CN115913017B - 水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，所述装置包括谐振增益参数自调整装置和电流环比例积分谐振控制器；所述谐振增益参数自调整装置用于接收速度反馈值Vfb，通过内部判断计算获得当前速度下所需要的谐振增益参数值Kr，并将谐振增益参数值Kr输出至所述电流环比例积分谐振控制器；所述电流环比例积分谐振控制器用于接收电流给定量Icmd与电流反馈量Ifb的差值，以及所述谐振增益参数自调整装置输出的谐振增益参数值Kr，通过运算处理，输出电机误差补偿电压量Ucmd。本发明实现了不同速度区间的电流谐波抑制效果最优，提高了系统的环境适应性和可靠性。

Description

水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置

技术领域

本发明涉及一种电机参数调整装置，特别涉及一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，属于电机控制技术领域。

背景技术

比例积分谐振控制是水下推进电机电流谐波抑制算法中的一种常用方法，其中谐振增益值的大小是影响电流谐波抑制效果的关键因素，并且如果设计不合理还会导致整个系统不稳定，因此谐振参数的设计是至关重要的一环。常规的应用场合下，对于不同的工况，均采用固定的谐振参数，但是由于系统稳定性与转速和负载大小有关，固定的谐振参数很难满足不同工况下的要求，且大多数应用场合速度和负载调节范围不同，不同电机转速下所要求的谐振参数也不同，因此固定的谐振参数很难满足在不同速度工况时的系统稳定性要求，会造成速度出现震荡等一系列问题，严重影响了水下推进电机的电流谐波抑制效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，以实现在不同转速段下，根据控制要求，实现不同谐振增益下电流谐波抑制效果最优，这种比例积分谐振控制技术具有高可靠、低成本、动态调参数等特点。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一个方面提供了一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，其包括：

谐振增益参数自调整装置和电流环比例积分谐振控制器；

所述谐振增益参数自调整装置用于接收速度反馈值Vfb，通过内部判断计算获得当前速度下所需要的谐振增益参数值Kr，并将谐振增益参数值Kr输出至所述电流环比例积分谐振控制器；

所述电流环比例积分谐振控制器用于接收电流给定量Icmd与电流反馈量Ifb的差值，以及所述谐振增益参数自调整装置输出的谐振增益参数值Kr，通过运算处理，输出电机误差补偿电压量Ucmd。

在一个实施例中，所述电流环比例积分谐振控制器包括比例积分控制器和谐振控制器；

所述比例积分控制器用于实现对直流信号的零稳态误差跟踪；

所述谐振控制器为基于交流信号拉普拉斯变换的二阶表达式，用于实现对电流谐波交流信号的零稳态误差跟踪；

所述谐振控制器接收水下推进电机同步旋转坐标系下的误差电流Δid、Δiq，经过谐振控制器数学模型的运算处理，输出需要补偿注入的误差补偿电压量Ucmd。

在一个实施例中，所述谐振增益参数自调整装置内设有比较模块和n个具有滞环回路的子模块，每个子模块设有不同的速度范围区间以及对应输出的谐振增益参数值Kr；

所述比较模块用于判断所述速度反馈值Vfb是否落入各子模块速度范围区间内，根据判断结果得到匹配的子模块，并输出相应子模块对应的谐振增益参数值，其中，n为大于等于2的自然数。

在一个实施例中，所述谐振增益参数自调整装置内设有n个带有滞环回路的子模块A1、A2、……、An，其中，子模块Am具有速度范围区间[V2m-1、V2m]，对应的输出的谐振增益参数值为Kr_m或Kr_m+1，其中，V2m-1＜V2m，1≤m≤n，m为自然数；相邻的两个子模块中，前置子模块的速度范围区间的上限值小于等于后置子模块的速度范围区间的下限值，即V2m≤V2m+1；

所述子模块的控制过程包括：当Vfb≥V2n-1且Vfb＜V2n时，输出的谐振增益参数值为Kr_n；若Vfb继续增大，在Vfb≥V2n之前，子模块An一直保持输出谐振增益参数值Kr_n，当Vfb继续增大至Vfb≥V2n时，子模块An输出的谐振增益参数值切换为Kr_n+1，并一直保持此参数值作为输出值；当Vfb≥V2n后，Vfb开始减小，但是仍然满足Vfb≥V2n-1，子模块An依旧保持输出的谐振增益参数值为Kr_n+1，直至满足Vfb＜V2n-1，子模块An输出的谐振增益参数值切换为Kr_n。

在一个实施例中，所述谐振增益参数自调整装置包括开关S，当其中一个子模块最终输出所需的谐振增益参数值时，开关S会拨打此参数输出口，选择此谐振参数增益值，并输出到所述电流环比例积分谐振控制器。

