CN115913037B - 一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法及装置，其中方法包括：获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。本发明设计的电流调节器消除了dp轴耦合，能够满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求。

Description

一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及交流励磁系统的电流调节器的技术领域，具体涉及一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法及装置。

背景技术

交流励磁系统在变速抽水蓄能机组中具有至关重要的作用，负责控制机组的有功/无功功率、转速等，能够实现变速恒频发电、电动等多种工况的运行与切换，大大提高了电力系统调度的灵活性。交流励磁系统与双馈异步电机(Doubly-Fed Inductive Machine,DFIM)的转子直接相连，表现为一个可控电压源，因此对其关注的重点就是转子电流的调节性能。

随着现代工业应用对调速系统的性能以及控制精度要求的提高，矢量控制技术被广泛应用于需要对交流电机进行高性能控制的场合。矢量控制在转子磁场定向的同步旋转坐标系下将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，再利用PI调节器实现对二者的独立调节，最后利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)等脉冲调制算法综合参考电压，从而实现交流电机的高性能控制。但是，电气量变换到同步坐标系时会在d、q轴之间产生交叉耦合，该耦合项与同步角频率成正比，传统的线性PI调节器不能实现完全独立设计。

由于交流励磁系统中，转子电流在正序同步旋转dq坐标系下表现为直流分量，因此可以通过比例-积分(Proportional-Integral,PI)电流调节器实现无静差的调节。通过分别对dq轴的电流进行调节，能够实现励磁分量与转矩分量的解耦控制，以提高系统的运行性能。然而，DFIM的转子被控对象模型在dq坐标系下会出现交叉耦合项，导致dq轴电流在动态过程中相互影响，这是矢量控制所不期望的特性。

为了抑制dq轴耦合对转子电流动态性能的影响，现有技术中常用的做法是采用dq轴电流的交叉解耦控制策略，但是这种简单的交叉解耦仅考虑了电机连续域模型下存在的耦合，并未考虑交流励磁系统的数字控制延时所引起的耦合，虽然在高开关频率下该耦合可以忽略，但是变速抽水蓄能机组的交流励磁系统容量较大，受限于电力电子器件的性能和散热限制，开关频率通常取得较低(500Hz～1.5kHz)，控制周期较长，数字控制延时引起的耦合效应加剧导致电流调节器的电流控制性能恶化，甚至不能稳定。因此，通过现有技术去设计的PI电流调节器只能被迫将控制带宽降低，导致机组的动态性能进一步下降，影响励磁系统的动态性能。

现有的电流调节器的设计方法使得电流调节器，无法满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求，为此，亟需发明一种能够满足开关频率较低且控制周期长的，同时消除耦合效应的电流调节器的设计方法。

发明内容

为了克服上述现有的电流调节器不适用于交流励磁系统的技术缺陷，本发明提供一种在离散域实施电流调节器的设计，以避免在连续域设计的电流调节器，以实现dp轴解耦，进而适用于交流励磁系统中。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

第一方面，本发明公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；

步骤S2：基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

步骤S3：针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；

步骤S4：补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；

步骤S5：基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；

步骤S6：基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据包括定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量、定子电流的d轴分量、定子电流的q轴分量、转子电流的d轴分量、转子电流的q轴分量、定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量。

作为本发明的一种优选实施方式，所述定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量和转子磁链q轴分量通过DFIM磁链方程分别计算获得；

所述DFIM磁链方程具体为：

其中，所述ψ_sd为定子磁链d轴分量，所述ψ_sq定子磁链q轴分量，所述ψ_rd为转子磁链d轴分量，所述ψ_rq为转子磁链q轴分量，所述i_sd为定子电流的d轴分量，所述i_sq为定子电流的q轴分量，所述i_rd为转子电流的d轴分量，所述i_rq为转子电流的q轴分量，所述L_m为定子转子同轴等效绕组间的互感，所述L_s为定子等效两相绕组间的自感，所述L_r为转子等效两相绕组间的自感。

作为本发明的一种优选实施方式，所述定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量通过DFIM电压方程分别计算获得；

