CN112671299A - 一种记忆电机调磁电流精确控制方法 - Google Patents

一种记忆电机调磁电流精确控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种记忆电机调磁电流精确控制方法，包括调磁控制模块根据电机的实际角速度ωm，选择合适的磁化状态
Figure DDA0002896858630000011
输出对应的梯形波d轴调磁电流脉冲idpulse进行调磁；设计dq轴前馈电流调节器，输出dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq；设计dq轴自抗扰电流控制器，补偿dq轴扰动电压分量udd和udq；前馈补偿电压与扰动电压分量之和为dq轴参考电压
Figure DDA0002896858630000012
和
Figure DDA0002896858630000013
相比基于PI控制的记忆电机交流调磁技术，本发明提高了电流轨迹的跟踪性能，可以做到无超调地快速跟踪，进而缩短了记忆电机调磁时间，降低转矩波动。

Description

一种记忆电机调磁电流精确控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种记忆电机调磁电流精确控制方法。
背景技术
近年来，随着工业领域的快速发展，永磁同步电机(Permanent MagnetSynchronous Machine,PMSM)已经难以满足现代工业要求，各种各样的电机结构不断被提出，以满足在特殊工业场合的应用。其中，由V.Ostovic提出的记忆电机(Memory Motor,MM)得到了国内外学者的关注与认可。
记忆电机可分为直流调磁型和交流调磁型。直流调磁型记忆电机需要额外的直流励磁绕组和H桥驱动器，结构复杂，成本较高，直流励磁绕组利用率低；交流调磁型记忆电机只需要在d轴注入电流脉冲，以调节永磁体的磁化状态，结构简单，但对电流控制器和逆变器的要求较高。
目前，记忆电机交流调磁主要采用PI控制，其优点在于不需要被控对象的精确模型，便可以对系统进行较好的控制。但记忆电机交流调磁对控制系统的跟踪性能、控制量超调和调节速度有严格的要求，采用传统的PI控制显然无法满足。有学者提出了基于前馈补偿PI控制的记忆电机交流调磁控制方法，虽然改善了控制系统的跟踪性能，加快了磁化状态的调节速度，但其需要对一些补偿量进行查表，需要庞大的仿真数据；同时，当记忆电机参数或转速变化时，需要调整PI参数，防止电流超调、无法跟踪给定等情况。增加了控制系统的复杂性，不利于记忆电机的稳定运行。
发明内容
发明目的：本发明针对基于PI电流控制器的记忆电机交流调磁控制方法存在跟踪速度较慢、调磁电流超调以及参数整定复杂等问题，提供了一种记忆电机调磁电流精确控制方法。
技术方案：一种记忆电机调磁电流精确控制方法，包括如下步骤：
S1、调磁控制模块根据电机的实际角速度ωm，选择合适的磁化状态
Figure BDA0002896858610000024
输出对应的梯形波d轴调磁电流脉冲idpulse进行调磁；
S2、设计dq轴前馈电流调节器，输出dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq；
S3、设计dq轴自抗扰电流控制器，补偿dq轴扰动电压分量udd和udq；
S4、结合S2和S3中的电压分量，最终得到dq轴参考电压：
Figure BDA0002896858610000021
进一步地，所述步骤S2中，前馈补偿电压分量ufd和ufq的获取包括以下步骤：
S2.11、离线测得电机绕组相电阻R，不考虑饱和效应的dq轴静态电感Ld和Lq，测量当前dq轴电流id和iq，当前旋转电角速度ωe；
S2.12、记忆电机的dq轴电压方程为：
Figure BDA0002896858610000022
式中，ψad＝Ld(id,iq)id，ψaq＝Lq(id,iq)iq，ψad和ψaq分别为d、q轴电枢磁链，Ld(id,iq)和Lq(id,iq)分别为考虑交叉饱和效应的dq轴静态电感；
S2.13、调磁瞬间的ψPM(id)随id变化，假设施加调磁电流idpulse前后的永磁磁链分别为ψPM1和ψPM2，ψPM(id)可以近似用一次函数ψPM_e(id)来表示
Figure BDA0002896858610000023
式中，kψPM＝(ψPM2-ψPM1)/Tpulse，Tpulse为脉冲调磁上升时间；
相应地，磁链变化率
Figure BDA0002896858610000031
表示如下：
Figure BDA0002896858610000032
S2.14、dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq可以表示为：
Figure BDA0002896858610000033
进一步地，所述步骤S3中，自抗扰电流控制器设计的具体方法为：
S3.11、电压方程(2)进一步表示为：
Figure BDA0002896858610000034
式中，ld(id,iq)、lq(id,iq)分别为dq轴动态电感，ldq(id,iq)、lqd(id,iq)为dq轴动态交叉电感；
S3.12、结合式(5)和(6)化简得到dq轴扰动电压分量udd和udq：
Figure BDA0002896858610000035
式中，ΔLd＝ld(id,iq)-Ld，ΔLq＝lq(id,iq)-Lq，ΔψPM＝ψPM(id)-ψPM_e(id)，
Figure BDA0002896858610000036
S3.13、根据式(7)设计dq轴自抗扰电流控制器ADRC_d和ADRC_q，选取状态变量
Figure BDA0002896858610000037
Figure BDA0002896858610000038
输出变量
Figure BDA0002896858610000041
并令
