CN116169921A

CN116169921A - 基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法

Info

Publication number: CN116169921A
Application number: CN202310144469.1A
Authority: CN
Inventors: 许爱德; 刘鑫; 李新宇; 胡士迈
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2023-02-21
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2023-05-26

Abstract

本发明提供了一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法，涉及永磁辅助同步磁阻电机电流控制技术领域，包括如下步骤：S1：求得dq轴的参考电流；S2：推导出电流无差拍的控制公式；S3：得出dq轴电感；S4：将所述dq轴电感分配至最大转矩电流比控制器；S5：将所述dq轴电感分配至无差拍电流控制器；S6：将参考电流和dq轴电感代入至电流无差拍的控制公式中，通过无差拍电流控制器得到dq轴控制电压；S7：将所述dq轴控制电压采用空间电压矢量调制的方法生成控制脉冲，将控制脉冲作用于功率变换器，进而控制电机的运行。本发明实时辨识电机的dq轴电感，以确保控制系统的稳定性和最大转矩电流比控制器的电流工作点的准确性。

Description

基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法

技术领域

本发明涉及永磁辅助同步磁阻电机电流控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法。

背景技术

永磁辅助同步磁阻电机(Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor，PMA-SynRM)是一种特殊的内置式永磁同步电机，由同步磁阻电机发展而来，通过在磁障中添加永磁材料来提供永磁磁通，既能增大其交、直轴电感来提升磁阻转矩，又因转子磁障中添加永磁材料产生永磁转矩，增大电机的转矩密度，从而有效克服了同步磁阻电机本身低功率因数和低转矩密度的缺点，具有功率密度高、效率高、调速范围宽及体积小、重量轻等显著优点。

近些年来，国内外学者针对永磁辅助同步磁阻电机的电流环控制展开了大量的研究，并提出很多电流环控制方法。其中较为广泛的有：最大转矩电流比控制、双PI控制、最大效率控制等，这些控制方法的电流环控制往往都是基于PI控制。

然而，传统的PI控制的响应速度较慢，稳态电流的峰值较大，过高的电流值会引起电机的损耗增加。并且上述控制技术也都是基于固定的电机参数，但是在实际的应用过程中，受到实际工况的影响，电机的参数在时时刻刻发生变化，如果继续采用固定参数，可能会影响控制系统的稳定性，电流环控制不精确的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法，通过采用在线辨识技术，时刻辨识电机的实际参数，并且用无差拍预测控制系统取代了传统的PI控制，以解决由于参数失配导致控制系统不稳定和电流响应速度慢的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法，包括如下步骤：

S1：获取电机实测数据；根据所述电机实测数据，通过拉格朗日乘数法解出最大转矩电流比的参考公式，并求得dq轴的参考电流；

S2：根据永磁辅助同步磁阻电机的电压关系式，将实际测的dq轴电流离散化从而推导出电流无差拍的控制公式；

S3：根据模型参考自适应方法推导出永磁辅助同步磁阻电机的dq轴电感的在线辨识方程，通过所述dq轴电感的在线辨识方程得出dq轴电感；

S4：将所述dq轴电感分配至最大转矩电流比控制器，使最大转矩电流比工作点准确；

S5：将所述dq轴电感分配至无差拍电流控制器，使无差拍电流控制器系统稳定；

S6：将参考电流和dq轴电感代入至电流无差拍的控制公式中，通过无差拍电流控制器得到dq轴控制电压；

S7：将所述dq轴控制电压采用空间电压矢量调制的方法生成控制脉冲，将控制脉冲作用于功率变换器，进而控制电机的运行。

进一步地，所述电机实测数据包括实测dq轴电流，实测dq轴电感，永磁体产生的磁链。

进一步地，S1的具体步骤如下：

构造拉格朗日乘数法形式：

解拉格朗日乘数法：

求解得出dq轴参考电流：

其中：i_d表示电流空间矢量的直轴分量；i_q表示电流空间矢量的交轴分量；L_d表示直轴电感；L_q表示交轴电感；ψ_PM表示永磁体产生的磁链；T_e表示电磁转矩；P_n表示电机的极对数。

进一步地，S2的具体步骤如下：

永磁辅助同步磁阻电机的电压关系式为：

根据电压方程将永磁辅助同步磁阻电机的电压关系式变形后得到电流的状态方程：

/>

使用一阶泰勒公式将电流离散化，得到：

以矩阵形式表示输出电压：

其中，

其中：ω表示电动机的电角速度；R表示绕组相电阻；T_s表示离散化采样时间；ψ_d表示定子磁链直轴分量；ψ_q表示定子磁链交轴分量；u_d、u_q表示电压空间矢量。

