CN108649850B - Ude的内置式永磁同步电机电流控制方法 - Google Patents

Abstract

一种改进UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法：在当前控制周期，对电机实际转速，转子位置角，电机三相电流，直流母线电压进行采样，利用三相旋转坐标系到两相静止坐标系变换求解出d、q轴实际电流；根据电机给定转速与电机实际转速的差值，得到q轴参考电流，计算出d轴参考电流i_d ^*；利用d、q轴参考电流与实际电流的差值，改进UDE的电流控制器，分别得到d、q轴电压的参考值；将得到的d、q轴的电压参考值变换到两相旋转坐标系下的电压参考值，得到对应逆变器的PWM脉冲，由逆变器输出得到三相电压，用于驱动内置式永磁同步电机；重复循环。本发明抑制参数不确定和系统中的随机扰动的同时，减小暂稳态转矩波动，提高内置式永磁同步电机控制系统的性能。

Description

UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机控制方法。特别是涉及一种UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车的猛速发展，内置式永磁同步电机(Interior permanentmagnet synchronous machine,IPMSM)由于具有高功率密度、高转矩密度和高效率的优点受到广大科研人员和工程人员的关注。它结构简单，有利于控制；可利用其磁阻效应来提高电机的效率和带载能力。然而。电动汽车作为一个复杂工况的系统，整个电机系统在运行过程中易受到温度导致的参数变化、系统随机扰动和负载工况的影响，因此对内置式永磁同步电机的性能提出了更高的要求。

为了提高电机的运行效率，内置式永磁同步电机通常采用最大转矩电流比(Maximum torque per ampere,MTPA)控制得到d轴电流给定，从而充分利用磁阻转矩；传统控制算法中系统的电流环使用比例积分(PI)的矢量控制方法，通过电压解耦得到d、q轴电压给定值。然而，传统控制算法中采用PI控制器的电流环结构虽然控制简单并成功应用于工业控制中，但一组PI参数仅适用于一段工况，无法在整个控制范围内获得期望的控制效果。传统PI结构的电流环控制性能在参数变化、系统随机扰动和复杂的负载工况下难以获得期望的效果，从而引入参数不确定和随机扰动观测的电流控制方法。

参数不确定和随机扰动观测方法将参数变化和系统随机扰动等视为未知项，采用一个稳定的参考模型来满足闭环系统所期望跟踪给定的性能，将参数不确定和系统扰动通过一个合适的滤波器即可被用于实际的控制器中。但是，参考模型选择和参数的调节方法影响系统的控制性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改善传统PI控制器的电流环的UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法，包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对电机实际转速n，转子位置角θ，电机三相电流i_A、i_B和i_C，以及直流母线电压u_dc进行采样，并利用三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换求解出d、q轴实际电流i_d、i_q；

2)根据电机给定转速n^*与电机实际转速n的差值，通过比例积分控制器得到q轴参考电流i_q ^*，采用最大转矩电流比控制方法中的公式法计算出d轴参考电流i_d ^*；

3)利用d、q轴参考电流i_d ^*、i_q ^*与实际电流i_d、i_q的差值，通过UDE的电流控制器，分别得到d、q轴电压的参考值u_d、u_q；

所述UDE的电流控制器包括如下的线性参考模型：

式中，x_m(t)＝[i_dmi_qm]^T为d、q轴参考模型中电流矢量矩阵，c(t)＝[i_d ^*i_q ^*]^T为d、q轴参考电流给定矢量矩阵，A_m、B_m为对应x_m(t)、c(t)的系数矩阵；

为了保证控制系统的稳定性，将线性参考模型的系数矩阵A_m、B_m表示如下：

式中，α、β均为正实数，保证控制系统有两个负的特征值，满足李雅普诺夫稳定理论；

对于控制系统中出现的参数不确定和系统随机扰动，使用一阶低通滤波器g_f(t)补偿系统中的扰动，所述一阶低通滤波器g_f(t)的频域形式G_f(s)表示如下：

式中，γ＝1/T，γ为所选择的一阶低通滤波器的带宽；

通过一阶低通滤波器g_f(t)能够观测到参数不确定和系统随机扰动量

即：

式中，“*”为卷积算子，A、B为x(t)、u(t)的系数矩阵，x(t)＝[i_di_q]^T为d、q轴实际电流矩阵，u(t)＝[u_du_q]^T为d、q轴参考电压矩阵，同时为控制系统输入，f(t)＝[f_df_q]^T为d、q轴参数不确定矩阵，D(t)＝[D_dD_q]^T为d、q轴随机扰动矩阵，L_d、L_q为d、q轴电感，ψ_f为转子磁链，R_s为定子电阻，

