CN108322119A - 一种考虑一拍滞后的pmsm离散域电流调节器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，步骤1、构建考虑一拍滞后的离散电流调节器及永磁同步电机电驱控制系统；步骤2、根据速度环PI调节器，计算得到所需的同步坐标系下d轴和q轴参考指令电流Ie ref(z)；步骤3、将dq同步坐标系下的参考指令电流和实际电流作差得到误差电流ΔIe s(z)，并输入到离散电流调节器中，调节器输出为调制信号；步骤4、将离散电流调节器的输出调制信号经过SVPWM调制生成PWM脉冲波，从而控制三相全桥逆变器输出实际电压，SVPWM逆变器与永磁同步电机连接，对电机进行驱动。本发明方法解决电机高速运行时，耦合项影响不断加重的问题，同时，在电流控制中考虑一拍滞后对电流环的影响，提高了系统在低采样频率下的动态特性。

Description

一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其是一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器直接设计方法。
背景技术
永磁同步电机因其效率高、体积小、功率密度大、转矩脉动小等特点而被广泛应用于交流伺服领域。矢量控制在高性能的永磁同步伺服控制领域获得了广泛的应用，基于同步坐标系的同步比例积分调节器可以在较大的转速范围内实现电流指令的调节与跟踪，且稳态跟踪性能好，因而成为了交流电机电流控制的工业标准。
电机在同步坐标系下，d、q轴存在交叉耦合，而且随着转速的升高，耦合电压占定子电压的比重逐渐增大，耦合作用的影响也会越来越严重。传统PI调节器不能对d、q轴存在交叉耦合项实现完全解耦，电机高速运行耦合现象依然会加重；基于反馈解耦的PI调节器有良好的解耦特性，但对电机参数很敏感，电机参数变化会导致控制效果变差；基于复矢量的PI调节器虽然能够实现完全解耦，但不可避免离散化带来的误差；数字控制中传统的离散调节器直接设计方法一拍滞后延时带来的影响会降低电流环的控制性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高电流环的动、静态特性的考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1、构建考虑一拍滞后的离散电流调节器及永磁同步电机电驱控制系统；
步骤2、根据速度环PI调节器，计算得到所需的同步坐标系下d轴和q轴参考指令电流Ie ref(z)；
步骤3、将dq同步坐标系下的参考指令电流和实际电流作差得到误差电流ΔIe s(z)，并输入到离散电流调节器中，调节器输出为调制信号；
步骤4、将离散电流调节器的输出调制信号经过SVPWM调制生成PWM脉冲波，从而控制三相全桥逆变器输出实际电压，SVPWM逆变器与永磁同步电机连接，对电机进行驱动。
在传统离散调节器中，调节器输出Vs *要延迟一个周期再施加，即在下一周期内以Vs(k+1)的形式施加到电机上。实际上，Vs(k)与Vs(k+1)对电流产生影响的能力是一样的。将调节器输出Vs *全部赋给Vs(k+1)，相当于忽略了当前周期内Vs(k)对电流产生的影响。暂态过程中，这样的做法显然不利于电流的快速稳定调节。
进一步的，所述步骤1的具体内容如下：
步骤1.1、静止坐标系下永磁同步电机的电压方程：
式中uα、uβ为α、β相电枢电压；iα、iβ为α、β相电枢电流；eα、eβ为由永磁铁的磁场分别在α、β相电枢中引起的运动电势；Rs为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；P为微分因子；
步骤1.3、对永磁同步电机在静止坐标系下的传递函数进行离散化，得到离散域永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数：
步骤1.4、将永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数变换到同步坐标系下为：
步骤1.5、电流采样延时和逆变器延时环节的等效传递函数有如下算法：
步骤1.6、在离散域中直接设计电流调节器，对电机能够实现完全解耦，同时避免了使用Tustin变换带来的误差。同步坐标系下调节器设计如下：
步骤1.7、从而得出系统的闭环传递函数为：
进一步的，步骤1所述的考虑一拍滞后的离散电流调节器调节器，在调节器输出端加入z/(z+K2)环节，即考虑了当前周期内V(k)对电流产生的影响，其闭环脉冲传递函数为：
K1是与带宽有关的系数；K2为一拍滞后影响系数；R为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；ωe为电磁转速；TS为采样周期；z为复变量；j为虚数单位；e≈2.718。
进一步的，所述步骤3、步骤4中的离散电流调节器与SVPWM逆变器、永磁同步电机、电流检测模块连接构成闭合回路。
进一步的，步骤4中，电驱控制系统闭环脉冲传递函数为：
K1是与带宽有关的系数；K2为一拍滞后影响系数；R为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；ωe为电磁转速；TS为采样周期；z为复变量；e≈2.718。
其中，K、K1是与带宽有关的系数。K2为一拍滞后影响系数。选取K2＝1，得出系统理想的闭环传递函数为：
其中，通过改进的离散电流调节器得出的系统闭环传递函数，其分母多项式中的零次项与一次项能够通过K1和K2参数的设置来消除，从而得到了仅延迟两拍的控制效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、应用于永磁同步电机控制领域，主要是在电流调节器中加入z/(z+K2)，有效的解决了数字控制方式中因一拍滞后延时引起暂态过程中电流超调过大的问题。
2、在离散域中直接设计电流调节器，避免了离散化带来的误差，提升了调节器控制性能。
附图说明
图1为本发明的电驱控制系统框图。
