基于参数自适应永磁同步电机电流控制.pdf

第 卷 年第 期 月.基于参数自适应永磁同步电机电流控制王朝庆 李鸿高(中国电子科技集团公司第四十三研究所 微系统安徽省重点实验室 合肥)摘 要:基于永磁同步电机、坐标系电流模型 运用自适应方法和稳定性理论 在模型参数未知的情况下 设计一种参数自适应电压矢量控制律 该控制律利用、轴电流误差、模型的估计参数等信息 通过引入误差反馈补偿、参数估计补偿等方式消除、电流的控制误差 并通过参数自适应律消除模型存在未知参数带来的影响特别是有效处理控制输入存在乘积因子未知的情况 较传统的 控制方法提高了环路控制的性能 通过仿真验证了该控制律的有效性关键词:永磁同步电机 电流控制 参数自适应中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:修回日期:作者简介:王朝庆()男 高级工程师 研究方向为伺服系统建模非线性系统控制、切换系统及复杂系统理论李鸿高()男 研究员高级工程师 研究方向为数字电路理论分析与系统设计 引 言永磁同步电机()具有效率高、使用方便、体积小等特点 获得了越来越多的场景应用 各种应用环境都需要对控制环路进行设计 控制环路从外到内依次是电流环、速度环和位置环 其中电流环处于绝对的核心地位 电流控制的优劣决定了转速控制的好坏和运转的稳定性 进而决定定位的精确性 如双环调速系统存在很多非线性和不确定的影响严重制约了系统的调速性能 电机在运行过程中参数受温度、定子电流和磁通饱和度等因素的影响 如随着温度的升高影响线圈电阻 电机工作状态变化时 其参数也会发生改变当电机长期运转时 造成实际参数与控制律中的设计不一致 导致电机的控制性能下降 因此在电机环路控制系统中 需要实时准确地获取电机的实际参数 最直观的解决方法是参数辨识 包括最小二乘法、卡 尔 曼 滤 波 算 法、模型参考自适应算法等 最小二乘法虽然结构简单 但需要处理大量的数据 存在数据易饱和的问题 且在非稳态条件下 跟踪能力较差 由于卡尔曼滤波算法的复杂性 往往不能同时估计多个未知参数 所以一般固定某些参数来实现对剩余其它参数的辨识同时该算法对噪声的鲁棒性较差 在模型参考自适应算法中 待辨识参数识别的准确率和快速性与算法中使用的参数具有较强的相关性 参数的选取会直接影响最终的辨识效果 卷因此 以上对于电机参数的处理方法采用大量的数据和复杂的理论进行预估 难以在工程中实现造成目前实际应用中多数的控制方法仍然采用传统的 控制 该方法具有结构简单 工程应用成熟最大的特点是不依赖于模型 所以导致该方法在实际的应用中难以使系统获得较高的性能为了解决上述问题 本文提出一种全参数自适应方法 同时考虑了电阻、电感、转子磁链等多个未知参数的影响 引入带有未知估计参数的、轴控制律 通过引入误差反馈补偿、参数估计补偿等方式消除、控制电流的稳态误差、提升了电流控制的快速性 并通过参数自适应律消除模型未知参数带来的影响 较传统的 控制方法提高了环路控制的性能 解决传统 中存在的控制精度低等问题 具有很好的工程实用价值 永磁同步电机数学模型本文研究的对象模型内置式永磁同步电机 将三相静止坐标系经过变换 可得到同步旋转坐标系模型 如式()所示 ()其中、分别表示、轴的输入控制电压、等效电流分量 表示定子电枢绕组电阻表示微分算子 表示转子机械角速度 表示永磁体产生的磁链 表示转子极对数假设:模型()中、为未知常量或慢变参数(、)且 已知、为可测量变量 参数自适应控制律设计为了解决较传统的 控制算法带来的控制精度低缺点 基于第 部分数学模型针对相电阻、相电感、转子磁链 等慢变参数未知的情况下推导设计电流环参数自适应控制律 如下框图 所示从图 可以看出 整个控制分为两个部分 分别为误差反馈补偿和参数估计补偿 前者用来消除控制系统的控制误差 后者用来消除未知参数带来的影响 提升了电流环路的性能指标图 系统控制原理框图 令 /代入式()变形得到:()其中、分别为、轴电流的期望值进一步定义、分别为、的估计值 同时定义、的误差分别为 代入式()得到:()定理:对于满足假设 的永磁同步数学模型()尽管模型中存在未知的参数 通过选择控制输入 使得、收敛于 期王朝庆等:基于参数自适应永磁同步电机电流控制其中、如式()所示 ()满足 同时估计的参数、取如式()自适应律:()证明:取李雅普诺夫能量函数为 则 将式()代入 得到:()()()其中 取 则 取 则 并将式()及、代入 后变换得:()其中 取 同时将式()代入 得:()()()证毕 仿真分析本文采用内置式永磁同步电机模型 通过/软件搭建的仿真系统如下图 所示 参数设定为:额定电压 额定电流 绕组电阻 电枢电感 永磁磁链为 转动惯量 粘性阻尼系数 /仿真设置:定步长 选取 专用仿真设定 使用 求解器选取仿真时间 该仿真系统包括电流环和速度环 