为d、q轴已知扰动矩阵，

由线性参考模型和一阶低通滤波器得到UDE的电流控制器的控制系统输入u(t)为：

u(t)＝B^-1[A_mx_m(t)+B_mc(t)-Ax(t)-d₀(t)-f(t)-D(t)]

式中，B^-1为系数矩阵B的逆矩阵；

因此控制系统输入u(t)在频域内表示为：

式中，U(s)＝[U_dU_q]^T为控制系统输入在d、q轴的频域形式，E(s)为电流跟随误差的频域形式，I为单位矩阵，参数K_P和K_I表示为：

所述控制系统输入u(t)中的参数K_I的调节方法为：

将参数K_I在原固有参数γ_d0、γ_q0上增加可变参数γ_d1、γ_q1得到

如下式所示：

固有参数γ_d0、γ_q0由α、β和γ确定；d轴可变参数γ_d1是将d轴实际电流与参考电流的差值经过比例控制器得到，q轴可变参数γ_q1是将q轴参考电流与实际电流的差值经过比例控制器得到，如下式所示：

4)将得到的d、q轴的电压参考值u_d、u_q变换到两相静止坐标系下的电压参考值u_α、u_β，采用电压空间矢量调制方法，得到对应逆变器的PWM脉冲，由逆变器输出得到三相电压，用于驱动内置式永磁同步电机；

5)返回步骤1)重复循环。

本发明的UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法，是对内置式永磁同步电机电流控制方法进行改进。提出将参数不确定和随机扰动观测方法应用于内置式永磁同步电机控制系统中，改善传统PI控制器的电流环。通过选择合适的参考模型，同时提出新的参数调节方法，得到期望电压的输出值。本发明的方法是采用参数不确定和随机扰动观测的内置式永磁同步电机电流控制方法，选择的参考模型保证系统的稳定性，一阶低通滤波器对系统随机扰动进行补偿，实现电流的渐近跟随。可以明显抑制参数不确定和系统中的随机扰动的同时，减小了暂稳态的转矩波动，进而极大地提高了内置式永磁同步电机控制系统的性能。

附图说明

图1是本发明UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法的主电路结构图；

图2是本发明UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法的控制结构图；

图3a是本发明UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法在d轴的原理图；

图3b是本发明UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法在q轴的原理图；

图4a是本发明中参数K_I的调节方法在d轴的原理图；

图4b是本发明中参数K_I的调节方法在q轴的原理图；

图5是本发明UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法做出详细说明。

本发明的UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法的控制系统框图如图1所示，PI表示比例积分控制器，电机实际转速n和位置信息θ由增量式编码器获得，i_d、i_q是通过电流传感器检测到实际值再经三相静止坐标系到两相旋转坐标系变化得到d、q轴的实际电流。根据所提出加入参数调节的UDE的电流控制器可得其原理图如图4所示。

内置式永磁同步电机在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型可表示为：

式中，L_d，L_q为d、q轴电感，ψ_f为转子磁链，P为电机的极对数，R_s为定子电阻，i_d，i_q为d、q轴的实际电流，ω_e为转子电角速度，T_e为电磁转矩。

电机给定转速n^*与实际转速n的差值，经过比例积分(PI)控制器得到q轴参考电流i_q ^*，d轴参考电流值采用最大转矩电流比(MTPA)控制，可由下式得出：

式中，i_q ^*为q轴参考电流给定值；

UDE的电流控制器使用的数学模型表示为：

其中：L_d、L_q为d、q轴电感，ψ_f为转子磁链，R_s为定子电阻，D_d，D_q分别为d、q轴的系统随机扰动量；f_d，f_q分别为d、q轴电机的电阻、电感和磁链变化量，表示如下：

为了实现电机实际电流与给定参考电流的渐近跟随，UDE的电流控制器中使用一个稳定的参考模型，来满足电流的跟随性能。现选择如下的线性参考模型：

式中，x_m(t)＝[i_dmi_qm]^T为d、q轴参考模型中电流矢量矩阵，c(t)＝[i_d ^*i_q ^*]^T为d、q轴参考电流给定矢量矩阵，A_m、B_m为对应x_m(t)、c(t)的系数矩阵；

为了保证系统的稳定性，参考模型的系数矩阵A_m、B_m如下所示：

式中，α、β均为正实数，保证系统有两个负的特征值，满足李雅普诺夫稳定理论。

将参数不确定和随机扰动通过一个带宽合适的滤波器，加入系统中；从而能够快速的估计和补偿参数不确定和随机扰动部分，提高系统的鲁棒性。本发明系统中所使用的滤波器为一阶低通滤波器g_f(t)，补偿系统中的扰动，所述一阶低通滤波器g_f(t)的频域形式G_f(s)如下所示：

