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高速IPMSM离散滑模电流补偿解耦控制

电力电子技术 2018年第5期52卷 54-57页

作者：董砚辛瑞芝荆锴张豪河北工业大学控制科学与工程学院天津300132

内嵌式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统中,由于坐标变换引入与速度有关的交叉耦合项和系统控制延迟的影响,使得高速IPMSM在数字控制中电流环解耦性能下降。针对传统离散复矢量电流控制器只适用于表贴式永磁电机,不适用于IPMSM;同时对... 详细信息

内嵌式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统中,由于坐标变换引入与速度有关的交叉耦合项和系统控制延迟的影响,使得高速IPMSM在数字控制中电流环解耦性能下降。针对传统离散复矢量电流控制器只适用于表贴式永磁电机,不适用于IPMSM;同时对电机参数变化敏感,不能满足系统鲁棒性的问题,根据IPMSM d,q轴电感不相等的特点,建立了相应的离散数学模型,并根据零极点对消原理提出了离散电流控制器。同时,为提高系统的鲁棒性和参数不变性,设计了带离散滑模电流补偿解耦控制器。通过仿真和实验加以证明,结果表明该控制策略能有效实现d,q轴电流解耦,同时提高了系统动态性能。

关键词：永磁同步电机电流环解耦离散数学模型

基于改进搜索法的永磁同步电机最大转矩电流比控制研究

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基于改进搜索法的永磁同步电机最大转矩电流比控制研究

作者：沈启迪浙江大学

学位级别：硕士

永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率密度高和功率因数高等显著优点,其中,内置式永磁同步电机因为磁阻转矩的存在,拥有更高的起动转矩密度,而内嵌的永磁体布置也保证了较高的机械强度,因此内置式永磁同步电机在高速大扭矩的应用场... 详细信息

永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率密度高和功率因数高等显著优点,其中,内置式永磁同步电机因为磁阻转矩的存在,拥有更高的起动转矩密度,而内嵌的永磁体布置也保证了较高的机械强度,因此内置式永磁同步电机在高速大扭矩的应用场合更受青睐,成为当前国内外新能源车企首选的主驱电机。为了降低铜耗,内置式永磁同步电机在基速区内会采用最大转矩电流比控制。然而,内置式永磁同步电机作为一类复杂的受控对象,其电机参数具有高度非线性变化的特征,d-q轴电感、永磁体磁链会随着铁芯饱和程度的变化或温度的变化而改变,进而导致现有依赖参数的最大转矩电流比控制和解耦算法出现控制偏差,增加了电机的损耗,降低了系统的动态性能。针对上述问题,本文主要研究内容和创新工作如下:提出一种基于修正公式的改进MTPA搜索策略。不同于传统的搜索方法,此方案对理论推导的公式进行修正,引入调节系数α改变MTPA控制下的d轴电流参考指令。通过调节α可以补偿三个电机参数变化带来的电流控制偏差,避免对电机d-q轴电感和磁链进行辨识或者插值查表。同时,由于结合了公式法,其d轴电流参考指令的变化相比于传统搜索法更快,提升了搜索算法的暂态性能。经过采样和低通滤波处理后的定子电流作为算法的输入,采用梯度下降法进行调节系数α的在线搜索,用以对电机参数的非线性变化进行补偿,实现精确的MTPA控制。由于d-q旋转坐标系下的电压方程仍然存在动态耦合的问题,在恒转矩变转速和恒转速变转矩的工况下,d-q轴的电流响应均会出现超调现象,进而导致定子电流响应出现超调。定子电流的超调会直接影响搜索法的稳态性能和暂态性能,因此,针对电机参数变化对解耦器性能的影响,设计了一种新型复矢量解耦模型,通过设置交叉解耦项和电流反馈补偿项,实现电流环的精确解耦,减小电流响应的超调,进一步提升改进MTPA搜索法的稳态性能和暂态性能。最后,结合基于修正公式的改进MTPA搜索策略和新型复矢量解耦控制模型,提出了一种基于改进搜索法的最大转矩电流比控制方案。选用国产A0级纯电动汽车的主驱动电机搭建了车用内置式永磁同步电机的实验平台,进行实验测试,结果验证了本文提出的控制方案的稳态性能和暂态性能。

