于预测电流控制,传统预测电流控制存在时延和参数扰动的问题,通过估算下一时刻电压值可以解决时延问题,当参数匹配时,可以达到较好的控制效果,通过设计的滑模扰动观测器来补偿扰动电压可以解决参数扰动的问题,提高了系统的抗扰性,加入时延和扰动补偿后的预测电流控制系统精度较高,鲁棒性强,且带宽在开关频率为5kHz时可以达到500Hz左右,相较于前两者,具有较好的控制特性。参考文献

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