式中，γ＝1/T，γ为所选择的一阶低通滤波器的带宽。

通过上述一阶低通滤波器g_f(t)能够观测到参数不确定和系统随机扰动量

即：

式中，“*”为卷积算子，A、B为x(t)、u(t)的系数矩阵，x(t)＝[i_di_q]^T为d、q轴实际电流矩阵，u(t)＝[u_du_q]^T为d、q轴参考电压矩阵，同时为控制系统输入，f(t)＝[f_df_q]^T，D(t)＝[D_dD_q]^T，

为d、q轴已知扰动矩阵，

由线性参考模型和一阶低通滤波器得到UDE的电流控制器的控制系统输入u(t)为：

u(t)＝B^-1[A_mx_m(t)+B_mc(t)-Ax(t)-d₀(t)-f(t)-D(t)] (8)

式中，B^-1为系数矩阵B的逆矩阵。

因此控制系统输入u(t)在频域内表示为：

式中，U(s)＝[U_dU_q]^T为控制系统输入在d、q轴的频域形式，E(s)为电流跟随误差的频域形式，I为单位矩阵，参数K_P和K_I表示为：

但是UDE的电流控制器中参数受到不同扰动的影响而对应不同的值，为了实现参数自适应，所述控制系统输入u(t)中的参数K_I的调节方法为：

将参数K_I在原固有参数γ_d0、γ_q0上增加可变参数γ_d1、γ_q1得到

如下式所示：

固有参数γ_d0、γ_q0由α、β和γ确定；d轴可变参数γ_d1是将d轴实际电流与参考电流的差值经过比例控制器得到，q轴可变参数γ_q1是将q轴参考电流与实际电流的差值经过比例控制器得到，如下式所示：

如图5所示，本发明的UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法，具体包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对电机实际转速n，转子位置角θ，电机三相电流i_A、i_B和i_C，以及直流母线电压u_dc进行采样，并利用三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换求解出d、q轴实际电流i_d、i_q；

2)根据电机给定转速n^*与电机实际转速n的差值，通过比例积分(PI)控制器得到q轴参考电流i_q ^*，采用最大转矩电流比(MTPA)控制方法中的公式法计算出d轴参考电流i_d ^*；

3)利用d、q轴参考电流i_d ^*、i_q ^*与实际电流i_d、i_q的差值，通过UDE电流控制器，分别得到d、q轴电压的参考值u_d、u_q；其中，

所述UDE的电流控制器包括如下的线性参考模型：

式中，x_m(t)＝[i_dmi_qm]^T为d、q轴参考模型中电流矢量矩阵，c(t)＝[i_d ^*i_q ^*]^T为d、q轴参考电流给定矢量矩阵，A_m、B_m为对应x_m(t)、c(t)的系数矩阵；

为了保证控制系统的稳定性，将线性参考模型的系数矩阵A_m、B_m表示如下：

式中，α、β均为正实数，保证控制系统有两个负的特征值，满足李雅普诺夫稳定理论；

对于控制系统中出现的参数不确定和系统随机扰动，使用一阶低通滤波器g_f(t)补偿系统中的扰动，所述一阶低通滤波器g_f(t)的频域形式G_f(s)表示如下：

式中，γ＝1/T，γ为所选择的一阶低通滤波器的带宽。

通过一阶低通滤波器g_f(t)能够观测到参数不确定和系统随机扰动量

即：

式中，“*”为卷积算子，A、B为x(t)、u(t)的系数矩阵，x(t)＝[i_di_q]^T为d、q轴实际电流矩阵，u(t)＝[u_du_q]^T为d、q轴参考电压矩阵，同时为控制系统输入，f(t)＝[f_df_q]^T为d、q轴参数不确定矩阵，D(t)＝[D_dD_q]^T为d、q轴随机扰动矩阵，L_d、L_q为d、q轴电感，ψ_f为转子磁链，R_s为定子电阻，

为d、q轴已知扰动矩阵，

ω_e为转子电角速度；

由线性参考模型和一阶低通滤波器得到UDE的电流控制器的控制系统输入u(t)为：

u(t)＝B^-1[A_mx_m(t)+B_mc(t)-Ax(t)-d₀(t)-f(t)-D(t)]