本发明的另一个方面提供了一种水下推进电机控制系统，所述系统包括所述的水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置以及速度给定模块、电机、速度传感器、逆变单元和电流检测模块；

所述速度给定模块用于提供速度给定量Vcmd；

所述谐振增益参数自调整装置用于输出谐振增益参数值Kr至电流环比例积分谐振控制器；

所述速度传感器用于采集电机的速度反馈信号Vfb；

所述电流环比例积分谐振控制器包括比例积分控制器和谐振控制器，所述谐振增益参数自调整装置的输出量输出至所述谐振控制器，所述谐振控制器将输出的误差补偿电压量Ucmd输出至逆变单元，并输出电流至电机；

所述电流检测模块用于检测逆变单元输出的电流反馈量lfb并传送到所述谐振控制器进行运算。

与现有技术相比，本发明的优点至少包括：实现了不同速度区间的电流谐波抑制效果最优，提高了系统的环境适应性和可靠性。相比于传统的固定谐振增益的电机控制方式，其解决了针对不同的水下推进电机和应用场景存在不易调参数，调参不灵活，电流谐波抑制性能不能达到要求的问题。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中提供的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置在电机控制系统中所处的位置图；

图2是本发明一典型实施案例中提供的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置组成的控制器结构框图；

图3是比例积分谐振控制器电流环控制框图；

图4是本发明一典型实施案例中提供的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置的切换流程图；

图5是本发明一典型实施案例中提供的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置的框图；

图6是本发明一典型实施案例中提供的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置的内部框图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。本发明的目的是提供一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，以实现在不同转速段下，根据控制要求，实现不同谐振增益下电流谐波抑制效果最优，这种比例积分谐振控制技术具有高可靠、低成本、动态调参数等特点。

相比于传统的固定谐振参数的比例谐振控制方式，变谐振增益的比例积分谐振控制方式可以根据不同转速工况，动态调整谐振增益。通过在不同转速工况区间，设计优化谐振增益，它具有一系列优点：实现了不同速度区间的电流谐波抑制效果最优，提高了系统的环境适应性和可靠性。相比于传统的固定谐振增益的电机控制方式，其解决了针对不同的水下推进电机和应用场景存在不易调参数，调参不灵活，电流谐波抑制性能不能达到要求的问题。

如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明中的水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置（如下简称“谐振参数自适应装置”）包括谐振增益参数自调整装置和电流环比例积分谐振控制器（如下简称“比例积分谐振控制器”），其通过输入水下推进电机同步旋转坐标系下的误差电流，经过比例积分谐振控制器运算处理后，输出电压给定量，实现同步旋转坐标系到静止坐标系的变换。

本发明的水下推进电机控制系统功能框图如图1所示，比例积分谐振控制器接收误差电流值以及反馈速度信号，并根据当前的速度值，调节输出比例积分谐振控制器的谐振增益参数值Kr，经过比例积分谐振控制器运算处理后，比例积分谐振控制器为水下推进电机的矢量控制提供参考电压值，使其能进行坐标变换以及速度和电流的双闭环控制。

具体地，如图1所示，Vcmd为速度给定量，Vfb为当前电机速度反馈量，谐振增益参数自调整装置接收到Vfb的值，通过内部判断计算获得当前速度下所需要的比例积分谐振控制器增益的参数Kr，并将此参数输入到比例积分谐振控制器中。电流环输入参考值与反馈值的差值和由谐振增益参数自调整装置输出的谐振增益参数值Kr，在比例积分谐振控制器内部进行运算处理，并输出误差补偿电压量，该输出量为坐标变换和逆变器输入的给定量。

本发明的谐振参数自适应装置扩展为如图2所示的控制器结构。谐振增益参数自调整装置接收速度反馈值Vfb，并输出谐振增益参数Kr，比例积分谐振控制器接收电流给定量Icmd与电流反馈量Ifb的差值，以及谐振增益参数自调整装置输出的谐振增益Kr，并输出电压给定量Ucmd。

所述的比例积分谐振控制器结构功能框图可简化为如图3所示的电流环控制框图，图中的比例积分控制器用于实现对直流信号的零稳态误差跟踪。图中的谐振控制器可以是一个基于交流信号拉普拉斯变换的二阶表达式，可以实现对电流谐波交流信号的零稳态误差跟踪，其中Kr为谐振控制器的谐振增益值。谐振控制器的输入为水下推进电机同步旋转坐标系下的误差电流Δid、Δiq，内部经过谐振控制器数学模型的运算处理，其会输出需要补偿注入的误差电压分量Ucmd。通过动态调整谐振增益Kr，以实现在不同转速段下，调整补偿误差电压值，根据控制要求，实现不同谐振增益下电流谐波抑制效果最优。