其中速度环使用传统的 控制算法 电流环的、轴控制运用参数自适应控制算法 设定仿真参考转速为 /带载 速度环控制结构和参数不变 改变电流环控制器(分别为传统 和参数自适应在 控制策略下 如上图 所示)其中传统 控制器中、轴控制参数保持不变 轴 控制器参数选择分别为比例控制增益、积分控制增益为 轴 控制器比例控制增益、积分控制增益 本控制算法()将参数的初始条件分为初始值较大和较小两种情况分别进行仿真分析情形:本控制算法参数:选择初始条件()()()增益参数 图 系统仿真模型 卷图 轴电流误差仿真结果 从图 可以看出:在电机起动瞬间 传统 算法引起的速度环输出的 轴期望电流与实际电流误差()约为 超调 电机运行稳定后的稳态误差约为 本控制算法()在电机起动瞬间超调约为 电机运行稳定后的稳态误差约为 而两种算法作用在控制系统调节时间相当 同时 两种算法控制 轴电流时(如下图 所示)在电机起动瞬间基本没有引起超调 然而在电机运行稳定后传统 控制稳态误差浮动约为 比本控制算法 大情形:选择初始条件()()()增益参数 图 轴电流误差仿真结果图 轴电流误差仿真结果同理 在改变参数的初始条件而控制参数不变时 从图 可以看出:在电机起动瞬间 传统 算法引起的速度环输出的 轴期望电流与实际电流误差()约为 超调 电机运行稳定后的稳态误差约为 本控制算法在电机启动瞬间引起的()超调约为 电机运行稳定后的稳态误差约为 两种算法作用在控制系统调节时间相当 在 轴电流控制时(如图 所示)在电机运行稳定后传统 控制稳态误差浮动约为 比本控制算法 大图 轴电流误差仿真结果通过以上分析可知 两种控制算法控制结果均造成了、轴电流的波动 原因是来自控制系统本身的响应迟滞及速度环输出的指令电流波动造成的然在相同的速度环控制结构下 本控制算法在电机相电阻、相电感、转子磁链等参数未知的情况下对电流环进行控制 相比于传统的不依赖模型的传统 控制 在电机的起动过程引起 轴电流的超调及电机运行稳定后、轴电流的稳态误差方面优于 控制 最终使电机输出的力矩更平稳 另外在该仿真系统中被控对象实际电机模型相对于式()的理论模型实质上也存在固定的扰动 因此即使系统存在扰动的情况下 本控制算法较传统的 算法具有明显的优势 结 论本文以永磁同步电机旋转、轴数学模型为研究对象 考虑到实际模型中的参数未知性因素 运用李亚普诺夫稳定性理论及参数自适应方法 设计一种控制算法 该算法消除模型未知参数甚至控制输入存在乘积未知项的情况下带来的影响 不仅仅适应 控制 也能够很容易拓展到弱磁控制等应用 对参数的初始的选择不依赖 可以推广至无刷电机、感应电机等电机控制领域中使用参考文献 刘细平 胡卫平 张云 等.多参数辨识方法的研究.电力电子技术 ():.李宏韬 李红梅.驱动系统的无模型电流预测控制.微特电机 ():.石建飞 戈宝军 吕艳玲 等.永磁同步电机在线参数辨识方法研究 电机与控制学报 ():.(下转第 页)卷磁噪声 以转子辅助槽尺寸、隔磁桥尺寸、磁钢尺寸及夹角为优化变量 电机在优化后最大降噪量达到 显著提高了产品的 性能()针对多目标优化的权重分配问题 本文将部分优化目标视为强约束条件 通过将峰值转矩、铁耗、径向力作为约束条件 大扭矩和小扭矩工况 转矩谐波作为优化目标 获得了降噪效果显著的优化方案()通过多物理场分析方法对车用电机电磁噪声问题进行识别 规范了车用电机电磁噪声问题优化时变量选择、目标选择、约束条件的制定基本原理本文优化方法显著降低了车用电机的电磁噪声 为车用电机电磁噪声问题分析优化提供了一种有效的思路参考文献 .:.:.():.王晓远 贺晓钰 高鹏.电动汽车用 型磁钢转子永磁电机的电磁振动噪声削弱方法研究.中国电机工程学报 ():.乔琰 刘景林 王丹青.商用电动车用永磁同步电机电磁振动噪声削弱方法.微电机 ():.胡溧 张桐 袁爽 等.加速工况下永磁同步电机电磁噪声分析与优化.微电机 ():.():.():.苏辉 张立军 孟德建 等.车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真和试验研究.振动与冲击 ():.():.:.():.(上接第 页).():.刘细平 胡卫平 邹永玲 等.改进粒子群算法的永磁同步电机多参数辨识.电机与控制学报 ():.():.荀倩 王培良 李祖欣 等.基于递推最小二乘法的永磁伺服系统参数辨识.电工技术学报 ():.李旭春 张鹏 严乐阳 等.具有参数辨识的永磁同步电机无位置传感器控制.电工技术学报 ():.张梓绥 王琛琛 游小杰 等.基于单 轴电流调节器的永磁同步电机电流轨迹控制.电工技术学报 ():.徐波 沈海峰.含不确定参数的永磁同步电机位置自适应控制.电机与控报 ():.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: