CN113141137B - 一种基于参数辨识的记忆电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，该方法设计了基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，结合最小二乘法，在线辨识记忆电机的永磁磁链、dq轴电感；基于辨识的电感参数，实现了记忆电机不同磁化状态下的最大转矩电流比和弱磁控制以及两种控制方法之间的切换算法，且考虑了高磁化状态下的负载退磁效应；同时根据辨识的永磁磁链设计了调磁控制模块；本发明提出的控制方法，能够针对记忆电机参数变化大的特点，通过在线辨识的方法，提高控制性能，提高运行效率。

Description

一种基于参数辨识的记忆电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种基于参数辨识的记忆电机控制方法。

背景技术

记忆电机(Memory Motor,MM)，相较于普通的永磁同步电机，其永磁磁链可变，得到了国内外学者的关注与认可。通常在低转速时施加充磁电流脉冲，使电机处于高磁化状态，提高转矩输出能力；在高速运行阶段施加去磁电流脉冲，使电机处于低磁化状态，拓宽调速范围，降低弱磁损耗。

记忆电机在不同磁化状态、负载条件下，电感参数变化较大，所以基于固定参数的最大转矩电流比(Maximum-Torque-per-Ampere，MTPA)、弱磁(Flux-Weakening，FW)等控制方法控制精度不够，降低系统效率。记忆电机负载退磁效应也会更加明显。因此，不同磁化状态，d轴电流给定值需要施加限制，防止意外退磁。

目前，记忆电机的MTPA和FW控制研究较少，一般采用查表法提前测量不同负载、不同磁化状态下的电感值，计算得到相对准确的dq轴电流，然而该种方法需要大量的实验数据，并且表格数据需要定期校正，工作量大；基于反馈的方法不需要知道电机参数，但是其动态性能差。

发明内容

发明目的：本发明针对永磁同步电机MTPA和FW控制方法应用到记忆电机中效果较差以及调磁控制等问题，提出了一种基于参数辨识的记忆电机控制方法。

技术方案：一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，包括如下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，空载dq轴静态电感L_d0、L_q0，测量记忆电机的磁化曲线，选择高、低两个磁化状态MS1和MS2，并记录MS1状态所能施加的最小d轴退磁电流值，记为I_de；

S2、设计自抗扰前馈解耦电流控制器，从q轴扰动分量u_{q_dc}中得到永磁磁链观测值

并采用最小二乘法辨识当前负载情况下的dq轴电感值

反馈至电流控制器；

S3、根据辨识的电机参数

计算得到MTPA电流轨迹和FW电流轨迹，根据切换算法选择运行在MTPA或者FW模式，输出对应的参考电流；

S4、测量MS1和MS2状态下的转矩-转速曲线，即T-N曲线，存储到控制器中，构成调磁控制模块，之后根据负载、转速、磁链确定是否调磁，施加相应的调磁电流。

进一步地，所述步骤S2中，磁链、电感参数辨识主要包括以下步骤：

S2.11、搭建基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，前馈解耦分量包括电阻压降Ri_d、Ri_q，旋转电势分量ω_eL_di_d、-ω_eL_qi_q；

S2.12、电流控制器的q轴扰动分量u_{q_dc}滤波后除以当前角速度ω_e，得到永磁磁链估计值

S2.13、采用最小二乘法，并且补偿逆变器非线性因素的影响，估计dq轴电感值

并反馈至电流控制器，补偿电感变化对永磁磁链观测的影响。

进一步地，所述步骤S3中，MTPA和FW控制主要包括如下步骤：

S3.11、MTPA控制模式下，带入辨识的dq轴电感值以及永磁磁链，计算得到dq轴电流参考值：

式中，

为MTPA模式下输出的dq轴参考电流，

为合成电流矢量幅值；

S3.12、FW控制模式下，忽略电阻压降，dq轴电流满足如下关系：

式中，u_limt为母线电压V_DC提供的最大相电压，数值为

求解(2)得到d轴电流前馈分量

dq轴电压合成矢量的幅值u^*与最大相电压u_limt之差经过积分器输出d轴电流反馈分量

得到FW控制下的d轴给定参考电流：

在高磁化状态MS1时，为防止意外退磁，d轴电流应大于退磁电流，即i_d＝max(i_d,I_de)；在低磁化状态MS2时，d轴电流的给定值无需加此限制，具体表示如下：