关键词：内置式永磁同步电机参数非线性变化最大转矩电流比电流环解耦

基于LADRC的LCL型并网逆变器电流环控制研究

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基于LADRC的LCL型并网逆变器电流环控制研究

作者：王子江华南理工大学

学位级别：硕士

随着能源短缺和环境问题的日益严重,以太阳能、风能等“绿色”能源为主的分布式可再生能源发电技术受到了越来越多的关注。并网逆变系统作为分布式发电装置与电网之间的接口,发挥着不可替代的作用,其控制性能直接决定了并网电流质量的... 详细信息

随着能源短缺和环境问题的日益严重,以太阳能、风能等“绿色”能源为主的分布式可再生能源发电技术受到了越来越多的关注。并网逆变系统作为分布式发电装置与电网之间的接口,发挥着不可替代的作用,其控制性能直接决定了并网电流质量的好坏。为解决传统单电感L型滤波器带来的成本和体积问题,通常采用高频抑制能力相对更强的LCL型滤波器作为电网和逆变器之间的谐波过滤装置。然而,传统的依赖模型的控制算法难以解决LCL滤波器在dq坐标系下耦合复杂且具有谐振特性的缺点,限制了LCL型并网逆变器性能的提升。鉴于线性自抗扰控制器(LADRC)模型依赖度低,能够同时解决耦合及谐振问题,且不增加系统硬件成本的优点,本文对基于LADRC的LCL型并网逆变系统电流环控制策略展开研究。本文首先从LCL型三相PWM并网逆变器的数学模型出发,通过机理法建立了LCL型并网逆变器在dq坐标系下的数学模型,并对模型的耦合特性和谐振特性进行了分析,为引入线性自抗扰控制技术奠定基础。其次,通过建立LCL滤波器在并网模式下的谐波模型,研究了LCL滤波器参数与谐波抑制效果之间的关系,并结合LCL的参数设计约束,设计出了样机LCL滤波器参数,同时进行了仿真验证。随后,详细介绍了LADRC技术的基本原理,在此基础上设计了以电网电流闭环的三阶LADRC控制器,通过求取电流环的等效传递函数,对LADRC控制器的各项性能进行了分析,并结合仿真分析,证明了三阶LADRC控制策略的可行性。针对三阶LADRC控制器结构复杂,参数整定和性能分析不便的问题,在对比分析了电网电流反馈和逆变器侧电流反馈两种控制方式后,对电流环控制策略进行改进和简化,结合复阻抗前馈策略,设计了基于逆变器侧电流反馈的一阶LADRC控制器,解决了电流环控制器结构复杂且参数整定不便的问题,并通过仿真验证了改进简化后的控制策略的优越性。最后,为了验证LADRC在LCL并网逆变器系统电流环中的控制性能,以DSP+CPLD为控制核心设计了实验平台并进行实验验证,实验结果证明了本文采用的LADRC控制策略的有效性。

关键词：并网逆变器系统 LCL滤波器线性自抗扰控制电流环解耦谐振抑制

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内置式永磁同步电机的电流控制策略研究

内置式永磁同步电机的电流控制策略研究

作者：干兴业南京航空航天大学

学位级别：硕士

中国已成为世界第一汽车消费国,汽车内燃机排放的有害气体使得空气污染越来越严重,新能源汽车成为替代传统内燃机车的解决方案。新能源汽车驱动系统一般采用内置式永磁同步电机作为动力核心。本文主要围绕内置式永磁同步电机(Interior P... 详细信息