本发明中谐振增益参数自调整装置实现的谐振增益参数自调整过程如图4所示，主要步骤包括：根据电机转速反馈值选择该电机转速反馈值所在的电机转速段对应的滞环切换子模块，进而根据速度变化调整当前转速对应的谐振增益参数。参数自调整装置内设有比较模块和n个具有滞环回路的子模块，每个子模块设有不同的速度范围区间以及输出的谐振控制器增益Kr，比较模块用于将反馈信号Vfb与各个子模块速度区间比较，并置入匹配的子模块，并输出相应子模块的谐振增益Kr，其中，n为大于等于2的自然数。通过设置多个滞环回路的子模块可以防止切换过程抖动，实现稳定平滑切换。

具体地，谐振增益参数自调整装置其内部有A1至A2两个滞环切换模块，每个模块对应两个速度范围，如A1模块对应V1、V2两个速度范围，且V1<V2；A2模块对应V3、V4两个速度范围，且V2<V3、V3<V4；每个模块的速度的不同范围对应不同的谐振控制器谐振增益参数，当速度反馈量进入参数自调整装置后，首先判断其在哪个速度范围内，随后获得在这个范围内的谐振增益参数，并输出到谐振控制器中。

在本发明的一实施方式中，谐振增益参数自调整装置的内部框图如图5所示，每个子模块的速度范围有速度阈值V2n-1，V2n限定，且V2n-1<V2n，所述反馈信号Vfb与子模块各速度阈值限定的速度范围相比较，并置入匹配的子模块。对于两个相邻的两个子模块，前置子模块的速度阈值上限小于等于后置子模块的速度阈值下限。所述前置和后置在本文中不限定为位置的设定，而是根据速度范围进行排序。例如A1模块中具有速度阈值V1，V2，限定（V1，V2）的速度范围，认为A2模块中具有速度阈值V3，V4，限定（V3，V4）的速度范围，若V1，V2速度小于V3，V4，则A1模块是A2模块的前置模块，A2模块为A1模块的后置模块，若后续模块中不存在介于（V1，V2）和（V3，V4）之间的速度范围，则认为A1模块是A2模块相邻的前置模块，同理，A2模块是A1模块相邻的后置模块。所述的前置子模块的速度阈值上限值等于后置子模块的速度阈值下限值，通过此方法能够得到平滑地切换。

在本发明的又一实施方式中，所述谐振增益参数自调整装置内设有A1、A2……An个带有滞环回路的子模块，每个子模块内部框图如图6所示，Am模块具有速度阈值V2m-1、V2m，即对应的输出谐振控制器增益Kr_m以及Kr_m+1，其中V2m-1<V2m且V2m≤V2m+1，其中1≤m≤n，m为自然数。例如A1模块具有速度阈值V1、V2，即对应的输出谐振控制器增益Kr_1以及Kr_2，其中V1<V2；A2模块具有速度阈值V3、V4，即对应输出谐振控制器增益Kr_2以及Kr_3，其中V3<V4且V2≤V3，以此类推，An模块具有速度阈值V2n-1、V2n，即对应输出谐振控制器增益Kr_n以及Kr_n+1，其中V2n-1<V2n且V2n-2≤V2n-1。当Vfb≥V2n-1，Vfb<V2n时，输出的谐振增益为Kr_n，若Vfb继续增大，在Vfb≥V2n之前，An模块一直保持输出的谐振增益Kr_n，当Vfb≥V2n时，An模块输出的谐振增益切换为Kr_n+1，并一直保持此参数作为输出值。当Vfb≥V2n后，Vfb开始减小，但是仍然满足Vfb≥V2n-1，An依旧保持输出的谐振增益为Kr_n+1，直至满足Vfb<V2n-1，An模块输出的谐振增益切换为Kr_n。

具体地，如模块A1所示，△V1=V2-V1，△V1为滞环回路的差值，当速度小于V1时，输出的谐振增益参数为Kr_1，随着反馈速度的增大，在反馈速度大于V2之前，A1模块一直保持输出的谐振增益参数为Kr_1，当Vfb≥V2，且Vfb<V3时，A1模块输出的谐振增益参数为Kr_2，若此时Vfb继续增加，在Vfb≥V4之前，一直保持输出的谐振增益参数为Kr_2，并在这个过程种逐渐切换到A2模块，且此时A2模块也保持输出的谐振增益参数为Kr_2。若此时Vfb开始减小，但是还是处于Vfb≥V1时，A1还是保持输出的谐振增益参数为Kr_2，当Vfb减小到Vfb<V1时，A1输出的谐振增益参数变为Kr_1。当Vfb≥V3，Vfb<V4时，且此时输出的速度环参数为Kr_2，此时已进入A2模块内部，若Vfb继续增大，在Vfb≥V4之前，A2模块一直保持输出的谐振增益参数为Kr_2，当Vfb≥V4时，A2模块输出的谐振增益参数切换为Kr_3，并一直保持以此参数作为输出量。若在Vfb≥V4后，Vfb开始减小，但是仍然处于Vfb≥V4时，那么模块依旧保持输出的谐振增益参数为Kr_3，直到当Vfb<V3时，A2输出的谐振增益参数切换为Kr_2。在A1和A2模块输出对应的谐振增益参数后，此参数作为参数自调整装置的最后输出值，并传递到电流环谐振控制器中。其中V4可以是电机的最高转速，也可以是电机在这个速度段后，采用同一组速度环参数都能满足性能要求的速度划分点。