Figure BDA0002896858610000042
构建扩张状态观测器：
Figure BDA0002896858610000043
其中，fd、fq分别为dq轴扰动分量，β1、β2为观测器误差反馈增益。
有益效果：
1、本发明方法可以提供一个更好的跟踪性能和响应速度，有效的降低了调磁损耗和转矩波动，提高了电机运行效率；
2、本发明方法对电机参数不敏感，当电机参数发生变化时，不需要改变控制系统的参数，仍然有较好的跟踪性能，有利于记忆电机运行的稳定性；
3、本发明方法不需要对补偿电压进行多次查表，通过扩张状态观测器可以直接对给定电压进行补偿，大大降低了控制系统的复杂性。
附图说明
图1是本发明的框图；
图2是本发明的d轴自抗扰电流调节器ADRC_d和前馈电流调节器框图；
图3是本发明的q轴自抗扰电流调节器ADRC_q和前馈电流调节器框图；
图4是本发明的d轴调磁电流跟踪效果与传统PI跟踪效果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式中公开了一种记忆电机调磁电流精确控制方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
S1、调磁控制模块根据电机的实际转速ωm，选择合适的磁化状态
Figure BDA0002896858610000044
输出对应的梯形波d轴调磁电流脉冲idpulse进行调磁；
S2、设计dq轴前馈电流调节器，输出dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq；
dq轴前馈电流调节器具体结构见图2和图3，其中扩张状态观测器ESO根据实际电流和调节器输出量，得到电流和扰动的观测值，反馈到前向通道。电流参考值与观测值的差值经过PI调节器得到输出量u，减去扰动观测值后，乘以增益系数，得到自抗扰电流调节器的输出量。
ufd和ufq的获取具体包括如下步骤：
S2.11、离线测得电机绕组相电阻R，不考虑饱和效应的dq轴静态电感Ld和Lq，测量当前dq轴电流id和iq，当前旋转电角速度ωe；
S2.12、记忆电机的dq轴电压方程为：
Figure BDA0002896858610000051
式中，ψad＝Ld(id,iq)id，ψaq＝Lq(id,iq)iq，ψad和ψaq分别为d、q轴电枢磁链，Ld(id,iq)和Lq(id,iq)分别为考虑交叉饱和效应的dq轴静态电感；
S2.13、调磁瞬间的ψPM(id)随id变化，假设施加调磁电流idpulse前后的永磁磁链分别为ψPM1和ψPM2，ψPM(id)可以近似用一次函数ψPM_e(id)来表示
Figure BDA0002896858610000052
式中，
Figure BDA0002896858610000053
Tpulse为脉冲调磁上升时间；
相应地，磁链变化率
Figure BDA0002896858610000054
表示如下：
Figure BDA0002896858610000055
S2.14、dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq可以表示为：
Figure BDA0002896858610000061
S3、设计dq轴自抗扰电流控制器，补偿dq轴扰动电压分量udd和udq；
该电流调节器结构如图2和3所示，udd和udq的获取主要包括具体步骤如下：
S3.11、电压方程(1)可以进一步表示为：
Figure BDA0002896858610000062
式中，ld(id,iq)、lq(id,iq)分别为dq轴动态电感，ldq(id,iq)、lqd(id,iq)为dq轴动态交叉电感；
S3.12、结合式(4)和(5)化简得到dq轴扰动电压udd和udq：
Figure BDA0002896858610000063
式中，ΔLd＝ld(id,iq)-Ld，ΔLq＝lq(id,iq)-Lq，ΔψPM＝ψPM(id)-ψPM_e(id)，
Figure BDA0002896858610000064
S3.13、根据式(6)设计dq轴自抗扰电流控制器ADRC_d和ADRC_q，选取状态变量
Figure BDA0002896858610000065
Figure BDA0002896858610000066
输出变量
Figure BDA0002896858610000071
并令
Figure BDA0002896858610000072
构建扩张状态观测器(Extended StateObserver,ESO)：
Figure BDA0002896858610000073
其中，fd、fq分别为dq轴扰动分量，β1、β2为观测器误差反馈增益；该观测器的输入为电流以及ADRC的输出量，经过观测器，输出电流的估计值以及扰动的估计值；
观测器误差反馈增益β1和β2可设置为：β1＝[2ωd0 2ωq0]，
Figure BDA0002896858610000074
ωd0和ωq0分别为d、q轴扩张状态观测器带宽，增大ωd0和ωq0，扩张状态观测器的响应速度加快，高频带宽增益变大，系统抗噪能力变差，ωd0和ωq0需要结合仿真与实验合理选取；
控制系统的前向通道如图2和3中所示，采用PI控制器，控制函数设计为：
Figure BDA0002896858610000075
式中，Kpd、Kid分别为d轴PI调节器的比例和积分增益参数，Kpq、Kiq分别为q轴PI调节器的比例和积分增益参数，u1、u2分别为dq轴ADRC前向通道输出。S4、结合S2和S3中的电压分量，最终得到dq轴参考电压
Figure BDA0002896858610000076
图4左边三张波形图为PI调节器下的调磁电流波形，当施加+10A调磁电流时，跟踪效果很好，然而在相同的PI参数下，当施加-15A、+35A调磁电流时，跟踪效果不好；图4右边三张波形图为ADRC结合前馈电流调节器的调磁电流波形，可见三种条件下跟踪效果都较好，可以成功完成调磁。

