基于擾動(dòng)觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制研究

引言

對(duì)永磁同步電機(jī)預(yù)測電流進(jìn)行控制,目的在于增強(qiáng)機(jī)械的動(dòng)態(tài)性能。目前,常用的預(yù)測電流控制方法包括兩種,分別為"基于代價(jià)函數(shù)的控制方法"以及"基于擾動(dòng)觀測器的控制方法"。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示,與前者相比,后者的應(yīng)用效果更加理想。可見,為提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制水平,有必要對(duì)擾動(dòng)觀測器的應(yīng)用方法進(jìn)行分析,并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行觀察。

1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)包括多種類型,如以電樞繞組供電電波形式作為劃分依據(jù),則可將其分為正弦波永磁同步電機(jī)與梯形波永磁同步電機(jī)兩種。兩者相比,后者具有轉(zhuǎn)矩大、成本低的優(yōu)勢(shì),但在應(yīng)用過程中,機(jī)械往往伴有較大的損耗,因此應(yīng)用范圍相對(duì)狹窄。近些年來,隨著工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大,正弦波永磁同步電機(jī)的應(yīng)用范圍同樣逐漸擴(kuò)大,該類型永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn),本文所指永磁同步電機(jī),均為正弦波永磁同步電機(jī)。正弦波永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),包括表面式、嵌入式、徑向式、切向式四種。四種結(jié)構(gòu)中,表面式最為常見。電機(jī)運(yùn)行過程中,繞組可隨之與三相電流的電源相互連接,此時(shí),電流將以電氣的形式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),使旋轉(zhuǎn)磁場形成,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯?轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)情況與永磁同步電機(jī)的電流頻率存在一定的聯(lián)系,兩者之間的聯(lián)系如下:

式中,n代表轉(zhuǎn)子速度:n0代表磁場速度:fl代表電流頻率:Pn代表電機(jī)極對(duì)數(shù)。

利用上述公式,便可獲悉永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制的要點(diǎn)。

2用于永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制的擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)

2.1不確定項(xiàng)觀測器

為提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流的控制水平,應(yīng)首先對(duì)不確定項(xiàng)擾動(dòng)觀測器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。過于復(fù)雜的算法易增加運(yùn)算量,導(dǎo)致模型的計(jì)算難度上升,影響設(shè)計(jì)效率。因此,本課題將線性降階觀測器應(yīng)用到了設(shè)計(jì)過程中,建立了擾動(dòng)觀測器的預(yù)測電流控制模型,并對(duì)其不確定項(xiàng)進(jìn)行了評(píng)估。如以f代表當(dāng)前擾動(dòng)觀測器所處的運(yùn)行狀態(tài),則可將觀測器設(shè)計(jì)為:

式中,I估代表觀測器的估計(jì)量:All、Al2均為常數(shù):f估代表當(dāng)前擾動(dòng)觀測器所處運(yùn)行狀態(tài)的估計(jì)量:Bl、E同樣代表常數(shù):i代表電流:u代表電壓。

考慮到永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生高頻噪聲,進(jìn)而導(dǎo)致觀測器穩(wěn)定性下降,因此需將觀測器于高頻噪聲環(huán)境下運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),提高觀測器狀態(tài)設(shè)計(jì)的全面性,提高預(yù)測電流控制的有效性。

2.2穩(wěn)定性及G矩陣

受擾動(dòng)項(xiàng)的影響,永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中,穩(wěn)定性可能存在異常。為提高擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)的針對(duì)性,應(yīng)將擾動(dòng)項(xiàng)模型納入到設(shè)計(jì)過程中[3]。本課題以李雅普諾夫函數(shù)為基礎(chǔ),針對(duì)擾動(dòng)項(xiàng)問題建立了如下模型:

式中,V代表擾動(dòng)項(xiàng):ef代表擾動(dòng)觀測器觀測過程中所存在的誤差。

因當(dāng)前擾動(dòng)觀測器所處的運(yùn)行狀態(tài)（f）為影響誤差的主要因素,由此可知,ef為f估與f間的差值。通過對(duì)上述公式的計(jì)算可知,需合理選擇G矩陣,方可確保觀測器能夠穩(wěn)定運(yùn)行,提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流的控制水平。本課題于建立G矩陣后,對(duì)其進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,觀測器的收斂速度與矩陣中的參數(shù)有關(guān),需對(duì)各項(xiàng)參數(shù)與虛軸之間的距離進(jìn)行控制,方可抑制干擾,準(zhǔn)確測量噪聲。