此外，如图6所示，所述谐振增益参数自调整装置还包括开关S，当其中一个子模块最终输出所需的谐振增益参数值时，开关S会拨打此参数输出口，选择此谐振参数增益值，并输出到所述电流环比例积分谐振控制器。

在本发明的又一实施方式中还提供了一种水下推进电机控制系统，其包括所述的水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置以及提供速度给定量Vcmd的速度给定模块、电机、速度传感器、逆变单元和电流检测模块等，谐振增益参数自调整装置的输出量OUT输出至谐振控制器，谐振控制器将输出的误差补偿电压量Ucmd输出至逆变单元，并输出电流至电机，电流检测模块检测逆变单元输出的电流反馈量lfb并传送到电流环谐振控制器进行运算，速度传感器采集电机的速度反馈信号Vfb。

所述谐振增益参数自调整装置可以采用硬件模拟电路实现，也可以采用微处理实现（MCU、CPU等），如DSP、单片机、FPGA、CPLD等。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，其特征在于，包括：谐振增益参数自调整装置和电流环比例积分谐振控制器；

所述谐振增益参数自调整装置用于接收速度反馈值Vfb，通过内部判断计算获得当前速度下所需要的谐振增益参数值Kr，并将谐振增益参数值Kr输出至所述电流环比例积分谐振控制器；

所述电流环比例积分谐振控制器用于接收电流给定量Icmd与电流反馈量Ifb的差值，以及所述谐振增益参数自调整装置输出的谐振增益参数值Kr，通过运算处理，输出电机误差补偿电压量Ucmd；

所述电流环比例积分谐振控制器包括比例积分控制器和谐振控制器；

所述比例积分控制器用于实现对直流信号的零稳态误差跟踪；

所述谐振控制器为基于交流信号拉普拉斯变换的二阶表达式，用于实现对电流谐波交流信号的零稳态误差跟踪；

所述谐振控制器接收水下推进电机同步旋转坐标系下的误差电流Δid、Δiq，经过谐振控制器数学模型的运算处理，输出需要补偿注入的误差补偿电压量Ucmd；

所述谐振增益参数自调整装置内设有比较模块和n个具有滞环回路的子模块，每个子模块设有不同的速度范围区间以及对应输出的谐振增益参数值Kr；

所述比较模块用于判断所述速度反馈值Vfb是否落入各子模块速度范围区间内，根据判断结果得到匹配的子模块，并输出相应子模块对应的谐振增益参数值，其中，n为大于等于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，其特征在于，所述谐振增益参数自调整装置内设有n个带有滞环回路的子模块A1、A2、……、An，其中，子模块Am具有速度范围区间[V2m-1、V2m]，对应的输出的谐振增益参数值为Kr_m或Kr_m+1，其中，V2m-1＜V2m，1≤m≤n，m为自然数；相邻的两个子模块中，前置子模块的速度范围区间的上限值小于等于后置子模块的速度范围区间的下限值，即V2m≤V2m+1；

所述子模块的控制过程包括：当Vfb≥V2n-1且Vfb＜V2n时，输出的谐振增益参数值为Kr_n；若Vfb继续增大，在Vfb≥V2n之前，子模块An一直保持输出谐振增益参数值Kr_n，当Vfb继续增大至Vfb≥V2n时，子模块An输出的谐振增益参数值切换为Kr_n+1，并一直保持此参数值作为输出值；当Vfb≥V2n后，Vfb开始减小，但是仍然满足Vfb≥V2n-1，子模块An依旧保持输出的谐振增益参数值为Kr_n+1，直至满足Vfb＜V2n-1，子模块An输出的谐振增益参数值切换为Kr_n。

3.根据权利要求2所述的一种水下推进电机电流环比例积分谐振参数自适应装置，其特征在于，所述谐振增益参数自调整装置包括开关S，当其中一个子模块最终输出所需的谐振增益参数值时，开关S会拨打此参数输出口，选择此谐振参数增益值，并输出到所述电流环比例积分谐振控制器。

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