所述DFIM电压方程具体为：

其中，所述u_sd为定子电压的d轴分量，所述u_sq为定子电压的q轴分量，所述u_rd为转子电压的d轴分量，所述u_rq为转子电压的q轴分量，所述R_s为定子的电阻，所述R_r为转子的电阻，R_s和R_r均折算至定子侧，所述ω为定子同步速角频率，所述ω_slip为转差角频率，且ω_slip＝ω-ω_r，所述ω_r为转子电角频率。

作为本发明的一种优选实施方式，所述获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据后，还包括：

将所有电气量数据写为复矢量形式；

具体复矢量形式为：

在同步旋转dp坐标系下，处于稳态时各变量均为直流且导数均为0，由此可以得到u_sdq＝R_si_sdq+jωψ_sdq，其中j为虚数因子；

当矢量控制策略基于定子电压定向方式实施，即d轴以定子电压定向时，使u_sd＝U_s即定子电压幅值，u_sq＝0，忽略定子电阻的压降后，可得到

结合后得到转子电压表达式，具体为

其中，所述为DFIM的漏磁系数；

将转子电压表达式写为复矢量形式，即

其实所述其中E_rdq为等效转子反电势。

作为本发明的一种优选实施方式，所述基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型，具体包括：

基于电气量数据和转子电压表达式，获得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型；

静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数，对DFIM转子被控对象的复矢量模型进行离散化，获得离散域被控对象模型；

基于离散域被控对象模型进行转换，得到同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的离散化模型；

消除环路延时的影响，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。

作为本发明的一种优选实施方式，各步骤的具体运算步骤如下：

根据复矢量形式的转子电压表达式，得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型为

为简化离散化分析步骤，假定ω_slip＝0，得到静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数为其中，上标s表示静止坐标系，下标αβ代表静止两相坐标系下α,β轴的分量；

在静止坐标系下采用零阶保持器的方法对DFIM模型进行离散化处理，以获得离散域被控对象模型为

其中，T为系统的采样与控制周期，由于矢量控制需要在同步旋转dq坐标系下实现，为了得到同步旋转坐标系下的离散域模型，需要将静止坐标系下的离散域模型写成差分方程的形式并乘以离散化的旋转因子，以获得

其中，θ[k+1]＝θ[k]+ω_slip[k]T为第k+1个周期坐标变换的角度；

静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系间的变换关系为

将变换关系代入后可以得到同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型为

考虑环路延时带来的影响，由于离散化已经包含了零阶保持器环节，此处仅需考虑电流调节器一拍延时，静止坐标系下一拍延时环节为z^-1，转换至同步旋转坐标系下为与结合/>后可得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。

作为本发明的一种优选实施方式，所述针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数，具体包括：

基于同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型，即针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点将其对消；

然后补偿一拍延时引起的耦合，将指令电压旋转一个控制周期对应的相位角；

最终构造转子电流调节器的传递函数为其中，所述k为电流环的开环增益，通过调节k值以调节系统阻尼。

作为本发明的一种优选实施方式，所述基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数，具体包括：

基于以及以得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数

另一方面，本发明还公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计装置，包括：

数据获取模块M1，其用于获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；

离散模型模块M2，其用于基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

零点消除模块M3，其用于针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；

延时消除模块M4，其用于补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；

闭环函数模块M5，其用于基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；

最终设计模块M6，其用于基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明直接在离散域实施电流调节器的设计，避免了在连续域设计电流调节器后的离散化步骤，使得电流调节器的引起耦合的零点得到消除，并补偿一拍延时引起的耦合，以获得复矢量电流调节器系统的闭环传递函数，进而使得采用该闭环传递函数设计的复矢量电流调节器能够消除dp轴耦合，以满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求。

本发明中，基于离散域设计的复矢量电流调节器解决了旋转坐标系及数字延时引入的dq轴耦合，其闭环传递函数中不含有虚数因子，且dq轴不再互相影响。使得电流调节器无论采样频率如何变化，该电流调节器均能正确抵消被控对象的极点实现解耦。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明的DFIM转子电流基于前馈交叉解耦的复矢量控制框图；

图2是本发明的交流励磁系统的电流调节器的设计方法的流程示意图；

图3是本发明的DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型的示意图；

图4是本发明的交流励磁系统闭环零极点分布图；

图5是本发明的改变采样周期的局部放大图；

图6是本发明的交流励磁系统的电流调节器的设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

为了解决现有技术存在的问题，也出现了研究将dq轴分量整合为一个复矢量变量，基于复矢量模型设计了电流的PI调节器，并且考虑了延时环节引起的耦合，但依然只在连续域下将延时等效为惯性环节，因此在低开关频率下仍存在较大误差，解耦效果有限。

