CN114070147B - 一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法 - Google Patents

一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，所述方法实现包括：d轴电流控制器ACR、q轴电流控制器RADRC、Park逆变换单元、PWM单元、电压源逆变桥、三相电机、Clark变换单元、Park变换单元。通过在传统ESO的扰动估计回路中增加并联谐振环节，构建新型谐振扩张状态观测器RESO，并应用新型RESO构成谐振自抗扰RADRC电流环，以新型RESO中的ESO抑制直流扰动，以干扰估计环路引入的谐振环节跟踪谐波扰动，从而使RADRC具有更强的电流谐波扰动估计和抑制能力，同时又具备面向电机参数摄动的强鲁棒性。该方法的实施只涉及软件，无需添加或改动控制系统任何硬件，不增加系统的体积与成本。

Description

一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法
技术领域
本发明涉及一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，属于电机控制领域。
背景技术
电机广泛应用于电动汽车、轨道牵引、航空航天和风力发电等领域。电机运行时，逆变器死区效应、电机磁链谐波、齿槽转矩以及电流检测误差等因素，造成相电流中存在谐波成分，增加电机损耗，恶化转矩脉动，严重降低系统性能。常规电流谐波抑制方法依赖电机参数，电流谐波抑制效果不可避免地会受到电机参数扰动因素的影响。因此，提高电机参数时变下的谐波抑制效果以提高电机系统性能极为重要。
目前已有多种控制策略研究电流谐波抑制，但存在不同程度的问题，不能同时满足强鲁棒性和低电流谐波需求。例如：“Dead-time compensation based on a modifiedmultiple complex coefficient filter for permanent magnet synchronous machinedrives”(见《IEEE Transactions on Power Electronics》，2021)提出了自适应滤波器电压补偿方法抑制电流谐波，利用滤波器从d轴和q轴电流中获取6次谐波序列信息，并由电压方程直接计算出死区效应补偿电压，但是，这种基于电压计算的死区效应补偿方法并不适用于死区以外因素导致的电流谐波抑制。“Selective current harmonic suppressionfor high-speed PMSM based on high-precision harmonic detection method”(见《IEEE Transactions on Industrial Informatics》，2019)利用多重同步旋转坐标变换获得含有谐波分量的d轴和q轴电流，通过闭环检测系统提取电流谐波，基于包含谐波的电机模型计算出补偿电压值，并分别注入到d轴和q轴电流控制器的输出端，然而，该方法的谐波抑制效果较大程度地依赖于电机模型的准确度。“Combined resonant controller andtwo-degree-of-freedom PID controller for PMSLM current harmonics suppression”(见《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2018)应用典型的比例积分谐振控制器，通过谐振频率处无限增益特性实现电流谐波抑制，但是由于PI参数设计需要精确的电机参数，而电机参数在电机运行中又会有较大变化，因此，该方法的电流谐波抑制效果不可避免地会受到电机参数扰动的影响。“From PID to active disturbance rejectioncontrol”(见《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2009)提出自抗扰控制器(ADRC)依靠扩张状态观测器(ESO)观测系统扰动，由此能够有效估计并补偿系统扰动且不依赖电机模型，可以抑制电机参数变化等不确定扰动对系统性能的影响，但该方法并未体现出在电流谐波抑制中的适用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，通过在传统ESO的扰动估计回路中增加并联谐振环节，构建新型谐振扩张状态观测器RESO，并应用新型RESO构成谐振自抗扰RADRC电流环，以新型RESO中的ESO抑制直流扰动，以干扰估计环路引入的谐振环节跟踪谐波扰动，从而使RADRC具有更强的电流谐波扰动估计和抑制能力，同时又具备面向电机参数摄动的强鲁棒性。
为了实现上述强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，本发明采用图1所示的系统来实现，包括：d轴电流控制器ACR、q轴电流控制器RADRC、Park逆变换单元、PWM单元、电压源逆变桥、三相电机、Clark变换单元、Park变换单元；其中：d轴电流控制器ACR的输出电压ud和q轴电流控制器RADRC的输出电压uq送到Park逆变换单元；PWM单元的输入为Park逆变换单元的输出uα、uβ，其输出信号PWM1-PWM6作为电压源逆变桥的输入；电压源逆变桥输出连接三相电机；Clark变换单元的输入为三相电机的相电流ia、ib、ic，输出iα、iβ作为Park变换单元的输入；Park变换单元的输出电流id、iq，分别作为ACR和RADRC的反馈输入信号；idref、iqref分别作为ACR和RADRC的给定输入信号。
谐振自抗扰控制器RADRC包含：TD、SEF、1/b0、b0、RESO。
谐振扩张状态观测器RESO包含：ESO和GR。
TD为跟踪微分器，其输入信号为iqref，输出信号为v1。
b0为补偿因子单元，其输入是uq，其输出是b0uq。