MS1,

MS2,

最终得到FW控制下的d轴给定参考电流；(MTPA控制下的d轴电流同样受限于该公式)；

q轴给定参考电流：

进一步地，所述步骤S3中，MTPA-FW切换算法主要包括：

在MTPA控制模式下，当

切换至FW模式；在FW控制模式下，当

时，切换至MTPA模式；

进一步地，所述步骤S4中，调磁控制模块主要包括以下步骤：

S4.11、通过辨识的参数计算当前电机电磁转矩：

式中，p为极对数；结合当前磁链和转速以及两种磁化状态的T-N曲线，判断是否需要调磁操作；在当前负载情况下，当转速升高至MS1与MS2的临界转速时，施加去磁电流，降低磁化状态，反之则施加充磁电流；

S4.12、稳态运行时，参考磁链值与磁链观测值之差为：

定义磁链阈值为ψ_TH，当参考磁链与实际磁链的差值在阈值范围内，即|Δψ_PM|＜ψ_TH，则认为电机运行在设定的磁化状态；若Δψ_PM＞ψ_TH，电机出现意外退磁现象，根据磁化曲线，重新施加充磁电流；若Δψ_PM＜-ψ_TH，电机出现意外充磁现象，根据磁化曲线，重新施加去磁电流；最终使得实际磁链跟踪参考值，维持电机的磁化状态。

有益效果：

1.本发明方法能够准确辨识不同负载下的记忆电机磁链、电感参数；

2.本发明方法利用观测得到的较为准确的参数实现MTPA控制，准确度高，进一步提高了效率；

3.本发明方法的前馈和反馈相结合的FW控制方法，具有响应快，鲁棒性强的优点，进一步提高记忆电机的转速运行范围；

4.本发明方法能够在线判断记忆电机是否发生意外充去磁现象，从而重新调节磁链至设定值。

附图说明

图1是本发明的框图；

图2是本发明的记忆电机充去磁曲线图；

图3是本发明的MTPA和FW控制方法以及切换算法结构图；

图4是本发明的两种磁化状态下的MTPA电流轨迹图；

图5是本发明的两种磁化状态下的dq轴电流与速度关系曲线图；

图6是本发明的两种磁化状态下的T-N曲线图。

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。

本发明具体实施方式中公开了一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，空载dq轴静态电感L_d0、L_q0，测量记忆电机的磁化曲线，选择高低两个磁化状态(MS1和MS2)，并记录MS1状态所能施加的最小d轴退磁电流值(负值)，记为I_de，图2为充去磁电流与磁链的变化关系曲线，I_de即为保持MS1的最小磁化电流；

S2、设计自抗扰前馈解耦电流控制器，从q轴扰动分量u_{q_dc}中得到永磁磁链观测值

并采用最小二乘法辨识当前负载情况下的dq轴电感值

反馈至电流控制器；

S3、根据辨识的电机参数

计算得到MTPA电流轨迹和FW电流轨迹，根据切换算法选择运行在MTPA或者FW模式，输出对应的参考电流；

S4、测量MS1和MS2状态下的转矩-转速(Torque-speed,T-N)曲线，存储到控制器中，构成调磁控制模块，之后根据负载、转速、磁链等确定是否调磁，施加相应的调磁电流。

步骤S2中，自抗扰前馈解耦电流控制器的设计包括以下步骤：

S2.11、基于式(1)搭建前馈解耦的自抗扰电流控制器，如下：

式中，L_d、L_q为d、q轴电感值，上标“^”表示估计值，其初始值为分别为离线测得的d、q轴电感L_d0、L_q0，

ΔR为离线测得的电阻与实际电阻的差值，u_{d_ff}、u_{q_ff}分别d、q轴前馈解耦电压分量，u_{d_dc}、u_{q_dc}分别为d、q轴扰动分量；ω_e为电角速度，ψ_PM(i_d)为可变永磁磁链；