中国已成为世界第一汽车消费国,汽车内燃机排放的有害气体使得空气污染越来越严重,新能源汽车成为替代传统内燃机车的解决方案。新能源汽车驱动系统一般采用内置式永磁同步电机作为动力核心。本文主要围绕内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)的电流控制技术展开研究和试验。本文分析了IPMSM电机结构和运行原理,给出三相静止坐标系下电机数学模型,并结合坐标系变换原理,得到电机在dq0坐标系下的数学模型。在此基础上,使用复矢量建模的方法建立了交流电机的复矢量数学模型,可把原电机系统降阶为单输入单输出系统,并利用经典控制理论分析方法对电流环进行解析,分析得出传统含PI电流调节器的永磁同步电机调速系统存在转速越高,交直轴耦合越严重,控制性能越差的缺陷。本文提出相对增益矩阵的概念来描述电流环的耦合,定量分析了电机系统随着转速的变化dq轴耦合的变化程度。本文采用内模解耦控制、前馈解耦控制和对角阵解耦控制这三种方法实现电流环的解耦,并利用复矢量建模工具以及从多变量控制系统角度对解耦方法进行分析验证,仿真和实验均显示三种解耦控制方法均可有效地减少电流环的耦合,提高转矩控制精度。使用控制变量法对三种解耦方法的参数鲁棒性进行了仿真分析,分析结果显示三种方法中对角阵解耦的参数鲁棒性最佳。根据IPMSM电机特点,在基速以下区域采用最大转矩电流比的电流控制策略,充分利用了内置式电机的磁阻转矩,与id=0电流控制策略相比在相同电流幅值限制下提高了电机的转矩输出。在基速以上区域采用弱磁电流控制,采用了负id补偿法和基于交直轴耦合效应的单电流调节器弱磁控制策略。最终电机空载和负载工况时的仿真和实验结果表明,两种方法均能使调速系统在弱磁区稳定运行,且母线电压利用率高,电机稳态时均处于最优工作点,拓宽了电机的转速范围。

关键词：内置式永磁同步电机电流控制策略电流环解耦最大转矩电流比弱磁控制

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永磁伺服电机的无差拍预测电流控制研究

永磁伺服电机的无差拍预测电流控制研究

作者：张本翔江苏大学

学位级别：硕士

在航空航天领域,机电作动器是飞控系统的关键组成部分,永磁同步电机(PMSM)由于其高可靠、高功率密度和高效率等特点逐渐成为机电作动器的核心驱动机构。采用传统的PI控制器往往难以满足对跟踪和参数鲁棒性的要求。本文对永磁同步电机的... 详细信息

在航空航天领域,机电作动器是飞控系统的关键组成部分,永磁同步电机(PMSM)由于其高可靠、高功率密度和高效率等特点逐渐成为机电作动器的核心驱动机构。采用传统的PI控制器往往难以满足对跟踪和参数鲁棒性的要求。本文对永磁同步电机的电流控制进行了研究和验证。传统PI控制考虑了较多的逆变器等非线性因素,控制器参数整定比较繁琐。本文针对此问题,采用简化环节后的电流环PI控制器,这样得到的控制参数易于整定,只需调节一个参数即可。转速环采用状态方程法进行设计,简化了设计环节,PI控制参数易于整定。但是在设计电流环时忽略了dq之间的交叉耦合项。电流耦合项在转速较低的场合一般影响不大,然而在中高速场合中,耦合项将对电流造成较大的扰动,影响控制效果。为解决耦合问题,本文采用状态反馈解耦、偏差解耦和复矢量解耦实现了对电流环的解耦控制。在偏差解耦和复矢量解耦中用理论推导,解算出解耦项。其次,分析了影响电流环带宽的因素,指出在跟踪、抗扰和噪声抑制中仅有一个可调参数限制了控制性能的提升,并分析出延时下的大带宽将产生超调,针对延时问题本文提出基于预测的电流PI控制,消除了电流的延时和超调,实现了较好的跟踪响应。采用预测的PI控制可以实现较好的电流跟踪,然而PI控制器中含有积分器可能产生积分饱和,导致电流整定时间变长。为此,本文提出无差拍预测控制,由于控制器中不含积分器,因此提高了电流的动态响应。然而无差拍预测是开环结构,控制效果依赖精确的数学模型,当实际中PMSM参数变化时将导致系统参数鲁棒性降低。为了提高无差拍预测控制的参数鲁棒性,本文提出基于无差拍预测的自抗扰控制,使用扩张状态观测器对电机参数变化引起的扰动进行观测和补偿,实现了电流跟踪和抗扰性能之间有两个控制参数,解决了PI控制器单个参数的问题。使用离散方法对设计的无差拍自抗扰进行分析,验证了在参数变化时的稳定性。针对无差拍预测控制实验中交替出现的一步延时和两步延时,本文对两步延时进行了理论分析和验证,指出无差拍预测控制无论参数是否准确都会在两步延时下不稳定,为解决此问题,本文将提出的自抗扰的无差拍应用在交替出现的一步延时和两步延时下,验证了自抗扰中的扩张状态观测器不仅能够在PMSM参数变化时,而且能在延时变化时有很好的参数鲁棒性。本文提出的解耦算法、基于预测的PI控制和无差拍自抗扰控制在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,并基于d SPACE公司的DS1103实验平台进行实验验证,仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

