基于擾動觀測器的永磁同步電機預(yù)測電流控制研究

引言

對永磁同步電機預(yù)測電流進(jìn)行控制,目的在于增強機械的動態(tài)性能。目前,常用的預(yù)測電流控制方法包括兩種,分別為"基于代價函數(shù)的控制方法"以及"基于擾動觀測器的控制方法"。實踐經(jīng)驗顯示,與前者相比,后者的應(yīng)用效果更加理想?？梢?為提高永磁同步電機預(yù)測電流控制水平,有必要對擾動觀測器的應(yīng)用方法進(jìn)行分析,并對其應(yīng)用效果進(jìn)行觀察。

1永磁同步電機結(jié)構(gòu)

永磁同步電機包括多種類型,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與梯形波永磁同步電機兩種。兩者相比,后者具有轉(zhuǎn)矩大、成本低的優(yōu)勢,但在應(yīng)用過程中,機械往往伴有較大的損耗,因此應(yīng)用范圍相對狹窄。近些年來,隨著工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)展規(guī)模的擴大,正弦波永磁同步電機的應(yīng)用范圍同樣逐漸擴大,該類型永磁同步電機的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn),本文所指永磁同步電機,均為正弦波永磁同步電機。正弦波永磁同步電機的結(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。電機運行過程中,繞組可隨之與三相電流的電源相互連接,此時,電流將以電氣的形式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,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代表電機極對數(shù)。

利用上述公式,便可獲悉永磁同步電機預(yù)測電流控制的要點。

2用于永磁同步電機預(yù)測電流控制的擾動觀測器設(shè)計

2.1不確定項觀測器

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

式中,I估代表觀測器的估計量:All、Al2均為常數(shù):f估代表當(dāng)前擾動觀測器所處運行狀態(tài)的估計量: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運行過程中可能產(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)境下運行的狀態(tài)進(jìn)行單獨設(shè)計,提高觀測器狀態(tài)設(shè)計的全面性,提高預(yù)測電流控制的有效性。

2.2穩(wěn)定性及G矩陣

受擾動項的影響,永磁同步電機運行過程中,穩(wěn)定性可能存在異常。為提高擾動觀測器設(shè)計的針對性,應(yīng)將擾動項模型納入到設(shè)計過程中[3]。本課題以李雅普諾夫函數(shù)為基礎(chǔ),針對擾動項問題建立了如下模型:

式中,V代表擾動項:ef代表擾動觀測器觀測過程中所存在的誤差。

因當(dāng)前擾動觀測器所處的運行狀態(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。通過對上述公式的計算可知,需合理選擇G矩陣,方可確保觀測器能夠穩(wěn)定運行,提高永磁同步電機預(yù)測電流的控制水平。本課題于建立G矩陣后,對其進(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),需對各項參數(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基于擾動觀測器的永磁同步電機預(yù)測電流控制方法

3.1永磁同步電機電壓模型

為確保擾動觀測器的應(yīng)用能夠有效提高永磁同步電機預(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,永磁同步電機的空間磁場分布形式通常以正弦式為主。實踐經(jīng)驗顯示,永磁同步電機的運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。排除各項因素影響后,永磁同步電機的兩相旋轉(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),通過對公式的計算,便可得到永磁同步電機的電壓數(shù)值。因當(dāng)前永磁同步電機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永磁同步電機電流控制算法

永磁同步電機運行過程中,應(yīng)通過控制電壓指令的方式,實現(xiàn)對預(yù)測電流的控制。如永磁同步電機需達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩,直軸電流與交軸電流則必須予以改變。電機啟動的瞬間及轉(zhuǎn)矩突變的瞬間,電機中的速度環(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),對電壓方程進(jìn)行計算,極容易導(dǎo)致電壓指令數(shù)值相對增大,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,對其進(jìn)行計算的過程中應(yīng)考慮到電壓矢量的問題,以電壓矢量為依據(jù)對數(shù)值進(jìn)行調(diào)整,便可得到較為可靠的計算結(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,提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3永磁同步電機死區(qū)補償

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

式中,r代表時間;a代表a相:l代表電壓。

通過對以上公式的計算,便可得到a相的損失電壓數(shù)值。此時,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)時間問題,實現(xiàn)對逆變器非線性的補償,提高永磁同步電機預(yù)測電流控制水平。

3.4永磁同步電機預(yù)測電流控制實驗

為評估以擾動觀測器為基礎(chǔ)的永磁同步電機預(yù)測電流控制效果,本課題通過實驗的方式對控制效果進(jìn)行了觀察。實驗所選永磁同步電機功率為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)將電機的運行模式設(shè)置為轉(zhuǎn)矩控制方式。開啟電機后,使g軸電流指令上升為2.5A,使d軸指令處于0,此時對PI控制器的電流階躍響應(yīng)情況進(jìn)行觀察,便可判斷出擾動觀測器的電流控制效果。本課題經(jīng)實驗后對電流控制效果的觀察發(fā)現(xiàn),擾動觀測器的應(yīng)用,能夠有效提高永磁同步電機預(yù)測電流的控制水平,提高電機運行的穩(wěn)定性及安全性。

4結(jié)語

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