S2.12、设计线性自抗扰电流控制器：

式中，

u_{d_ladrc}、u_{q_ladrc}分别为dq轴自抗扰控制器输出电压；令

构建扩张状态观测器如下：

式中，f_d、f_q分别为dq轴扰动分量，β₁、β₂为观测器误差反馈增益；

S2.13、电机稳态运行时，q轴电压扰动分量u_{q_dc}为：

S2.14、对u_{q_dc}进行滤波处理，即可以忽略电流波动

的影响，且电阻、电感变化较小时，永磁磁链估计值可近似为：

进一步地，所述步骤S2中，用最小二乘法辨识dq轴电感主要包括如下步骤：

S2.21、最小二乘法的通用公式表示为：

Y(k)＝Θ^TZ(k) (6)

式中，Y(k)为输出，Θ(k)为未知参数，Z(k)为信号矢量，P(k)为收敛矩阵，λ为遗忘因子，λ<1；

S2.22、考虑逆变器非线性时，dq轴电感可以用式(9)表示：

式中V_d为逆变器非线性压降，D_d、D_q为非线性压降系数，与转子位置有关；

式中，T_dead为死区时间，T_on/_off分别为晶体管开通关断时间，T_s为采样频率，V_DC为直流母线电压，V_f为晶体管压降，V_diode为续流二极管导通压降；

式中，θ为转子位置角，i_a，i_b，i_c为三相电流值，sign为符号函数；

S2.23、把式(9)改写成最小二乘法公式形式，即(6)～(8)，估计未知参数的数值；

所述步骤S3中，MTPA和FW控制结构图如图3所示，主要包括如下步骤：

S3.11、MTPA控制模式下，带入辨识的dq轴电感值以及永磁磁链，计算得到dq轴电流参考值：

式中，

为MTPA模式下输出的dq轴参考电流，

为合成电流矢量幅值；

图4(a)和(b)分别为两种磁化状态下，固定参数和实验测量的MTPA轨迹对比，可见参数变化对MTPA轨迹影响较大。图4(c)和(d)分别为两种磁化状态下，采用辨识参数和实验测量的MTPA轨迹对比，可见本发明方法与实验结果吻合，能较好地观测出电感变化。

S3.12、FW控制模式下，忽略电阻压降，dq轴电流满足如下关系：

式中，u_limt为母线电压提供的最大相电压，数值为

求解(13)得到d轴电流前馈分量

dq轴电压合成矢量的幅值u^*与最大相电压u_limt之差经过积分器输出d轴电流反馈分量

得到FW控制下的d轴给定参考电流：

在高磁化状态MS1时，为防止意外退磁，d轴电流应大于退磁电流，即i_d＝max(i_d,I_de)；在低磁化状态MS2时，d轴电流的给定值无需加此限制，具体表示如下：

MS1,

MS2,

最终得到FW控制下的d轴给定参考电流；(MTPA控制下的d轴电流同样受限于该公式)；

q轴给定参考电流：

所述步骤S3中，MTPA-FW切换算法如图3所示，主要包括如下步骤：

在MTPA控制模式下，当

切换至FW模式；在FW控制模式下，当

时，切换至MTPA模式；

图5(a)和(b)分别为两种磁化状态下，T-N曲线对应的dq轴电流。

所述步骤S4中，调磁控制模块主要包括以下步骤：

S4.11、通过辨识的参数计算当前电机电磁转矩：

式中，p为极对数；结合当前磁链和转速以及两种磁化状态的T-N曲线，判断是否需要调磁操作；如图6所示，在当前负载情况下，当转速升高至MS1与MS2的临界转速n_c时，施加去磁电流，降低磁化状态，反之则施加充磁电流；