若对DFIM的模型进行离散，并在离散域直接设计数字电流调节器，便能避免调节器的离散化过程引起的性能下降甚至失效，同时基于复矢量的建模方式能够考虑延时所引起的dq轴耦合问题，进一步提高低开关频率下的解耦性能。

需要说明的是，在通过本发明的运算步骤后，得到同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型还需要考虑环路延时带来的影响，由于离散化已经包含了零阶保持器环节，此处仅需考虑电流调节器一拍延时，静止坐标系下一拍延时环节为z^-1，转换至同步旋转坐标系下为：/>

结合得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型后，可以采用反向差分控制策略和转子电流前馈交叉解耦的控制策略，来消除耦合。

其中，电流调节器采用后向差分方式的离散化表达式为：

通常电流调节器参数的设计准则是给定控制带宽，并用零点抵消被控对象的极点，显然，单纯采用电流调节器无论如何也不能抵消被控对象中的虚数因子，无法实现零极点对消，意味着dq轴存在严重耦合。

如图1所示，为DFIM转子电流基于前馈交叉解耦的复矢量控制框图，若采用转子电流前馈交叉解耦的控制策略，将交叉解耦项作为对被控对象模型的修正，可以得到图3虚线框内修正后的被控对象的复矢量传递函数为：

同样可以看出，虽然交叉前馈在连续域能够实现被控对象的解耦，但在低开关频率下，被控对象的模型中依然存在虚数因子j，意味着dq轴依然存在耦合。

基于上述原因，更为有效的方式是直接在离散域实施电流调节器的设计，避免在连续域设计电流调节器后的离散化步骤，本发明公开一种能够有效消除dq轴耦合的电流调节器的设计方法，以获得适用于交流励磁系统的电流调节器。

如图2所示，第一方面，本发明公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据。

具体地，所述电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据包括定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量、定子电流的d轴分量、定子电流的q轴分量、转子电流的d轴分量、转子电流的q轴分量、定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量。

作为本发明的一种优选实施方式，所述定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量和转子磁链q轴分量通过DFIM磁链方程分别计算获得；

所述DFIM磁链方程具体为：

其中，所述ψ_sd为定子磁链d轴分量，所述ψ_sq定子磁链q轴分量，所述ψ_rd为转子磁链d轴分量，所述ψ_rq为转子磁链q轴分量，所述i_sd为定子电流的d轴分量，所述i_sq为定子电流的q轴分量，所述i_rd为转子电流的d轴分量，所述i_rq为转子电流的q轴分量，所述L_m为定子转子同轴等效绕组间的互感，所述L_s为定子等效两相绕组间的自感，所述L_r为转子等效两相绕组间的自感。

作为本发明的一种优选实施方式，所述定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量通过DFIM电压方程分别计算获得；

所述DFIM电压方程具体为：

其中，所述u_sd为定子电压的d轴分量，所述u_sq为定子电压的q轴分量，所述u_rd为转子电压的d轴分量，所述u_rq为转子电压的q轴分量，所述R_s为定子的电阻，所述R_r为转子的电阻，R_s和R_r均折算至定子侧，所述ω为定子同步速角频率，所述ω_slip为转差角频率，且ω_slip＝ω-ω_r，所述ω_r为转子电角频率。

进一步地，所述获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据后，还包括：

将所有电气量数据写为复矢量形式；

具体复矢量形式为：

在同步旋转dp坐标系下，处于稳态时各变量均为直流且导数均为0，由此可以得到u_sdq＝R_si_sdq+jωψ_sdq，其中j为虚数因子；

当矢量控制策略基于定子电压定向方式实施，即d轴以定子电压定向时，使u_sd＝U_s即定子电压幅值，u_sq＝0，忽略定子电阻的压降后，可得到

结合后得到转子电压表达式，具体为

其中，所述为DFIM的漏磁系数；

将转子电压表达式写为复矢量形式，即

其实所述其中E_rdq为等效转子反电势。

步骤S2：基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。

具体地，本步骤S2包括如下子步骤：

基于电气量数据和转子电压表达式，获得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型；

静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数，对DFIM转子被控对象的复矢量模型进行离散化，获得离散域被控对象模型；