ESO为扩张状态观测器，其输入为iq和b0uq；其输出分别是x1和x2，x1是iq的估计值，x2是系统扰动的估计值。
ESO内有两条支路：一条为iq估计回路，输出为x1；一条为扰动估计回路，输出为x2；两条支路的输入均为(iq-x1)；iq估计回路，积分环节(1/s)的输入为(iq-x1)β1、b0uq和x2三者之和，其输出为x1；扰动估计回路，积分环节(1/s)的输入为(iq-x1)β2，其输出为x2。
SEF为状态误差反馈控制率，其输入为(v1-x1)，输出为中间控制量u0。
1/b0为补偿因子倒数单元，其输入是(u0-x2)，其输出是uq。
GR为谐振控制器，并联在ESO的扰动估计回路中的积分环节(1/s)两端，其输入为(iq-x1)β2，其输出与扰动估计回路中积分环节(1/s)的输出叠加后作为系统扰动的估计值x2。
TD表达形式为r为跟踪速度因子，f函数可以是线性或非线性。
SEF表达形式为u0＝α1f(v1-x1)，α1为SEF的增益系数。
1/b0输入输出表达式为uq＝(u0-x2)/b0，b0＝1/Ls，Ls为电机电感值。
ESO中，iq估计回路满足关系为扰动估计回路满足关系为β1和β2为线性或非线性误差增益函数。
GR的表达形式为：或/>或Kr、Kpr和Kir为谐振系数，/>Rs为电机电阻值，ωr为谐振频率，ωb为谐振带宽。
谐振带宽ωb过小则可能导致系统不稳定，谐振带宽ωb确定原则应该在保证系统稳定的前提下尽可能取较小值以提高谐波抑制效果，取值下限的选取原则为Δn为电机转速波动范围，p为极对数。
谐振系数Kr和Kir太大会导致系统不稳定，谐振系数Kr和Kir确定原则应该在保证系统稳定的前提下尽可能取较大值以提高谐波抑制效果，即取值上限应保证q轴电流环系统的相位裕度≥45°。
谐振频率ωr取为需要抑制的q轴6倍基频电流谐波频率。
与现有技术相比，本发明的优点是既具有更强的电流谐波抑制能力，又具有电机参数变化下控制系统的强鲁棒性。同时，该方法的实施只涉及软件，无需添加或改动控制系统任何硬件，因此，不增加系统的体积与成本。
附图说明
图1为强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法系统框图
具体实施方式
本发明提供一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，能够满足电机谐波抑制和参数鲁棒性的需求，具体实施方式如下：
图1所示强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法系统框图。d轴电流控制器ACR(1)、q轴电流控制器RADRC(2)、Park逆变换单元(3)、PWM单元(4)、电压源逆变桥(5)、三相电机(6)、Clark变换单元(7)、Park变换单元(8)。
谐振自抗扰控制器RADRC(2)包含：TD(2-1)、SEF(2-2)、1/b0(2-3)、b0(2-4)、RESO(2-5)；
谐振扩张状态观测器RESO(2-5)包含：ESO(2-5-1)和GR(2-5-2)；
d轴电流控制器ACR(1)的输出电压ud和q轴电流控制器RADRC(2)的输出电压uq送到Park逆变换单元(3)；PWM单元(4)的输入为Park逆变换单元(3)的输出uα、uβ，其输出信号PWM1-PWM6作为电压源逆变桥(5)的输入；电压源逆变桥(5)输出连接三相电机(6)；Clark变换单元(7)的输入为三相电机(6)的相电流ia、ib、ic，输出iα、iβ作为Park变换单元(8)的输入；Park变换单元(8)的输出电流id、iq，分别作为ACR(1)和RADRC(2)的反馈输入信号；idref、iqref分别作为ACR(1)和RADRC(2)的给定输入信号。
所述TD(2-1)为跟踪微分器，其输入信号为iqref，输出信号为v1；
所述b0(2-4)为补偿因子单元，其输入是uq，其输出是b0uq；
所述ESO(2-5-1)为扩张状态观测器，其输入为iq和b0uq；其输出分别是x1和x2，x1是iq的估计值，x2是系统扰动的估计值；
所述ESO(2-5-1)内有两条支路：一条为iq估计回路，输出为x1；一条为扰动估计回路，输出为x2；两条支路的输入均为(iq-x1)；所述iq估计回路，积分环节(1/s)的输入为(iq-x1)β1、b0uq和x2三者之和，其输出为x1；所述扰动估计回路，积分环节(1/s)的输入为(iq-x1)β2，其输出为x2；
所述SEF(2-2)为状态误差反馈控制率，其输入为(v1-x1)，输出为中间控制量u0；
所述1/b0(2-3)为补偿因子倒数单元，其输入是(u0-x2)，其输出是uq；
所述GR(2-5-2)为谐振控制器，并联在ESO(2-5-1)的扰动估计回路中的积分环节(1/s)两端，其输入为(iq-x1)β2，其输出与扰动估计回路中积分环节(1/s)的输出叠加后作为系统扰动的估计值x2；
所述TD(2-1)表达形式为r为跟踪速度因子，f函数可以是线性或非线性；
所述SEF(2-2)表达形式为u0＝α1f(v1-x1)，α1为SEF(2-2)的增益系数；
所述1/b0(2-3)输入输出表达式为uq＝(u0-x2)/b0，b0＝1/Ls，Ls为电机电感值；
所述ESO(2-5-1)中，iq估计回路满足关系为扰动估计回路满足关系为/>β1和β2为线性或非线性误差增益函数；
所述GR(2-5-2)的表达形式为：或/>或Kr、Kpr和Kir为谐振系数，/>Rs为电机电阻值，ωr为谐振频率，ωb为谐振带宽；
所述谐振带宽ωb过小则可能导致系统不稳定，谐振带宽ωb确定原则应该在保证系统稳定的前提下尽可能取较小值以提高谐波抑制效果，取值下限的选取原则为Δn为电机转速波动范围，p为极对数；
所述谐振系数Kr和Kir太大会导致系统不稳定，谐振系数Kr和Kir确定原则应该在保证系统稳定的前提下尽可能取较大值以提高谐波抑制效果，取值上限应保证q轴电流环系统的相位裕度≥45°；
所述谐振控制器GR(2-5-2)中的谐振频率ωr取为需要抑制的q轴6倍基频电流谐波频率。

Claims (2)

1.一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，其特征在于：所述方法的电机控制系统包括：d轴电流控制器ACR(1)、q轴电流控制器RADRC(2)、Park逆变换单元(3)、PWM单元(4)、电压源逆变桥(5)、三相电机(6)、Clark变换单元(7)、Park变换单元(8)；
其中：d轴电流控制器ACR(1)的输出电压ud和q轴电流控制器RADRC(2)的输出电压uq送到Park逆变换单元(3)；PWM单元(4)的输入为Park逆变换单元(3)的输出uα、uβ，其输出信号PWM1-PWM6作为电压源逆变桥(5)的输入；电压源逆变桥(5)输出连接三相电机(6)；Clark变换单元(7)的输入为三相电机(6)的相电流ia、ib、ic，输出iα、iβ作为Park变换单元(8)的输入；Park变换单元(8)的输出电流id、iq，分别作为ACR(1)和RADRC(2)的反馈输入信号；idref、iqref分别作为ACR(1)和RADRC(2)的给定输入信号；
q轴电流控制器RADRC(2)包含：TD(2-1)、SEF(2-2)、1/b0(2-3)、b0(2-4)、RESO(2-5)；
谐振扩张状态观测器RESO(2-5)包含：ESO(2-5-1)和GR(2-5-2)；
所述TD(2-1)为跟踪微分器，其输入信号为iqref，输出信号为v1；
所述b0(2-4)为补偿因子单元，其输入是uq，其输出是b0uq；
所述ESO(2-5-1)为扩张状态观测器，其输入为iq和b0uq；其输出分别是x1和x2，x1是iq的估计值，x2是系统扰动的估计值；
所述ESO(2-5-1)内有两条支路：一条为iq估计回路，输出为x1；一条为扰动估计回路，输出为x2；两条支路的输入均为(iq-x1)；所述iq估计回路，积分环节1/s的输入为(iq-x1)β1、b0uq和x2三者之和，其输出为x1；所述扰动估计回路，积分环节1/s的输入为(iq-x1)β2，其输出为x2；
所述SEF(2-2)为状态误差反馈控制率，其输入为(v1-x1)，输出为中间控制量u0；
所述1/b0(2-3)为补偿因子倒数单元，其输入是(u0-x2)，其输出是uq；
所述GR(2-5-2)为谐振控制器，并联在ESO(2-5-1)的扰动估计回路中的积分环节1/s两端，其输入为(iq-x1)β2，其输出与扰动估计回路中积分环节1/s的输出叠加后作为系统扰动的估计值x2；
所述TD(2-1)表达形式为r为跟踪速度因子，f函数可以是线性或非线性；
所述SEF(2-2)表达形式为u0＝α1f(v1-x1)，α1为SEF(2-2)的增益系数；
所述1/b0(2-3)输入输出表达式为uq＝(u0-x2)/b0，b0＝1/Ls，Ls为电机电感值；
所述ESO(2-5-1)中，iq估计回路满足关系为扰动估计回路满足关系为/>β1和β2为线性或非线性误差增益函数；
所述GR(2-5-2)的表达形式为：或/>或Kr、Kpr和Kir为谐振系数，/>Rs为电机电阻值，ωr为谐振频率，ωb为谐振带宽；
所述谐振带宽ωb确定原则应该在保证系统稳定的前提下尽可能取较小值以提高谐波抑制效果，取值下限的选取原则为△n为电机转速波动范围，p为极对数；
所述谐振系数Kr和Kir取值上限应保证q轴电流环系统的相位裕度≥45°。
2.如权利要求1所述的一种强鲁棒性低电流谐波的电机控制方法，其特征在于：谐振控制器GR(2-5-2)中的谐振频率ωr取为需要抑制的q轴6倍基频电流谐波频率。
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