一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法，针对现有技术中存在的单回路结构中永磁同步电机的过流保护问题，本发明专利技术提供了一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法，系统包括第一坐标变换单元、编码器、PI控制器、降阶比例观测器、电流约束控制器、第二坐标变换单元、SVPWM模块以及三相逆变器，通过电流约束控制器和降阶比例积分观测器的结合，将q轴电流限制在安全范围内，防止硬件过流烧毁。本发明专利技术通过结构简洁、计算复杂度低的复合电流约束控制器处理了非串级结构中永磁同步电机的过流保护问题，实现了对电流约束的需求，保证了较好的动态稳定性且易于实现。

A composite current constrained control system of permanent magnet synchronous motor and its construction method

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法
本专利技术涉及永磁同步电机控制系统领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法。
技术介绍
永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、功率大、效率高等优点，被广泛应用于航空航天、数控机床、机器人、电动汽车等工业领域。为了对永磁同步电机进行精确的调速控制，需要有良好的控制策略，永磁同步电机的调速策略包括有三种：变压变频控制、直接转矩控制、矢量控制。矢量控制是最常用的一种控制策略，它通过坐标变换理论，将电机定子三相交流电流，变换为两相旋转坐标系下两个相互垂直的电流矢量，有良好的的解耦特性。在某些情况下，单回路结构可以看作是将速度环和电流环合二为一的可选方案。与级联结构相比，非级联结构的运用减少了可调参数，且具有控制器设计简单、易实现等优点。在单回路结构的矢量控制系统中，q轴电流是一个变化的状态量而不是传统级联结构中电流环的输出量，因此传统的比例积分控制器很难将q轴电流控制在一个稳定的范围内，而过大的瞬态电流则可能会导致硬件的损坏，故单回路结构下的过流保护问题亟待解决。同时在实际应用中，干扰抑制是评价控制系统性能的一个重要指标。永磁同步电动机存在着各种扰动，基于反馈设计的传统控制方法，如比例积分微分(PID)控制，通常不能及时地排除这些干扰，虽然这些控制方法最终能够通过反馈调节抑制干扰的影响，但是速度相对较慢。如果控制器不考虑相应的前馈控制设计对闭环系统进行补偿，则会大大降低闭环系统的性。如果能有效处理好电流约束和扰动抑制的问题，则可以大大改善永磁同步电机矢量控制系统的控制性能。中国专利申请，申请号CN201710333130.0，公开日2017年8月11日，公开了一种直流降压变换器复合电流约束控制方法，该专利技术以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，建立直流降压变换器标称系统的状态空间平均模型，在基于启动电流约束的同时兼顾输出电压的动态响应速度，建立基于动态增益方法的基准电流约束控制器，根据直流降压变换器系统的参数摄动、输入电压波动及负载突变扰动，建立直流降压变换器受扰状态平均模型，构造广义比例积分观测器，并获得时变扰动估计值；再引入所述基准电流约束控制器，对时变扰动进行补偿，以得到复合电流约束控制器。其不足之处在于，该方法涉及参数较多，计算量大，算法实现较复杂。中国专利申请，申请号CN201810710038.6，公开日2018年11月23日，公开了直线感应电机含电流约束双矢量模型预测控制方法，该专利技术为了使电机在启动和制动过程当中获得快速动态响应，对感应电机在k时刻运行状况进行采样，设计了电流约束条件，(uα1(k)+ox)2+(uβ1(k)+oy)2＜r2，依据参考电压的矢量和来计算最优占空比dopt，其中：uα1(k)和uβ1(k)分别为α轴和β轴的输出电压矢量分量。其不足之处在于，该专利技术的模型预测控制在处理物理控制系统时的模型不确定性和干扰问题时都会遇到困难，且还需要进行大量的计算，不利于该方法的实现。
技术实现思路
1.要解决的技术问题针对现有技术中存在的单回路结构中永磁同步电机的过流保护问题，本专利技术提供了一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统及其构建方法，它可以实现对电流约束的需求，保证了较好的动态稳定性且易于实现。2.技术方案本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，包括：第一坐标变换单元，将永磁同步电机的三相输出电流转换成d轴电流id和q轴电流iq；编码器，接收永磁同步电机转子的角位移量，用于对永磁同步电机转子磁极轴线的空间相位和转子实际角速度ω进行检测和计算；PI控制器，接收d轴电流id和参考电流输出d轴电压ud；降阶比例观测器，接收永磁同步电机的实际角速度ω和q轴电流iq，输出对时变干扰的估计值，用于对系统时变干扰进行估计，对d轴电压uq进行前馈补偿，提高系统的抗干扰能力；电流约束控制器，接收第一坐标变换单元输出的q轴电流iq，同时接收永磁同步电机的角速度ωr和实际角速度ω，输出q轴电压uq，用于限制电流的大小；第二坐标变换单元，对d轴电压ud和q轴电压uq进行坐标变换，将ud和uq转换成两相静止坐标系下的电压uα和uβ；SVPWM模块，接收两相静止坐标系下的电压uα和uβ，SVPWM模块进行PWM调制，输出脉宽调制信号；三相逆变器，接收脉宽调制信号，输出三相正弦电压，驱动电机运行。进一步的，降阶比例观测器输出的时变干扰的估计值为：其中，是时变干扰估计值，z2、z3、z4是一组状态量，λ1、λ2和λ3是降阶比例积分观测器的极数。更进一步的，电流约束控制器输出的q轴电压uq为：其中，ωr为电机的角速度，ω为电机的实际角速度，np为极对数，L为定子电感，ψf代表永磁体磁链，J为转动惯量，l是可调参数，k1是比例系数，k2是微分系数，c为一个正常数。更进一步的，降阶比例积分观测器和电流约束控制器结合生成复合控制器：一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统构建方法，通过构建结合电流约束控制器和降阶比例积分观测器的复合控制器来约束永磁同步电机的复合电流，包括以下步骤：步骤1、控制d轴的参考电流为0，使定子电流全部为转矩电流，建立面贴式永磁同步电机在d-q轴坐标系上的控制模型，并消除d-q轴电压的耦合；步骤2、建立永磁同步电机在无负载时的转矩方程，生成基于反步法设计的电流约束控制器，简化原先控制器中复杂的非线性比例和积分增益项，证明了系统的稳定性；步骤3、依据永磁同步电动机的状态方程，生成三阶的降阶比例积分观测器，对不确定因素和时变扰动进行估计，再用其估计值对系统进行前馈补偿，以防止扰动降低闭环系统的性能；步骤4、针对永磁同步电机约束控制系统的单回路结构，生成结合电流约束控制器和降阶比例积分观测器的复合控制器，在满足q轴电流约束的条件的同时使转速渐进跟踪参考轨迹。进一步的，所述步骤1中建立永磁同步电机控制模型还包括以下步骤：步骤1.1、建立面贴式永磁同步电机在d-q轴坐标系上的控制模型：其中，ud和uq分别是定子电压的d-q轴分量，id和iq分别是定子电流的d-q轴分量，ω为电机的实际角速度，np为极对数，L为定子电感，Rs为定子电阻，ψf代表永磁体磁链，TL为负载转矩，J为转动惯量，B为阻尼系数，和分别为电机定子d-q轴电流id和iq的微分，为电机实际角速度ω的微分；步骤1.2、消除式(1)中d轴电压ud和q轴电压uq之间的耦合：设置d轴的参考电流为当控制器工作正常时，输出量id满足忽略阻尼系数B，将步骤1.1中的控制模型改写为：其中q轴电流约束为|iq|≤c，c为常数。更进一步的，所述步骤2还包括以下步骤：步骤2.1、永磁同步电机转矩方程：令a1、a2、a3分别为替代的中间变量，用于简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，其特征在于，包括：/n第一坐标变换单元，将永磁同步电机的三相输出电流转换成d轴电流i