基于离散域被控对象模型进行转换，得到同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的离散化模型；

消除环路延时的影响，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。

作为本发明的一种优选实施方式，各步骤的具体运算步骤如下：

根据复矢量形式的转子电压表达式，得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型为

为简化离散化分析步骤，假定ω_slip＝0，得到静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数为其中，上标s表示静止坐标系，下标αβ代表静止两相坐标系下α,β轴的分量；

在静止坐标系下采用零阶保持器的方法对DFIM模型进行离散化处理，以获得离散域被控对象模型为

其中，T为系统的采样与控制周期，由于矢量控制需要在同步旋转dq坐标系下实现，为了得到同步旋转坐标系下的离散域模型，需要将静止坐标系下的离散域模型写成差分方程的形式并乘以离散化的旋转因子，以获得

其中，θ[k+1]＝θ[k]+ω_slip[k]T为第k+1个周期坐标变换的角度；

静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系间的变换关系为

将变换关系代入后可以得到同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型为

考虑环路延时带来的影响，由于离散化已经包含了零阶保持器环节，此处仅需考虑电流调节器一拍延时，静止坐标系下一拍延时环节为z^-1，转换至同步旋转坐标系下为与结合/>后可得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。具体地，DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型如图3所示。

步骤S3：针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消。

步骤S4：补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数。

具体地，步骤S3和S4包括：

基于同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型，即针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点将其对消；

然后补偿一拍延时引起的耦合，将指令电压旋转一个控制周期对应的相位角；

最终构造转子电流调节器的传递函数为其中，所述k为电流环的开环增益，通过调节k值以调节系统阻尼。

步骤S5：基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数。

具体地，本步骤基于以及/>以得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数/>

步骤S6：基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

可以看出，基于离散域设计的复矢量电流调节器解决了旋转坐标系及数字延时引入的dq轴耦合，其闭环传递函数中不含虚数因子j，dq轴不再互相影响。无论采样频率如何变化，该电流调节器均能正确抵消被控对象的极点实现解耦。

图4为系统闭环零极点分布图，可以看出采用基于复矢量的数字控制器后，原本含虚数因子j的极点被电流调节器传递函数的零点抵消掉，系统闭环极点变为一对共轭复极点。通过设计合适的k，系统闭环传递函数共轭复极点落在0.707的等阻尼线上，能够获得良好的动态性能。图5为改变采样周期的局部放大图，可以看出采样频率变化不会影响闭环零极点的对消，电流调节器的解耦始终有效。

综上所述，本发明直接在离散域实施电流调节器的设计，避免了在连续域设计电流调节器后的离散化步骤，使得电流调节器的引起耦合的零点得到消除，并补偿一拍延时引起的耦合，以获得复矢量电流调节器系统的闭环传递函数，进而使得采用该闭环传递函数设计的复矢量电流调节器能够消除dp轴耦合，以满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求。基于离散域设计的复矢量电流调节器解决了旋转坐标系及数字延时引入的dq轴耦合，其闭环传递函数中不含有虚数因子，且dq轴不再互相影响。使得电流调节器无论采样频率如何变化，该电流调节器均能正确抵消被控对象的极点实现解耦。

本实施例所述的交流励磁系统的电流调节器的设计方法的其它步骤参见现有技术。

实施例2

如图6所示，另一方面，本发明还公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计装置，包括：

数据获取模块M1，其用于获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；

离散模型模块M2，其用于基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

零点消除模块M3，其用于针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；

延时消除模块M4，其用于补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；

闭环函数模块M5，其用于基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；

最终设计模块M6，其用于基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

本发明实施例所公开的交流励磁系统的电流调节器的设计装置，在运行时能够执行实施例1中所公开的交流励磁系统的电流调节器的设计方法的全部步骤，以实现直接在离散域实施电流调节器的设计，避免了在连续域设计电流调节器后的离散化步骤，使得电流调节器的引起耦合的零点得到消除，并补偿一拍延时引起的耦合，以获得复矢量电流调节器系统的闭环传递函数，进而使得采用该闭环传递函数设计的复矢量电流调节器能够消除dp轴耦合，以满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求。