关键词：永磁同步电机电流环解耦无差拍预测控制参数鲁棒性两步延时自抗扰控制扩张状态观测器

电动汽车永磁同步电机制动能量回馈控制策略研究

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电动汽车永磁同步电机制动能量回馈控制策略研究

作者：李晓庆浙江大学

学位级别：硕士

燃油汽车给人们日常出行带来便利的同时,存在严重的污染排放问题。在节能减排的要求下,电动汽车因高能效、零排放、结构轻简、可随时充电的优点,已成为汽车工业未来的主要研究方向。由于目前电池材料和电池制造工艺的制约,电动汽车持续... 详细信息

燃油汽车给人们日常出行带来便利的同时,存在严重的污染排放问题。在节能减排的要求下,电动汽车因高能效、零排放、结构轻简、可随时充电的优点,已成为汽车工业未来的主要研究方向。由于目前电池材料和电池制造工艺的制约,电动汽车持续航行里程短。电机作为电动汽车的驱动装置,采用电磁制动时可以将传统机械制动消耗的能量转化为电能并回馈给电池以增加续航里程。因此研究并改善主驱动电机的动态性能和电动汽车制动过程中的能量回馈控制策略具有重要意义。首先,本文推导了永磁同步电机在三相ABC坐标系、两相静止坐标系和旋转坐标系下的数学模型,继而分析基于直流电压外环与直交轴电流内环的永磁同步电机矢量控制方法,并详细推导了电动汽车中永磁同步电机控制系统的基本能量回馈原理,包括永磁电机的发电工作模式与采用SVPWM方式调制时变流器中能量流动的具体过程。其次,在电动汽车制动过程中,由于dq轴电流分量之间的耦合会增加系统的能量损耗,导致回馈效率的降低,对旋转坐标系下电流内环控制算法进行较为详尽的研究:在理论上分析了传统PI算法的不足,并进一步提出一种单位矩阵解耦算法,可将电流内环的闭环传递函数单位对角化,从而实现了定子电流dq轴分量的有效解耦与损耗功率的减少。另一方面,在电动汽车制动过程中,当电池处于恒压充电模式时,为提高母线电压的动态性能与抗干扰性能,提出一种基于模糊PID的电压控制器。仿真和试验结果表明:母线电压环使用模糊PID,较传统PI控制方法,有效改善系统制动过程中的动态性能和提高抗干扰能力,同时在电流内环中使用单位矩阵解耦后,电流跟踪性能明显提高,直轴电流被严格控制在0值附近,有效解决了电流耦合问题,提高能量回馈效率并实现被控变量能的快速准确跟踪控制变量。最后,将所提的单位矩阵电流解耦算法与基于模糊PID的电压控制器在电动汽车的缓慢制动和紧急刹车这两种工况下进行测试,仿真和实验结果表明了所提算法的有效性。

关键词：永磁同步电机矢量控制回馈制动电流环解耦能量回收效率

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电驱动永磁同步电机高速及低载波比控制

电驱动永磁同步电机高速及低载波比控制

作者：王思清燕山大学

学位级别：硕士

随着永磁材料的发展,永磁同步电机的制造工艺水平得到了显著提升,因体积小、功率密度高、可靠性好等优点在工业应用中逐渐取代感应电机。与此同时,在电力电子技术发展的推动下,永磁同步交流伺服控制系统的数字化发展迅速。但是随着伺服... 详细信息

随着永磁材料的发展,永磁同步电机的制造工艺水平得到了显著提升,因体积小、功率密度高、可靠性好等优点在工业应用中逐渐取代感应电机。与此同时,在电力电子技术发展的推动下,永磁同步交流伺服控制系统的数字化发展迅速。但是随着伺服系统功率的提高,逆变器开关损耗问题逐渐加重,开关频率受到了限制,这对电机的控制性能是不利的。另一方面随着永磁同步电机制造技术水平的提高,高速以及超高速电机广泛应用在伺服工业领域,这也会使逆变器开关频率与电机运行频率之比减小,此时逆变器输出精度降低,控制性能变差。所以要对低载波比工况下的电流环耦合效应、数字控制延迟和电机参数变化对控制精度的影响进行深入分析,从整体上提高永磁同步电机控制系统性能。本文首先在连续域内构建三种坐标系下的永磁同步电机的数学模型,并在连续域中推导出电机复矢量模型;以连续域电机模型为基础最终得到电机离散化模型,为后续分别在连续域和离散域中设计电流调节做出铺垫。本文针对内嵌式永磁同步电机控制中电压耦合问题提出了连续域基于积分前馈解耦的电流调节器的设计方法,引入了两个可调解耦参数以及积分前馈项,减少了电流采样误差对解耦的影响,从而提高了解耦精度。针对数字控制中电流调节器离散误差以及一拍滞后延时,提出了考虑一拍滞后的数字电流调节器设计方法,避免了离散化误差,同时减小了调节器输出电压因数字延时造成的误差,提高了电流环的动态特性。针对控制系统应对电机运行时参数变化的敏感性问题,提出了基于预测电流的有源阻尼控制方法,等效增大了电机定子电阻并减少了电流采样误差对调节器的影响,提高了电机控制系统的鲁棒性。最后,通过MATLAB/Simulink仿真和基于AVL实验平台进行实验,实现永磁同步电机高速低载波比运行。通过分别对在连续域中直接设计的电流调节器和直接在离散域中设计的电流调节器进行对比实验,验证了基于积分前馈解耦的电流调节器和考虑一拍滞后的数字电流调节器控制策略的可行性和优势。

关键词：永磁同步电机电流环解耦 SVPWM 延时补偿参数敏感性

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被动式力矩伺服系统控制技术的研究

被动式力矩伺服系统控制技术的研究

作者：陈锋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着新型农业、医疗系统及机器人等新兴产业的发展,市场对负载模拟器需求及其核心控制技术要求越来越大。被动式力矩伺服控制技术作为负载模拟器核心技术,研究和发展被动式力矩伺服控制技术是完全有需求和必要的。与此同时,在传统电机... 详细信息