进一步地，S3中，所述dq轴电感的在线辨识方程为：

其中：

表示辨识的dq轴电感，kp₁和k_i1表示PI参数，/>

和/>

为可调模型的dq轴电流，L_d表示直轴电感；L_q表示交轴电感；ψ_PM表示永磁体产生的磁链，u_d、u_q表示电压空间矢量。

本发明还提供了一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法。

本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述任一项基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法，根据拉格朗日乘数法解出最大转矩电流比的参考公式，并求得参考电流。然后将最大转矩电流比输出的参考电流作为无差拍控制器的输入参考电流，并利用无差拍控制器输出参考电压，作用在空间电压适量调制器，进而输出控制脉冲作用给功率变换器，最终达到控制电机的作用，以加快电流响应速度和减小稳态电流峰值的作用。由于永磁辅助同步磁阻电机是一种特殊的内置式永磁同步电机，因此其在运行的过程中电机的电感，电阻和磁链会发生变化，其中电感参数变化最为明显，当其变化较大时，会引起最大转矩电流比控制器的电流工作点不准确，并且会引起无差拍控制系统不稳定的问题，本发明针对上述问题提出了电感参数在线辨识的方法，实时辨识电机的dq轴电感，以确保控制系统的稳定性和最大转矩电流比控制器的电流工作点的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明最大准据电流比电流转矩特性图；

图2为本发明模型参考自适应控制结构框图；

图3为本发明dq轴电感辨识仿真图；

图4为本发明基于参数辨识的无差拍控制框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机无差拍控制方法，包括如下步骤：

构造拉格朗日乘数法形式：

解拉格朗日乘数法：

经过推导可以求解出dq轴参考电流如下：

式中，i_d、i_q表示电流空间矢量的直、交轴分量；L_d、L_q表示直、交轴电感；ψ_PM表示永磁体产生的磁链；T_e表示电磁转矩；P_n表示电机的极对数。

永磁辅助同步磁阻电机的电压方程式如下：

根据电压方程将其变形后得到电流的状态方程如下：

通常，系统的采样频率极高，其周期就会很短，就可以使用一阶泰勒公式将上式左半边电流的微分离散化，可得：

最后以矩阵的形式表示输出电压如下：

其中

式中，ω表示电动机的电角速度；R表示绕组相电阻；T_s表示离散化采样时间；ψ_d、ψ_q表示定子磁链直、交轴分量；u_d、u_q表示电压空间矢量；

基于模型参考自适应的参数辨识系统的原理框图如图2所示。控制系统由参考模型，可调模型和参数自适应律三个部分组成，其中参考模型用来描述系统期望的输入输出的性能。以电机的参数辨识为例，则参考模型为实际电机，可调模型是人为构造的电机数学模型，其中可调模型的电机参数是可以在线调节的，参数自适应律是根据一定的规则来进行设计的，用来调节可调模型中的电机参数，使得可调模型的参数逐渐逼近电机的实际参数。

以实际电机为参考模型，设计参考模型如下：

pi＝Ai+Bu+C(10)

其中，p表示微分算子，i＝[i_di_q]^T，u＝[u_du_q]^T，

设计电机的可调模型如下：

其中，

用参考模型减去可调模型有：

其中，

令

则有：

pe＝Ae-Iw (13)

满足两点条件：

线性定常前向方块严格正实

非线性反馈回路满足Popov积分不等式

Popov积分不等式如下：

式中，

为一个不依赖于t的有限正常数，w为非线性反馈方块输出，v为线性定常前向方块输出。

最终求解出dq轴电感的辨识方程为：

图1为本发明永磁辅助同步磁阻电机的最大转矩电流比电流转矩特性图，即将恒转矩曲线上离原点距离最近的点连起来就是最大转矩电流轨迹，依照拉格朗日乘数法求解出这些点，进而求解出dq轴的参考电流。

图2为本发明永磁辅助同步磁阻电机基于模型参考自适应的参数辨识系统的控制结构框图，该辨识系统可以分成三个部分，即参考模型、可调模型和参数自适应率。其中参考模型为实际电机，可调模型可是人为构造的电机数学模型，参数自适应律采取波波夫超稳定自适应律。辨识过程如下：控制信号同时送入参考模型和可调模型之中，参考模型产生的输出信号作为可调模型的期望输出，则可调模型的期望输出和实际输出之间存在偏差，这个偏差叫做广义误差，将系统广义误差和控制信号送入参数自适应模块，通过事先设计好的参数自适应律可以辨识出参考模型的参数，将辨识的电机参数送入可调模型之中，使得可调模型的输出信号逐渐逼近参考模型的输出信号，广义偏差逐渐减小，当广义偏差减小为零的时候，可调模型和参考模型是等价的，则可调模型的参数即为参考模型的实际参数，即完成了整个参数辨识过程。

图3为本发明永磁辅助同步磁阻电机的dq轴电感的参数辨识仿真结果图。

图4为本发明的基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机的电流无差拍的控制框图。速度环仍然采用传统的PI控制，电流环采用最大转矩电流比与无差拍控制相结合的方式取代传统的双PI控制，具有响应速度快，峰值电流小的优势，同时为了避免由于参数失配导致最大转矩电流比工作点不准确和无差拍控制系统不稳定的问题，本发明提出了一种在线辨识技术，实时辨识电机的dq电感，并且将辨识结果送到最大转矩电流比控制器和无差拍控制器中，以保证电流工作点的准确性和无差拍控制系统的稳定性。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。