本实施例所述的交流励磁系统的电流调节器的设计装置的其它结构参见现有技术。

实施例3

本发明还公开一种电子设备，至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，所述至少一个处理器执行指令时，具体实现以下的步骤：获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

实施例4

本发明还公开一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，具体实现以下步骤：获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。

本公开可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，上述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Java等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，上述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。

Claims (3)

1.一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；其中，所述电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据包括定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量、定子电流的d轴分量、定子电流的q轴分量、转子电流的d轴分量、转子电流的q轴分量、定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量；

基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；

补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；

基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；

基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器；

其中，所述定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量和转子磁链q轴分量通过DFIM磁链方程分别计算获得；

所述DFIM磁链方程具体为：

其中，所述ψ_sd为定子磁链d轴分量，所述ψ_sq定子磁链q轴分量，所述ψ_rd为转子磁链d轴分量，所述ψ_rq为转子磁链q轴分量，所述i_sd为定子电流的d轴分量，所述i_sq为定子电流的q轴分量，所述i_rd为转子电流的d轴分量，所述i_rq为转子电流的q轴分量，所述L_m为定子转子同轴等效绕组间的互感，所述L_s为定子等效两相绕组间的自感，所述L_r为转子等效两相绕组间的自感；

所述定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量通过DFIM电压方程分别计算获得；

所述DFIM电压方程具体为：

其中，所述u_sd为定子电压的d轴分量，所述u_sq为定子电压的q轴分量，所述u_rd为转子电压的d轴分量，所述u_rq为转子电压的q轴分量，所述R_s为定子的电阻，所述R_r为转子的电阻，R_s和R_r均折算至定子侧，所述ω为定子同步速角频率，所述ω_slip为转差角频率，且ω_slip＝ω-ω_r，所述ω_r为转子电角频率；

所述获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据后，还包括：

将所有电气量数据写为复矢量形式；

具体复矢量形式为：

在同步旋转dp坐标系下，处于稳态时各变量均为直流且导数均为0，由此可以得到u_sdq＝R_si_sdq+jωψ_sdq，其中j为虚数因子；

当矢量控制策略基于定子电压定向方式实施，即d轴以定子电压定向时，使u_sd＝U_s即定子电压幅值，u_sq＝0，忽略定子电阻的压降后，可得到

结合后得到转子电压表达式，具体为其中，所述/>为DFIM的漏磁系数；

将转子电压表达式写为复矢量形式，即

其实所述其中E_rdq为等效转子反电势；

所述基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型，具体包括：

基于电气量数据和转子电压表达式，获得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型；

静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数，对DFIM转子被控对象的复矢量模型进行离散化，获得离散域被控对象模型；

基于离散域被控对象模型进行转换，得到同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的离散化模型；

消除环路延时的影响，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

其中，各步骤的具体运算步骤如下：

根据复矢量形式的转子电压表达式，得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型为

为简化离散化分析步骤，假定ω_slip＝0，得到静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数为其中，上标s表示静止坐标系，下标αβ代表静止两相坐标系下α,β轴的分量；

在静止坐标系下采用零阶保持器的方法对DFIM模型进行离散化处理，以获得离散域被控对象模型为

其中，T为系统的采样与控制周期，由于矢量控制需要在同步旋转dq坐标系下实现，为了得到同步旋转坐标系下的离散域模型，需要将静止坐标系下的离散域模型写成差分方程的形式并乘以离散化的旋转因子，以获得

其中，θ[k+1]＝θ[k]+ω_slip[k]T为第k+1个周期坐标变换的角度；

静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系间的变换关系为

将变换关系代入后可以得到同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型为

考虑环路延时带来的影响，由于离散化已经包含了零阶保持器环节，此处仅需考虑电流调节器一拍延时，静止坐标系下一拍延时环节为z^-1，转换至同步旋转坐标系下为与结合/>后可得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

所述针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数，具体包括：

基于同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型，即针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点将其对消；

然后补偿一拍延时引起的耦合，将指令电压旋转一个控制周期对应的相位角；

最终构造转子电流调节器的传递函数为其中，所述k为电流环的开环增益，通过调节k值以调节系统阻尼。

2.根据权利要求1所述的交流励磁系统的电流调节器的设计方法，其特征在于，所述基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数，具体包括：