S4.12、稳态运行时，参考磁链值与磁链观测值之差为：

定义磁链阈值为ψ_TH，当参考磁链与实际磁链的差值在阈值范围内，即|Δψ_PM|＜ψ_TH，则认为电机运行在设定的磁化状态；若Δψ_PM＞ψ_TH，电机出现意外退磁现象，根据磁化曲线，重新施加充磁电流；若Δψ_PM＜-ψ_TH，电机出现意外充磁现象，根据磁化曲线，重新施加去磁电流；最终使得实际磁链跟踪参考值，维持电机的磁化状态。

Claims (4)

1.一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，空载dq轴静态电感L_d0、L_q0，测量记忆电机的磁化曲线，选择高低两个磁化状态MS1和MS2，并记录MS1状态所能施加的最小d轴退磁电流值，记为I_de；

S2、设计自抗扰前馈解耦电流控制器，并从扰动分量中得到永磁磁链观测值

并且采用最小二乘法辨识dq轴电感值

并反馈至电流控制器；

S3、根据辨识的电机参数

计算得到MTPA电流轨迹和FW电流轨迹，根据切换算法选择运行在MTPA或者FW模式，输出对应的参考电流；

S4、测量MS1和MS2状态下的转矩-转速曲线，即T-N曲线，存储到控制器中，构成调磁控制模块，之后根据负载、转速、磁链确定是否调磁，施加相应的调磁电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，磁链、电感参数辨识主要包括以下步骤：

S2.11、搭建基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，前馈解耦分量包括电阻压降Ri_d、Ri_q，旋转电势分量ω_eL_di_d、-ω_eL_qi_q；

S2.12、电流控制器的q轴扰动分量u_{q_dc}滤波后除以当前角速度ω_e，得到永磁磁链估计值

S2.13、采用最小二乘法，并且补偿逆变器非线性因素的影响，估计dq轴电感值

并反馈至电流控制器，补偿电感变化对永磁磁链观测的影响。

3.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，其特征在于：所述步骤S3中的MTPA和FW控制方法具体包括以下步骤：

S3.11、MTPA控制模式下，带入辨识的dq轴电感值以及永磁磁链，计算得到dq轴电流参考值：

式中，

为MTPA模式下输出的dq轴参考电流，

为合成电流矢量幅值；

S3.12、FW控制模式下，忽略电阻压降，dq轴电流满足如下关系：

式中，u_limt为母线电压V_DC提供的最大相电压，数值为

求解(2)得到d轴电流前馈分量

dq轴电压合成矢量的幅值u^*与最大相电压u_limt之差经过积分器输出d轴电流反馈分量

最终得到FW控制下的dq轴给定参考电流：

在高磁化状态MS1时，为防止意外退磁，d轴电流应大于退磁电流，即i_d＝max(i_d,I_de)；在低磁化状态MS2时，d轴电流的给定值无需加此限制，具体表示如下：

最终得到FW控制下的d轴给定参考电流；MTPA控制下的d轴电流同样受限于该公式；

q轴电流给定值：

4.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识的记忆电机控制方法，其特征在于：所述步骤S4中的调磁控制模块具体包括以下步骤：

S4.11、通过辨识的参数计算当前电机电磁转矩：

式中，p为极对数；结合当前磁链和转速以及两种磁化状态的转矩-速度曲线，判断是否需要调磁操作；在当前负载情况下，当转速升高至MS1与MS2的临界转速时，施加去磁电流，降低磁化状态，反之则施加充磁电流；

S4.12、稳态运行时，参考磁链值与磁链观测值之差为：

定义磁链阈值为ψ_TH，当参考磁链与实际磁链的差值在阈值范围内，即|Δψ_PM|＜ψ_TH，则认为电机运行在设定的磁化状态；若Δψ_PM＞ψ_TH，电机出现意外退磁现象，根据磁化曲线，重新施加充磁电流；若Δψ_PM＜-ψ_TH，电机出现意外充磁现象，根据磁化曲线，重新施加去磁电流；最终使得实际磁链跟踪参考值，维持电机的磁化状态。

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