Claims (3)

1.一种记忆电机调磁电流精确控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调磁控制模块根据电机的实际角速度ωm，选择合适的磁化状态
Figure FDA0002896858600000011
输出对应的梯形波d轴调磁电流脉冲idpulse进行调磁；
S2、设计dq轴前馈电流调节器，输出dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq；
S3、设计dq轴自抗扰电流控制器，补偿dq轴扰动电压分量udd和udq；
S4、结合S2和S3中的电压分量，最终得到dq轴参考电压：
Figure FDA0002896858600000012
2.根据权利要求1所述的一种记忆电机调磁电流精确控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，前馈补偿电压分量ufd和ufq的获取包括以下步骤：
S2.11、离线测得电机绕组相电阻R，不考虑饱和效应的dq轴静态电感Ld和Lq，测量当前dq轴电流id和iq，当前旋转电角速度ωe；
S2.12、记忆电机的dq轴电压方程为：
Figure FDA0002896858600000013
式中，ψad＝Ld(id,iq)id，ψaq＝Lq(id,iq)iq，ψad和ψaq分别为d、q轴电枢磁链，Ld(id,iq)和Lq(id,iq)分别为考虑交叉饱和效应的dq轴静态电感；
S2.13、调磁瞬间的ψPM(id)随id变化，假设施加调磁电流idpulse前后的永磁磁链分别为ψPM1和ψPM2，ψPM(id)可以近似用一次函数ψPM_e(id)来表示
Figure FDA0002896858600000014
式中，
Figure FDA0002896858600000015
Tpulse为脉冲调磁上升时间；
相应地，磁链变化率
Figure FDA0002896858600000021
表示如下：
Figure FDA0002896858600000022
S2.14、dq轴前馈补偿电压分量ufd和ufq可以表示为：
Figure FDA0002896858600000023
3.根据权利要求2所述的一种记忆电机调磁电流精确控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，自抗扰电流控制器设计的具体方法为：
S3.11、电压方程(2)进一步表示为：
Figure FDA0002896858600000024
式中，ld(id,iq)、lq(id,iq)分别为dq轴动态电感，ldq(id,iq)、lqd(id,iq)为dq轴动态交叉电感；
S3.12、结合式(5)和(6)化简得到dq轴扰动电压分量udd和udq：
Figure FDA0002896858600000025
式中，ΔLd＝ld(id,iq)-Ld，ΔLq＝lq(id,iq)-Lq，ΔψPM＝ψPM(id)-ψPM_e(id)，
Figure FDA0002896858600000026
S3.13、根据式(7)设计dq轴自抗扰电流控制器ADRC_d和ADRC_q，选取状态变量
Figure FDA0002896858600000031
输出变量
Figure FDA0002896858600000032
并令
Figure FDA0002896858600000033
构建扩张状态观测器：
Figure FDA0002896858600000034
其中，fd、fq分别为dq轴扰动分量，β1、β2为观测器误差反馈增益。
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