随着新型农业、医疗系统及机器人等新兴产业的发展,市场对负载模拟器需求及其核心控制技术要求越来越大。被动式力矩伺服控制技术作为负载模拟器核心技术,研究和发展被动式力矩伺服控制技术是完全有需求和必要的。与此同时,在传统电机工业的发展中,电机测试技术的推进,可以优化改良电机系统性能,而被动式力矩伺服系统作为测式技术的基石,所以本文对电机测试系统中加载电机控制系统及其控制算法进行了研究。具体内容如下:根据转矩平衡方程的数学模型可知通过合理调节被测电机负载转矩可以对等效惯量模拟。为了验证这一猜想,需要搭建相应的模拟平台并进行仿真实验与仿真波形分析。为了使测试系统始终具备良好的动态响应,对系统转动惯量进行了辨识。目前在线辨识精度较高的两种方法:带遗忘因子的最小二乘与模型参考自适应辨识算法来。在Simulink平台上分别搭建两种辨识算法的仿真模型,通过仿真结果对电机惯量辨识效果进行对比分析,来选定最佳的在线辨识算法。设计转矩速度曲线拟合(Fitting of torque speed curve,FOTSC)控制算法的仿真模型。根据该算法的数学模型可知,将该算法引入到被动式力矩伺服控制系统并实时惯量辨识,然后通过合理调节负载转矩和速度控制器,让加载电机可以对转动惯量与负载力矩无静差模拟。然后在搭建的仿真模型中验证上述猜想。在搭建的实验平台中硬件部分将采用TI公司的DSPx28335芯片作为主控芯片,然后通过CCS6.0仿真调试平台,来检验FOTSC控制算法的优良性。实验具体步骤将分为三步:第一步将进行满载高速实验,第二步将进行满载低速实验,第三步将进行切载实验。

关键词：被动式力矩伺服控制转矩速度曲线拟合控制算法惯量在线辨识电流环解耦

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基于扩张状态观测器的PMSM复合解耦控制

基于扩张状态观测器的PMSM复合解耦控制

作者：耿焱西安石油大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permsnent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借自身优越的调速性能、紧凑的物理结构、较快的响应速度以及较高的可靠性能等众多优点,深得交流传动控制系统和工业控制领域的青睐。对于航天航空、电气传动、电动汽车等对控... 详细信息

永磁同步电机(Permsnent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借自身优越的调速性能、紧凑的物理结构、较快的响应速度以及较高的可靠性能等众多优点,深得交流传动控制系统和工业控制领域的青睐。对于航天航空、电气传动、电动汽车等对控制性能要求较高的领域来说,高精度的电流环是十分重要的组成部分。因为永磁同步电机自身强耦合的特点会对系统电流环的控制精度造成一定的影响,因此通过改善电流环的解耦效果从而提高系统的控制精度是十分重要的研究方向。传统解耦控制策略最大的问题是解耦效果的好坏取决于电机参数的准确程度。当电机因为一些外界不可控因素发生参数失配,或者是系统进入动态,特别是高速或低载波比的情况下,均无法实现电机电流环的完全解耦,从而导致系统控制性能的弱化。本文针对该现象,提出了将扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)和偏差解耦控制(Deviation Decouple Control,DDC)策略结合的复合解耦控制(Compound Decouple Control,CDC)策略。该方法将定子电阻压降,交叉耦合项,电机内部不确定干扰以及外部干扰均视为扰动,并同时对扰动进行观测和补偿,从而实现电流环在参数失配情况下的动态解耦控制。相比于传统的解耦方法,该方法使得电机在参数失配的情况下解耦更加完全,解决了传统解耦控制依赖电机参数的问题,提高了电流环的控制精度和控制系统的性能,减少了环境因素对控制效果的影响,提升了电机控制系统的鲁棒性。为了证明本文提出的基于扩张状态观测器的复合解耦控制策略的可行性与有效性,本文在Matlab/Simulink软件平台上进行了仿真验证,在Links-RT半实物仿真系统硬件平台上进行了实验验证。并且在软硬件实验验证中均将本文提出的复合解耦控制策略与电流反馈解耦控制(Current Feedback Decoupling Control,CFDC)策略和偏差解耦控制策略进行了对比分析。仿真和实验结果均表明:本文提出的基于扩张状态观测器的复合解耦控制策略与反馈解耦和偏差解耦控制策略相比有更好的动态解耦效果。该控制策略可以有效的提高永磁同步电机的控制性能,从而提高整个控制系统的控制效果。

关键词：永磁同步电机电流环解耦扩张状态观测器半实物仿真