3基于擾動(dòng)觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制方法

3.1永磁同步電機(jī)電壓模型

為確保擾動(dòng)觀測器的應(yīng)用能夠有效提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制的水平,建立相應(yīng)的電壓參數(shù)較為重要。當(dāng)磁路處于不飽和狀態(tài)時(shí),永磁同步電機(jī)的空間磁場分布形式通常以正弦式為主。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示,永磁同步電機(jī)的運(yùn)行可受磁滯等因素的影響而出現(xiàn)異常,但因上述影響短期內(nèi)較小,因此無需給予關(guān)注。排除各項(xiàng)因素影響后,永磁同步電機(jī)的兩相旋轉(zhuǎn)dg坐標(biāo)系方程如下:

上述公式中,dg為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo),通過對(duì)公式的計(jì)算,便可得到永磁同步電機(jī)的電壓數(shù)值。因當(dāng)前永磁同步電機(jī)電流及電壓的控制方法均為數(shù)字控制,需將數(shù)字控制的因素納入到模型的計(jì)算過程中,進(jìn)一步提高電流控制的有效性。

3.2永磁同步電機(jī)電流控制算法

永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中,應(yīng)通過控制電壓指令的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測電流的控制。如永磁同步電機(jī)需達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩,直軸電流與交軸電流則必須予以改變。電機(jī)啟動(dòng)的瞬間及轉(zhuǎn)矩突變的瞬間,電機(jī)中的速度環(huán)PI控制器所給出的期望電流數(shù)值一般較大,如以該電流為基礎(chǔ),對(duì)電壓方程進(jìn)行計(jì)算,極容易導(dǎo)致電壓指令數(shù)值相對(duì)增大,造成預(yù)測電流控制算法的準(zhǔn)確性下降。通常情況下,逆變器能夠輸出的電壓均存在一定的限制,最大值不得超過（3I/2lDC）/3。因此,為提高電壓指令數(shù)值的準(zhǔn)確性,對(duì)其進(jìn)行計(jì)算的過程中應(yīng)考慮到電壓矢量的問題,以電壓矢量為依據(jù)對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整,便可得到較為可靠的計(jì)算結(jié)果。值得注意的是,以電壓矢量為依據(jù),明確永磁同步電機(jī)電流控制算法的過程中,應(yīng)充分考慮到電壓的最大值,考慮到電壓與電流之間的關(guān)系,提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3永磁同步電機(jī)死區(qū)補(bǔ)償

永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中,死區(qū)時(shí)間為影響逆變器輸出電壓的主要因素之一。如電機(jī)性能無異常,電機(jī)的電流為正,則死區(qū)時(shí)間為負(fù),反之則否。為解決死區(qū)補(bǔ)償?shù)膯栴},本課題將逆變器開通以及關(guān)閉的時(shí)間應(yīng)用到了計(jì)算過程中,對(duì)損失電壓進(jìn)行了計(jì)算,公式如下:

式中,r代表時(shí)間;a代表a相:l代表電壓。

通過對(duì)以上公式的計(jì)算,便可得到a相的損失電壓數(shù)值。此時(shí),需將所得到的損失電壓數(shù)值與電壓指令值相互結(jié)合,以解決死區(qū)時(shí)間問題,實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器非線性的補(bǔ)償,提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制水平。

3.4永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估以擾動(dòng)觀測器為基礎(chǔ)的永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制效果,本課題通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)控制效果進(jìn)行了觀察。實(shí)驗(yàn)所選永磁同步電機(jī)功率為I.2kw,電流為5A,轉(zhuǎn)速為3000r/min,電阻為0.525Q,轉(zhuǎn)矩為4N·m。為提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)將電機(jī)的運(yùn)行模式設(shè)置為轉(zhuǎn)矩控制方式。開啟電機(jī)后,使g軸電流指令上升為2.5A,使d軸指令處于0,此時(shí)對(duì)PI控制器的電流階躍響應(yīng)情況進(jìn)行觀察,便可判斷出擾動(dòng)觀測器的電流控制效果。本課題經(jīng)實(shí)驗(yàn)后對(duì)電流控制效果的觀察發(fā)現(xiàn),擾動(dòng)觀測器的應(yīng)用,能夠有效提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流的控制水平,提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。

4結(jié)語

綜上所述,以擾動(dòng)觀測器為基礎(chǔ),對(duì)永磁同步電機(jī)預(yù)測電流進(jìn)行控制,能有效縮短逆變器的死區(qū)時(shí)間,減少電壓擾動(dòng),降低定子電流誤差率,提高永磁同步電機(jī)預(yù)測電流控制水平。未來,工業(yè)、汽車及機(jī)器人控制等相關(guān)領(lǐng)域,應(yīng)積極采用擾動(dòng)觀測器對(duì)永磁同步電機(jī)的預(yù)測電流進(jìn)行控制,進(jìn)一步增強(qiáng)永磁同步電機(jī)的性能,提高生產(chǎn)質(zhì)量及安全性。