式中，B^-1为系数矩阵B的逆矩阵；

因此控制系统输入u(t)在频域内表示为：

式中，U(s)＝[U_dU_q]^T为控制系统输入在d、q轴的频域形式，E(s)为电流跟随误差的频域形式，I为单位矩阵，参数K_P和K_I表示为：

所述控制系统输入u(t)中的参数K_I的调节方法为：

将参数K_I在原固有参数γ_d0、γ_q0上增加可变参数γ_d1、γ_q1得到

如下式所示：

固有参数γ_d0、γ_q0由α、β和γ确定；d轴可变参数γ_d1是将d轴实际电流与参考电流的差值经过比例控制器得到，q轴可变参数γ_q1是将q轴参考电流与实际电流的差值经过比例控制器得到，如下式所示：

4)将得到的d、q轴的电压参考值u_d、u_q变换到两相静止坐标系下的电压参考值u_α、u_β，采用电压空间矢量调制(SVPWM)方法，得到对应逆变器的PWM脉冲，由逆变器输出得到三相电压，用于驱动内置式永磁同步电机；

5)返回步骤1)重复循环。

Claims (1)

1.一种UDE的内置式永磁同步电机电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对电机实际转速n，转子位置角θ，电机三相电流i_A、i_B和i_C，以及直流母线电压u_dc进行采样，并利用三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换求解出d、q轴实际电流i_d、i_q；

2)根据电机给定转速n^*与电机实际转速n的差值，通过比例积分控制器得到q轴参考电流i_q ^*，采用最大转矩电流比控制方法中的公式法计算出d轴参考电流i_d ^*；

3)利用d、q轴参考电流i_d ^*、i_q ^*与实际电流i_d、i_q的差值，通过UDE的电流控制器，分别得到d、q轴电压的参考值u_d、u_q；

所述UDE的电流控制器包括如下的线性参考模型：

式中，x_m(t)＝[i_dmi_qm]^T为d、q轴参考模型中电流矢量矩阵，c(t)＝[i_d ^*i_q ^*]^T为d、q轴参考电流给定矢量矩阵，A_m、B_m为对应x_m(t)、c(t)的系数矩阵；

为了保证控制系统的稳定性，将线性参考模型的系数矩阵A_m、B_m表示如下：

式中，α、β均为正实数，保证控制系统有两个负的特征值，满足李雅普诺夫稳定理论；

对于控制系统中出现的参数不确定和系统随机扰动，使用一阶低通滤波器g_f(t)补偿系统中的扰动，所述一阶低通滤波器g_f(t)的频域形式G_f(s)表示如下：

式中，γ＝1/T，γ为所选择的一阶低通滤波器的带宽；

通过一阶低通滤波器g_f(t)能够观测到参数不确定和系统随机扰动量

即：

式中，“*”为卷积算子，A、B为x(t)、u(t)的系数矩阵，x(t)＝[i_di_q]^T为d、q轴实际电流矩阵，u(t)＝[u_du_q]^T为d、q轴参考电压矩阵，同时为控制系统输入，f(t)＝[f_df_q]^T为d、q轴参数不确定矩阵，D(t)＝[D_dD_q]^T为d、q轴随机扰动矩阵，L_d、L_q为d、q轴电感，ψ_f为转子磁链，R_s为定子电阻，

为d、q轴已知扰动矩阵，

由线性参考模型和一阶低通滤波器得到UDE的电流控制器的控制系统输入u(t)为：

u(t)＝B^-1[A_mx_m(t)+B_mc(t)-Ax(t)-d₀(t)-f(t)-D(t)]

式中，ω_e为转子电角速度；B^-1为系数矩阵B的逆矩阵；

因此控制系统输入u(t)在频域内表示为：

式中，U(s)＝[U_dU_q]^T为控制系统输入在d、q轴的频域形式，E(s)为电流跟随误差的频域形式，I为单位矩阵，参数K_P和K_I表示为：

所述控制系统输入u(t)中的参数K_I的调节方法为：

将参数K_I在原固有参数γ_d0、γ_q0上增加可变参数γ_d1、γ_q1得到

如下式所示：

固有参数γ_d0、γ_q0由α、β和γ确定；d轴可变参数γ_d1是将d轴实际电流与参考电流的差值经过比例控制器得到，q轴可变参数γ_q1是将q轴参考电流与实际电流的差值经过比例控制器得到，如下式所示：

4)将得到的d、q轴的电压参考值u_d、u_q变换到两相静止坐标系下的电压参考值u_α、u_β，采用电压空间矢量调制方法，得到对应逆变器的PWM脉冲，由逆变器输出得到三相电压，用于驱动内置式永磁同步电机；

5)返回步骤1)重复循环。

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