CN114884422A - 永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质 - Google Patents

永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质 Download PDF

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CN114884422A CN202210598233.0A CN202210598233A CN114884422A CN 114884422 A CN114884422 A CN 114884422A CN 202210598233 A CN202210598233 A CN 202210598233A CN 114884422 A CN114884422 A CN 114884422A
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Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质。该系统包括扩张状态观测器和重复自抗扰控制器；所述扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；所述重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，所述重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，所述主控制器用于接收所述重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。本发明对谐波扰动的抑制效果好。

Description

永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质。
背景技术
目前永磁同步电机控制系统在实际运行中会遭受一系列内在的谐波扰动影响。谐波扰动频谱丰富，来源广泛。例如，气隙磁密非正弦、齿槽效应等因素会引起反电势谐波，逆变器开关管非线性特性会导致输出电压谐波，电流采样放大电路存在直流偏置，传感器个体间频率特性存在差异，例如通道放大倍数不同、相位滞后不同等，会导致三相电流采样值不对称，在旋转坐标系下引起电流谐波。无论哪种形式的谐波扰动，最终都会作用到电机的电压方程中，造成电流谐波扰动。而电流谐波则进一步导致转矩波动，损耗增加，降低电机稳态运行性能。对于低次谐波，诸多控制器表现了优越的抗扰性能，而高次谐波其主要来源于逆变器非线性，由于控制器带宽有限，仅凭传统控制器难以抑制。
自抗扰控制是一种近些年来在永磁同步电机控制领域具备广阔应用前景的新型控制方法。永磁同步电机自抗扰控制器的谐波扰动抑制性能取决于扩张状态观测器对该类扰动的观测精度。理论上，若扩张状态观测器带宽足够高，谐波扰动总能被精确观测并补偿至控制器输出，以使系统免受该扰动影响。然而，受采样噪声和控制器时延影响，扩张状态观测器带宽存在上限。于是，当转速超过一定值后，谐波扰动频率将超出扩张状态观测器带宽，扰动估计精度大幅下降。此外，过高的带宽将导致自抗扰控制器丧失其低频段的噪声抑制能力。因此，针对永磁同步电机中的电流谐波扰动，传统自抗扰控制器无法取得较好的抑制效果。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统、方法及存储介质，对谐波扰动的抑制效果好。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，包括扩张状态观测器和重复自抗扰控制器；
所述扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；
所述重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，所述重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，所述主控制器用于接收所述重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
进一步地，所述主控制器用于将采样的上一周期的电流指令i*(k)与当前周期的电流观测值z1(k+1)相减送入比例控制器，将比例控制器的输出减去当前周期扰动观测值z2(k+1)、所述重复控制器的输出信号后乘以控制增益得到电机电压控制指令。
进一步地，所述重复自抗扰控制器的控制率为：
Figure BDA0003668937780000021
式中，u(k)电机电压控制指令，B为控制增益，Kp为控制环路闭环带宽，Grc(z)为所述重复控制器。
进一步地，所述重复控制器的离散表达式为：
Figure BDA0003668937780000022
式中，z-N为延迟参数，Krc为用于调整输出大小的开环增益，K为用于调整输出相位的延迟补偿系数，Q(z)为稳定系数。
进一步地，根据转速和扩张状态观测器的参数选择所述重复控制器的参数Krc、K。
进一步地，所述重复控制器的参数的计算公式为：
Figure BDA0003668937780000031
Figure BDA0003668937780000036
Figure BDA0003668937780000032
Figure BDA0003668937780000033