图2为本发明的离散电流调节器结构框图。
图3为本发明的离散域电流环控制框图。
图4为传统离散调节器电流环控制系统的电流跟踪波形示意图。
图5为考虑一拍滞后的离散调节器电流环控制系统的电流跟踪波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1、构建考虑一拍滞后的离散电流调节器及永磁同步电机电驱控制系统，整体控制框图如附图1所示；
具体内容如下：
步骤1.1、静止坐标系下永磁同步电机的电压方程：
式中uα、uβ为α、β相电枢电压；iα、iβ为α、β相电枢电流；eα、eβ为由永磁铁的磁场分别在α、β相电枢中引起的运动电势；Rs为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；P为微分因子；
步骤1.3、对永磁同步电机在静止坐标系下的传递函数进行离散化，得到离散域永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数：
步骤1.4、将永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数变换到同步坐标系下为：
步骤1.5、电流采样延时和逆变器延时环节的等效传递函数有如下算法：
步骤1.6、在离散域中直接设计电流调节器，对电机能够实现完全解耦，同时避免了使用Tustin变换带来的误差。同步坐标系下调节器设计如下：
步骤1.7、从而得出系统的闭环传递函数为：
步骤2、根据速度环PI调节器，计算得到所需的同步坐标系下d轴和q轴参考指令电流idq；
步骤3、将dq同步坐标系下的参考指令电流和实际电流作差得到误差电流ΔIe s(z)，并输入到离散电流调节器中，调节器输出为调制信号；如图2所示；
步骤4、将离散电流调节器的输出调制信号经过SVPWM调制生成PWM脉冲波，从而控制三相全桥逆变器输出实际电压，SVPWM逆变器与永磁同步电机连接，对电机进行驱动，整个电流环控制框图如图3所示。
下面对本发明的有效性进行验证。
仿真中永磁同步电机的参数如下表1所示：
参数 单位 大小
定子电阻 Ω 0.01
d轴电感 mH 0.2
q轴电感 mH 0.65
转动惯量 kg·m2 0.003
极对数 4
额定转速 rpm 3000
转子磁通 T 0.063
功率 kW 45
转矩模式下，电机以30N·m的转矩启动，0.3s时转矩提升到100N·m，q轴电流跟踪仿真结果如附图4-5所示。图4为传统离散调节器电流环控制系统的电流跟踪波形示意图。图5为考虑一拍滞后的离散调节器电流环控制系统的电流跟踪波形示意图。对比图4和图5可以看出，载波比为8:1且电机在不同转速下运行时，在低采样频率下考虑一拍滞后的离散调节器能够实现无超调控制，暂态性能优于传统离散调节器。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、构建考虑一拍滞后的离散电流调节器及永磁同步电机电驱控制系统；
步骤2、根据速度环PI调节器，计算得到所需的同步坐标系下d轴和q轴参考指令电流Ie ref(z)；
步骤3、将dq同步坐标系下的参考指令电流和实际电流作差得到误差电流ΔIe s(z)，并输入到离散电流调节器中，调节器输出为调制信号；
步骤4、将离散电流调节器的输出调制信号经过SVPWM调制生成PWM脉冲波，从而控制三相全桥逆变器输出实际电压，SVPWM逆变器与永磁同步电机连接，对电机进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体内容如下：
步骤1.1、静止坐标系下永磁同步电机的电压方程：
式中uα、uβ为α、β相电枢电压；iα、iβ为α、β相电枢电流；eα、eβ为由永磁铁的磁场分别在α、β相电枢中引起的运动电势；Rs为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；P为微分因子；
步骤1.2、将运动电势eα、eβ作为扰动项，永磁同步电机在静止坐标系下的传递函数为：
步骤1.3、对永磁同步电机在静止坐标系下的传递函数进行离散化，得到离散域永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数：
步骤1.4、将永磁同步电机在静止坐标系下的脉冲传递函数变换到同步坐标系下为：
步骤1.5、电流采样延时和逆变器延时环节的等效传递函数有如下算法：
步骤1.6、在离散域中直接设计电流调节器，对电机能够实现完全解耦，同时避免了使用Tustin变换带来的误差。同步坐标系下调节器设计如下：
步骤1.7、从而得出系统的闭环传递函数为：
3.根据权利要求1所述的一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，其特征在于：步骤1所述的考虑一拍滞后的离散电流调节器调节器，在调节器输出端加入z/(z+K2)环节，即考虑了当前周期内V(k)对电流产生的影响，其闭环脉冲传递函数为：
式中，K1是与带宽有关的系数；K2为一拍滞后影响系数；R为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；ωe为电磁转速；TS为采样周期；z为复变量；j为虚数单位；e≈2.718。
4.根据权利要求1所述的一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，其特征在于：所述步骤3、步骤4中的离散电流调节器与SVPWM逆变器、永磁同步电机、电流检测模块连接构成闭合回路。
5.根据权利要求4所述的一种考虑一拍滞后的PMSM离散域电流调节器控制方法，其特征在于，步骤4中，电驱控制系统闭环脉冲传递函数为：
式中，K1是与带宽有关的系数；K2为一拍滞后影响系数；R为电枢绕组电阻；L为电枢绕组自感；ωe为电磁转速；TS为采样周期；z为复变量；e≈2.718。
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