基于扰动观测器的永磁同步电机预测电流控制研究

引言

对永磁同步电机预测电流进行控制,目的在于增强机械的动态性能。目前,常用的预测电流控制方法包括两种,分别为"基于代价函数的控制方法"以及"基于扰动观测器的控制方法"。实践经验显示,与前者相比,后者的应用效果更加理想。可见,为提高永磁同步电机预测电流控制水平,有必要对扰动观测器的应用方法进行分析,并对其应用效果进行观察。

1永磁同步电机结构

永磁同步电机包括多种类型,如以电枢绕组供电电波形式作为划分依据,则可将其分为正弦波永磁同步电机与梯形波永磁同步电机两种。两者相比,后者具有转矩大、成本低的优势,但在应用过程中,机械往往伴有较大的损耗,因此应用范围相对狭窄。近些年来,随着工业等领域发展规模的扩大,正弦波永磁同步电机的应用范围同样逐渐扩大,该类型永磁同步电机的优势逐渐显现,本文所指永磁同步电机,均为正弦波永磁同步电机。正弦波永磁同步电机的结构,包括表面式、嵌入式、径向式、切向式四种。四种结构中,表面式最为常见。电机运行过程中,绕组可随之与三相电流的电源相互连接,此时,电流将以电气的形式产生旋转磁动势,使旋转磁场形成,使转子旋转。可以看出,转子的旋转情况与永磁同步电机的电流频率存在一定的联系,两者之间的联系如下:

式中,n代表转子速度:n0代表磁场速度:fl代表电流频率:Pn代表电机极对数。

利用上述公式,便可获悉永磁同步电机预测电流控制的要点。

2用于永磁同步电机预测电流控制的扰动观测器设计

2.1不确定项观测器

为提高永磁同步电机预测电流的控制水平,应首先对不确定项扰动观测器进行优化设计。过于复杂的算法易增加运算量,导致模型的计算难度上升,影响设计效率。因此,本课题将线性降阶观测器应用到了设计过程中,建立了扰动观测器的预测电流控制模型,并对其不确定项进行了评估。如以f代表当前扰动观测器所处的运行状态,则可将观测器设计为:

式中,I估代表观测器的估计量:All、Al2均为常数:f估代表当前扰动观测器所处运行状态的估计量:Bl、E同样代表常数:i代表电流:u代表电压。

考虑到永磁同步电机运行过程中可能产生高频噪声,进而导致观测器稳定性下降,因此需将观测器于高频噪声环境下运行的状态进行单独设计,提高观测器状态设计的全面性,提高预测电流控制的有效性。

2.2稳定性及G矩阵

受扰动项的影响,永磁同步电机运行过程中,稳定性可能存在异常。为提高扰动观测器设计的针对性,应将扰动项模型纳入到设计过程中[3]。本课题以李雅普诺夫函数为基础,针对扰动项问题建立了如下模型:

式中,V代表扰动项:ef代表扰动观测器观测过程中所存在的误差。

因当前扰动观测器所处的运行状态（f）为影响误差的主要因素,由此可知,ef为f估与f间的差值。通过对上述公式的计算可知,需合理选择G矩阵,方可确保观测器能够稳定运行,提高永磁同步电机预测电流的控制水平。本课题于建立G矩阵后,对其进行了分析,结果表明,观测器的收敛速度与矩阵中的参数有关,需对各项参数与虚轴之间的距离进行控制,方可抑制干扰,准确测量噪声。

3基于扰动观测器的永磁同步电机预测电流控制方法

3.1永磁同步电机电压模型

为确保扰动观测器的应用能够有效提高永磁同步电机预测电流控制的水平,建立相应的电压参数较为重要。当磁路处于不饱和状态时,永磁同步电机的空间磁场分布形式通常以正弦式为主。实践经验显示,永磁同步电机的运行可受磁滞等因素的影响而出现异常,但因上述影响短期内较小,因此无需给予关注。排除各项因素影响后,永磁同步电机的两相旋转dg坐标系方程如下:

上述公式中,dg为两相旋转坐标,通过对公式的计算,便可得到永磁同步电机的电压数值。因当前永磁同步电机电流及电压的控制方法均为数字控制,需将数字控制的因素纳入到模型的计算过程中,进一步提高电流控制的有效性。

3.2永磁同步电机电流控制算法

永磁同步电机运行过程中,应通过控制电压指令的方式,实现对预测电流的控制。如永磁同步电机需达到最大转矩,直轴电流与交轴电流则必须予以改变。电机启动的瞬间及转矩突变的瞬间,电机中的速度环PI控制器所给出的期望电流数值一般较大,如以该电流为基础,对电压方程进行计算,极容易导致电压指令数值相对增大,造成预测电流控制算法的准确性下降。通常情况下,逆变器能够输出的电压均存在一定的限制,最大值不得超过（3I/2lDC）/3。因此,为提高电压指令数值的准确性,对其进行计算的过程中应考虑到电压矢量的问题,以电压矢量为依据对数值进行调整,便可得到较为可靠的计算结果。值得注意的是,以电压矢量为依据,明确永磁同步电机电流控制算法的过程中,应充分考虑到电压的最大值,考虑到电压与电流之间的关系,提高计算结果的准确性。

3.3永磁同步电机死区补偿

永磁同步电机运行过程中,死区时间为影响逆变器输出电压的主要因素之一。如电机性能无异常,电机的电流为正,则死区时间为负,反之则否。为解决死区补偿的问题,本课题将逆变器开通以及关闭的时间应用到了计算过程中,对损失电压进行了计算,公式如下:

式中,r代表时间;a代表a相:l代表电压。

通过对以上公式的计算,便可得到a相的损失电压数值。此时,需将所得到的损失电压数值与电压指令值相互结合,以解决死区时间问题,实现对逆变器非线性的补偿,提高永磁同步电机预测电流控制水平。

3.4永磁同步电机预测电流控制实验

为评估以扰动观测器为基础的永磁同步电机预测电流控制效果,本课题通过实验的方式对控制效果进行了观察。实验所选永磁同步电机功率为I.2kw,电流为5A,转速为3000r/min,电阻为0.525Q,转矩为4N·m。为提高测试结果的准确性,应将电机的运行模式设置为转矩控制方式。开启电机后,使g轴电流指令上升为2.5A,使d轴指令处于0,此时对PI控制器的电流阶跃响应情况进行观察,便可判断出扰动观测器的电流控制效果。本课题经实验后对电流控制效果的观察发现,扰动观测器的应用,能够有效提高永磁同步电机预测电流的控制水平,提高电机运行的稳定性及安全性。

4结语

综上所述,以扰动观测器为基础,对永磁同步电机预测电流进行控制,能有效缩短逆变器的死区时间,减少电压扰动,降低定子电流误差率,提高永磁同步电机预测电流控制水平。未来,工业、汽车及机器人控制等相关领域,应积极采用扰动观测器对永磁同步电机的预测电流进行控制,进一步增强永磁同步电机的性能,提高生产质量及安全性。