式中，ωd为干扰的角频率，ω0为所述扩张状态观测器的带宽，ωs为采样角频率。
进一步地，所述扩张状态观测器的表达式为：
Figure BDA0003668937780000034
Figure BDA0003668937780000035
其中，z1(k)为上一周期的电流观测值，i(k)为当前周期的电流采样值，z2(k)为包含直流扰动分量和低频扰动分量的上一周期扰动观测值，Ts为电机PWM驱动开关周期，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，u(k-1)为当前周期逆变器输出的电压，β1和β2为观测器增益参数。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法，包括：
构建扩张状态观测器，所述扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；
构建重复自抗扰控制器，所述重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，所述重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，所述主控制器用于接收所述重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种存储介质，其存储有可由处理器执行的计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)针对永磁同步电机传统电流自抗扰控制器的不足之处进行改进，利用dq轴电流高次谐波主要为6k(k为正整数)次的特性，提出了一种可有效抑制电流高次谐波扰动的重复自抗扰控制器，重复自抗扰控制器具备和传统自抗扰控制相同的指令跟踪性能，而对谐波扰动的抑制效果却有显著提高。
(2)相比传统重复控制器的经验调参方法，还提出了重复控制器的参数选取方法，利用频域进行参数选取，节省了时间，并且可以保证谐波的抑制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的永磁同步电机控制系统的结构框图；
图2是本发明实施例的永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法的实施流程图；
图3是传统扩张状态观测器扰动观测能力的伯德图；
图4是传统扩张状态观测器对于噪声敏感度的伯德图；
图5是本发明实施例的重复观测器选频能力的伯德图；
图6是本发明实施例的观测电流误差对于噪声敏感度的伯德图；
图7为本发明实施例的电机控制系统传递函数；
图8为本发明实施例的干扰至控制误差的传递函数伯德图；
图9为本发明实施例的电机轻载运行时，重复自抗扰控制策略dq轴电流频谱分析图。
图10为本发明实施例的电机采用传统控制方法和改进控制方法对同一电流指令的跟踪性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。
如图1所示，本发明实施例的一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，包括扩张状态观测器和重复自抗扰控制器。图中，PI表示比例积分调节器，SVPWM表示电压空间矢量脉宽调制，SPMSM表示永磁同步电机。
扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)。
重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，主控制器用于接收重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
下面具体说明扩张状态观测器的实现。
步骤1，根据d、q坐标系下永磁同步电机的数学模型，建立以d、q轴电流为状态变量的电流状态方程。
上述d、q坐标系是分析同步电机运行常见的坐标系。具体是将定子的a、b、c三相电流投影到随着转子旋转的直轴(d轴)，交轴(q轴)与垂直于dq平面的零轴(0轴)上去。
Figure BDA0003668937780000061
其中
i＝[id iq]T，u＝[ud uq]T，C＝[0-ψfωe]T
Figure BDA0003668937780000062
其中，id为同步坐标系下的d轴电流分量，iq为同步坐标系下的q轴电流分量，ud为同步坐标系下的d轴电压分量，ug为同步坐标系下的q轴电压分量，Rs表示定子电阻，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，ψf表示永磁体磁链，ωe为转子转速。
由于SVPWM开关控制周期的周期延迟性，当前周期生成的参考信号在下个周期才会更新至PWM输出，将其表示在离散域如下：
i(k+1)＝i(k)+Ts(A(k)i(k)+Bu(k-1)+BC(k))
其中，i(k+1)表示下一周期的电流理论值，i(k)表示当前周期电流采样值，A(k)表示当前周期的A值，u(k-1)表示当前周期逆变器输出的电压，C(k)表示当前周期的C值，Ts为PWM更新周期。将其化为一阶积分形式如下：
i(k+1)＝i(k)+TsBu(k-1)+Tsf(k)
其中f(k)＝A(k)i(k)+BC(k)。f(k)作为电机控制系统中的总干扰，包含了已知干扰和未知干扰，其中已知干扰包含了本专利要消除的由逆变器死区和永磁体磁链谐波引起的6k(k为正整数)次谐波。
步骤2，建立离散扩张状态观测器，具体的：
首先将电压方程转化为状态空间形式：
Figure BDA0003668937780000071
其中，f(k+1)表示当前周期的直流及低频扰动观测值，h(k)表示上一周期的直流及低频扰动观测值的导数。
在离散域建立扩张状态观测器：
Figure BDA0003668937780000072
其中，z1(k)为上一周期的电流观测输出；z1(k+1)为当前周期的电流观测输出；
e1(k)为当前周期的电流采样值i(k)与上一周期的电流观测输出z1(k)误差；
z2(k)为上一周期的直流及低频扰动输出；z2(k+1)为当前周期的直流及低频扰动输出；
u(k-1)为当前周期逆变器输出的电压，u(k-1)为上一周期计算出来的，但是此处强调是本周期逆变器输出的，逆变器的输出会有一个周期的延迟。
β1和β2为观测器增益参数；
观测器增益参数β1与β2采用带宽法进行整定，定义观测器带宽为ωo。
Figure BDA0003668937780000075
可推导干扰估计的传递函数
Figure BDA0003668937780000073
其bode图如图3所示，可以看出随着带宽增加，干扰估计能力增加。但是考虑到噪声对于观测器的影响，电流观测输出的估计值对于噪声的敏感性传递函数如下：
Figure BDA0003668937780000074
其bode图如图4所示，可以看出随着带宽增加，估计值对于高频噪声敏感性增加，这在控制系统中会直接影响系统的稳定性，因此带宽不能无限制增长。所以扩张状态观测器对于干扰的估计有能力上限，而开关管控制引起的高次谐波一般都会超出带宽范围，因此需要特殊的补偿方式。
下面具体说明重复自抗扰控制器的实现。
建立重复控制器，其离散表达式如下
Figure BDA0003668937780000081
其中z-N为延迟参数，z-1为单位延迟算子，Krc为用于调整输出大小的开环增益，Q(z)为稳定系数，一般设计为0.95，N＝fs/fdbase，fs是PWM的开关频率，fdbase为6次谐波干扰的频率。为方便说明，本处取fs＝10kHzfdbase＝100Hz。因此N＝100。K是用于调整输出相位的延迟补偿系数，通过调整K可以调整输出的相位。离散重复控制器bode图如图5所示，可以看出离散重复控制器对选定频率及其整数倍次频率均具有很高的增益，且有0相移的特性，也意味着其有很强的选频能力，但是其对于低频段的增益是重复控制器使用时需要规避的问题，一般可使用直流偏置检测，再反馈至输入减去直流偏置。
重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器。主控制器用于将采样的当前周期的电流指令i*(k)与当前周期的电流观测值z1(k+1)相减送入比例控制器，将比例控制器的输出减去当前周期扰动观测值z2(k+1)、重复控制器的输出信号后乘以控制增益得到电机电压控制指令。
重复自抗扰控制器的控制率为：
Figure BDA0003668937780000082
式中，u(k)电机电压控制指令，B为控制增益，Kp为控制环路闭环带宽，Grc(z)为所述重复控制器。
考察e1对噪声的敏感度，其传递函数如下：
Figure BDA0003668937780000083
其bode图如图6所示，可以看出e1可以抑制低频的噪声，这样构造控制律可以省去重复控制器的直流偏置部分。
将系统化为传递函数形式如图7所示，其中各部分表达式如下：
Figure BDA0003668937780000084
Figure BDA0003668937780000091
在控制系统中，追求完美的6k次干扰补偿，其补偿方程形式如下：
(e1Grc(z)+z2)z-1＝f
重复控制器作为一种内模原理的控制器，可以复现选定频率的信号，因此常用作附加控制器与主控制器结合抑制谐波扰动。但是重复控制器参数整定一直是限制其应用范围的难题，并且由于其对直流较为敏感的特性常常还需要附加一个支流反馈在重复控制器的结构上，进一步增加了控制器的复杂度。
由于在离散域中选择参数较为复杂，因此通常重复控制器都以经验参数选择。本专利提出一种选择参数模块，利用频域进行选取，根据转速和扩张状态观测器的参数选择重复控制器的参数Krc、K。
首先可以推导出e1与z2对干扰的频域传递函数如下：
Figure BDA0003668937780000092
式中，s为拉普拉斯算子。
其幅频响应可分别表示为如下二式：
Figure BDA0003668937780000093
根据重复控制器的特性，其可以等效为一个增益为20的延迟环节，因此补偿方程可以简化为下式：
Figure BDA0003668937780000094
因此可以分别对相位和幅值求解，可得出如下参数选择方法：
Figure BDA0003668937780000101
Figure BDA0003668937780000106
Figure BDA0003668937780000102
Figure BDA0003668937780000103
式中，ωd为干扰的角频率，ω0为所述扩张状态观测器的带宽，ωs为采样角频率。
以6次谐波为100Hz为例进行参数选择，如表1：
表1
Figure BDA0003668937780000104
其谐波抑制能力可以由干扰至系统控制误差的传递函数表示：
Figure BDA0003668937780000105
其bode图如图8所示，由此可以证明，本结构在抑制低频干扰的同时，还可以抑制选定频率及其整数倍次谐波。
本发明实施例的一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法，包括：
构建扩张状态观测器，扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；
构建重复自抗扰控制器，重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，主控制器用于接收重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
方法的实现原理和上述系统相同，此处不再赘述。
本申请还提供一种存储介质，其存储有可由处理器执行的计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述任一项上述永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，包括扩张状态观测器和重复自抗扰控制器；
所述扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；
所述重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，所述重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，所述主控制器用于接收所述重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，所述主控制器用于将采样的当前周期的电流指令i*(k)与当前周期的电流观测值z1(k+1)相减送入比例控制器，将比例控制器的输出减去当前周期扰动观测值z2(k+1)、所述重复控制器的输出信号后乘以控制增益得到电机电压控制指令。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，所述重复自抗扰控制器的控制率为：
Figure FDA0003668937770000011
式中，u(k)电机电压控制指令，B为控制增益，Kp为控制环路闭环带宽，Grc(z)为所述重复控制器。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，所述重复控制器的离散表达式为：
Figure FDA0003668937770000012
式中，z-N为延迟参数，Krc为用于调整输出大小的开环增益，K为用于调整输出相位的延迟补偿系数，Q(z)为稳定系数。
5.如权利要求4所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，根据转速和扩张状态观测器的参数选择所述重复控制器的参数Krc、K。
6.如权利要求1所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，所述重复控制器的参数的计算公式为：
Figure FDA0003668937770000021
Figure FDA0003668937770000022
Figure FDA0003668937770000023
Figure FDA0003668937770000024
式中，wd为干扰的角频率，w0为所述扩张状态观测器的带宽，ws为采样角频率。
7.如权利要求1所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器的表达式为：
Figure FDA0003668937770000025
Figure FDA0003668937770000026
其中，z1(k)为上一周期的电流观测值，i(k)为当前周期的电流采样值，z2(k)为包含直流扰动分量和低频扰动分量的上一周期扰动观测值，Ts为电机PWM驱动开关周期，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，u(k-1)为当前周期逆变器输出的电压，β1和β2为观测器增益参数。
8.一种永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法，其特征在于，包括：
构建扩张状态观测器，所述扩张状态观测器用于获取包含直流扰动分量和低频扰动分量的当前周期扰动观测值z2(k+1)、当前周期的电流观测值z1(k+1)、当前周期的电流采样值与上一周期的电流观测值的误差e1(k)；
构建重复自抗扰控制器，所述重复自抗扰控制器包括主控制器和重复控制器，所述重复控制器用于接收误差e1(k)，并基于内模原理复现选定频率的信号，所述主控制器用于接收所述重复控制器的输出信号、当前周期扰动观测值z2(k+1)和当前周期的电流观测值z1(k+1)，并输出电机控制指令。
9.如权利要求8所述的永磁同步电机电流谐波扰动抑制方法，其特征在于，所述主控制器用于将采样的当前周期的电流指令i*(k)与当前周期的电流观测值z1(k+1)相减送入比例控制器，将比例控制器的输出减去当前周期扰动观测值z2(k+1)、所述重复控制器的输出信号后乘以控制增益得到电机电压控制指令。
10.一种存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行权利要求8至9任一项所述方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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