基于以及以得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数

3.一种交流励磁系统的电流调节器的设计装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，其用于获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据；其中，所述电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据包括定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量、定子电流的d轴分量、定子电流的q轴分量、转子电流的d轴分量、转子电流的q轴分量、定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量；

离散模型模块，其用于基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

零点消除模块，其用于针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；

延时消除模块，其用于补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数；

闭环函数模块，其用于基于DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数，得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数；

最终设计模块，其用于基于闭环传递函数，获得基于离散域设计的复矢量电流调节器；

其中，所述定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量和转子磁链q轴分量通过DFIM磁链方程分别计算获得；

所述DFIM磁链方程具体为：

其中，所述ψ_sd为定子磁链d轴分量，所述ψ_sq定子磁链q轴分量，所述ψ_rd为转子磁链d轴分量，所述ψ_rq为转子磁链q轴分量，所述i_sd为定子电流的d轴分量，所述i_sq为定子电流的q轴分量，所述i_rd为转子电流的d轴分量，所述i_rq为转子电流的q轴分量，所述L_m为定子转子同轴等效绕组间的互感，所述L_s为定子等效两相绕组间的自感，所述L_r为转子等效两相绕组间的自感；

所述定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量通过DFIM电压方程分别计算获得；

所述DFIM电压方程具体为：

其中，所述u_sd为定子电压的d轴分量，所述u_sq为定子电压的q轴分量，所述u_rd为转子电压的d轴分量，所述u_rq为转子电压的q轴分量，所述R_s为定子的电阻，所述R_r为转子的电阻，R_s和R_r均折算至定子侧，所述ω为定子同步速角频率，所述ω_slip为转差角频率，且ω_slip＝ω-ω_r，所述ω_r为转子电角频率；

所述获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据后，还包括：

将所有电气量数据写为复矢量形式；

具体复矢量形式为：

在同步旋转dp坐标系下，处于稳态时各变量均为直流且导数均为0，由此可以得到u_sdq＝R_si_sdq+jωψ_sdq，其中j为虚数因子；

当矢量控制策略基于定子电压定向方式实施，即d轴以定子电压定向时，使u_sd＝U_s即定子电压幅值，u_sq＝0，忽略定子电阻的压降后，可得到

结合后得到转子电压表达式，具体为其中，所述/>为DFIM的漏磁系数；

将转子电压表达式写为复矢量形式，即

其实所述其中E_rdq为等效转子反电势；

所述基于电气量数据，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型，具体包括：

基于电气量数据和转子电压表达式，获得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型；

静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数，对DFIM转子被控对象的复矢量模型进行离散化，获得离散域被控对象模型；

基于离散域被控对象模型进行转换，得到同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的离散化模型；

消除环路延时的影响，得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

其中，各步骤的具体运算步骤如下：

根据复矢量形式的转子电压表达式，得同步旋转dq坐标系下的DFIM转子被控对象的复矢量模型为

为简化离散化分析步骤，假定ω_slip＝0，得到静止坐标系下的DFIM转子复矢量传递函数为其中，上标s表示静止坐标系，下标αβ代表静止两相坐标系下α,β轴的分量；

在静止坐标系下采用零阶保持器的方法对DFIM模型进行离散化处理，以获得离散域被控对象模型为

其中，T为系统的采样与控制周期，由于矢量控制需要在同步旋转dq坐标系下实现，为了得到同步旋转坐标系下的离散域模型，需要将静止坐标系下的离散域模型写成差分方程的形式并乘以离散化的旋转因子，以获得

其中，θ[k+1]＝θ[k]+ω_slip[k]T为第k+1个周期坐标变换的角度；

静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系间的变换关系为

将变换关系代入后可以得到同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型为

考虑环路延时带来的影响，由于离散化已经包含了零阶保持器环节，此处仅需考虑电流调节器一拍延时，静止坐标系下一拍延时环节为z^-1，转换至同步旋转坐标系下为与结合/>后可得到DFIM转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型；

所述针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消；补偿一拍延时引起的耦合，最终构造转子电流调节器的传递函数，具体包括：

基于同步旋转dq坐标系下DFIM转子被控对象的离散化模型，即针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点将其对消；

然后补偿一拍延时引起的耦合，将指令电压旋转一个控制周期对应的相位角；

最终构造转子电流调节器的传递函数为其中，所述k为电流环的开环增益，通过调节k值以调节系统阻尼。