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，其特征在于，包括：
第一坐标变换单元，将永磁同步电机的三相输出电流转换成d轴电流id和q轴电流iq；
编码器，接收永磁同步电机转子的角位移量，用于对永磁同步电机转子磁极轴线的空间相位和转子实际角速度ω进行检测和计算；
PI控制器，输入d轴电流id和参考电流输出d轴电压ud；
降阶比例积分观测器，接收永磁同步电机的实际角速度ω和q轴电流iq，输出对时变干扰的估计值；
电流约束控制器，接收第一坐标变换单元输出的q轴电流iq，同时接收永磁同步电机的给定角速度ωr和实际角速度ω，输出q轴电压uq；
第二坐标变换单元，将d轴电压ud和q轴电压uq转换成两相静止坐标系下的电压uα和uβ；
SVPWM模块，接收两相静止坐标系下的电压uα和uβ，输出脉宽调制信号；
三相逆变器，接收脉宽调制信号，输出三相正弦电压，驱动电机运行。


2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，其特征在于：所述降阶比例积分观测器输出的时变干扰的估计值为：



其中，是时变干扰估计值，z2、z3、z4是一组状态量，λ1、λ2和λ3是降阶比例积分观测器的极数。


3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，其特征在于：电流约束控制器输出的q轴电压uq为：



其中，ωr为电机的角速度，ω为电机的实际角速度，np为极对数，L为定子电感，ψf代表永磁体磁链，J为转动惯量，l是可调参数，k1是比例系数，k2是微分系数，c为一个正常数。


4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统，其特征在于：降阶比例积分观测器和电流约束控制器结合生成复合控制器：

。


5.一种基于权利要求1的永磁同步电机复合电流的约束控制系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、控制d轴的参考电流为零，建立永磁同步电机在d-q轴坐标系上的控制模型，并消除d-q轴电压的耦合；
步骤2、根据永磁同步电机控制模型，生成基于反步法的电流约束控制器；
步骤3、设计能够估计时变扰动并对系统进行前馈补偿的降阶比例积分观测器；
步骤4、针对永磁同步电机约束控制系统的单回路结构，生成结合电流约束控制器和降阶比例积分观测器的复合控制器。


6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机复合电流的约束控制系统构建方法，其特征在于：所述步骤1中建立永磁同步电机控制模型还包括以下步骤：
步骤1.1、建立永磁同步电机在d-q轴坐标系上的控制模型：



其中，ud和uq分别是定子电压的d-q轴分量，id和iq分别是定子电流的d-q轴分量，ω为电机的实际角速度，np为极对数，L为定子电感，Rs为定子电阻，ψf代表永磁体磁链，TL为负载转矩，J为转动惯量，B为阻尼系数，和分别为电机定子d-q轴电流id和iq的微分，为电机实际角速度ω的微分；
步骤1.2、消除式(1)中d轴电压ud和q轴电压uq之间的耦合：
设置d轴的参考电流为当控制器正常...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振兴，张一诺，王京阳，张兴华，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32