一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法技术

本发明专利技术提供了一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法，该方法以图解的形式实现了多目标PI参数设计和d‑q轴电流的动态解耦，所述的PI参数为复矢量电流调节器的比例项系数和复矢量电流调节器的积分项系数，本发明专利技术通过绘制各种目标条件下复矢量电流调节器的比例项系数和积分项系数的变化曲线，得到理想PI参数稳定域。本发明专利技术综合了复矢量电流调节器和多目标PI参数设计的优点，考虑了数字控制系统的离散特性，具有更好的控制效果，实现了d‑q电流的动态解耦，相比于反馈解耦控制，复矢量解耦控制在一定程度上提高了系统的参数鲁棒性，可以获得同时满足系统期望性能指标和参数变化时的复矢量电流调节器PI参数稳定域。

PI parameter design method of complex vector current regulator for permanent magnet synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法
本专利技术属于电机驱动控制领域，具体涉及一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法。技术背景永磁同步电机(IPMSM)因其效率高、体积小、噪声低和功率密度高等特点而被广泛应用于新能源电动汽车、风力发电等高性能交流伺服控制领域。电流环作为控制系统的最内环，其动态和稳态性能直接影响着整个系统的控制性能。基于同步旋转坐标系比例积分(PI)调节器的矢量控制因结构简单、调速范围宽和稳态性能好等优点依然是交流电机领域电流控制的工业标准。因此，为了提高电流环的控制性能，需要选择合适的PI电流调节器并设计满足多个系统性能指标的PI参数。在同步旋转坐标系下，d-q轴电压存在耦合，从而导致d-q轴电流存在动态耦合，而且随着转速的升高，耦合作用的影响也越来越严重。为此，国内外学者提出了多种解耦控制算法以消除耦合项的影响。文献1“付炎.永磁电机低载波比无传感器控制策略研究[D].哈尔滨工业大学，2017.”分别比较了前馈解耦控制和反馈解耦控制，其中前馈解耦控制具有快速的动态响应，但是由于解耦项使用给定参考电流，其解耦性能较差；反馈解耦控制能较好地消除耦合项的影响，但是在系统运行过程中电机参数会发生变化，解耦项会产生误差，高速情况下误差更大，因此该方法的参数鲁棒性较差。文献2“周华伟,温旭辉,赵峰,张剑.基于内模的永磁同步电机滑模电流解耦控制[J].中国电机工程学报,2012,32(15):91-99+10.”提出了一种新型的内模解耦控制，但是需要在解耦效果和动态性能之间做权衡。文献3“吴为,丁信忠,严彩忠.基于复矢量的电流环解耦控制方法研究[J].中国电机工程学报,2017,37(14):4184-4191+4298.”提出了一种复矢量解耦控制方法，相比于反馈解耦控制，该方法具有更好的动态解耦效果并在一定程度上提高了系统的参数鲁棒性。同时，PI参数的选择是实现电流环高性能控制的关键因素。经典控制理论中提出了多种分析系统稳定性的方法，包括劳斯判据、根轨迹图、伯德图和奈氏判据等。其中劳斯稳定判据利用解析式法只能获取单个参数的稳定范围，根轨迹法、伯德图和奈氏判据采用图解的方法描述了系统性能指标和参数之间的关系。然而当涉及多个系统性能指标优化和参数不确定性等因素时，工程中往往通过经验和反复试凑才能得到满意的结果。文献4“HaoyuanLietal.,"Multi-objectivevisualanalysisofPIcurrentregulatorforhighperformancePMSMdrives,"in2016IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference(IPEMC-ECCEAsia),Hefei,pp.1368-1372,2016.”(高性能永磁同步电机驱动PI电流调节器多目标可视化分析)以PMSM为被控对象，使用D分割法在连续域中提出了同时满足系统时域和频域性能指标的PI参数设计方法。文献5“H.Li,X.Zhang,S.Yang,F.Li,J.Yang,andP.Cao,“AnalysisanddesignofIPMSMdrivesystembasedonvisualizationtechniqueindiscretetimedomain,”inProc.IEEEEnergyConvers.Congr.Expo.,Cincinnati,OH,USA,2017,pp.1940–1946.”(基于离散域可视化技术的永磁同步电机驱动系统的分析和设计)将上述方法扩展到离散域中。文献6“H.Li,X.Zhang,S.Yang,E.LiandJ.Hong,"Multi-ObjectiveControllerDesignofIPMSMDrivesBasedonDTDD-PartitionMethodConsideringParametersUncertainties,"inIEEETransactionsonEnergyConversion,vol.34,no.2,pp.1052-1062,June2019.doi:10.1109/TEC.2018.2874818.”(基于考虑参数不确定性的离散域D分割法永磁同步电机的多目标驱动控制器设计)继而提出了能够同时满足时域、频域性能指标以及参数变化时的多目标PI参数可视化设计方法，提升了整个系统的稳定性并具有快速的动态性能。但是，上述文献中的所述方法中还存在以下不足：1、复矢量解耦控制都是基于连续域分析，没有考虑数字控制系统的离散特性。2、复矢量电流调节器PI参数设计只考虑d-q轴电流动态解耦效果，没有实现多目标优化设计。3、多目标PI参数设计都是基于反馈解耦控制，d-q轴电流解耦性能较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为针对现有技术中d-q轴电流存在动态耦合和复矢量电流调节器没有实现多目标控制的问题，提供了一种兼顾系统期望性能指标、参数变化和d-q轴电流动态解耦性能时的复矢量电流调节器PI参数设计方法。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为：一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法，以图解的形式实现了多目标PI参数设计和d-q轴电流的动态解耦，所述的PI参数为复矢量电流调节器的比例项系数和复矢量电流调节器的积分项系数，具体的，包括以下步骤：步骤1，采样流过永磁同步电机三相绕组的电流并记做三相绕组电流ia,ib,ic，然后将采样得到的三相绕组电流ia,ib,ic经过Clark坐标变换得到两相静止αβ坐标下的三相绕组电流iα,iβ，最后将两相静止αβ坐标下的三相绕组电流iα,iβ经过Park坐标变换得到两相旋转dq坐标下的三相绕组电流id,iq，其中，id记做d轴三相绕组电流，iq记做q轴三相绕组电流；Clark坐标变换和Park坐标变换公式分别如下：式中，θ为永磁同步电机转子位置角；步骤2，建立永磁同步电机连续域复矢量数学模型，其表述式为：式中，Gdq(s)为永磁同步电机连续域复矢量传递函数，Udq为d-q轴三相绕组定子电压复数形式，idq为d-q轴三相绕组电流复数形式，Udq＝Ud+jUq,idq＝id+jiq，Ud为d轴三相绕组定子电压，Uq为q轴三相定子电压，R为定子电阻，Lq为电机q轴定子电感，ωe为电机运行角频率，j为虚数单位，s为拉普拉斯算子；步骤3，根据步骤2建立的永磁同步电机连续域复矢量数学模型，通过建立电驱动控制系统的离散域复矢量数学模型，得到电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)和离散域闭环系统特征方程D(z)；所述电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)的表达式如下：式中，z为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)的复变量，Ts为采样周期；a1为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分母多项式三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法，其特征在于，以图解的形式实现了多目标PI参数设计和d-q轴电流的动态解耦，所述的PI参数为复矢量电流调节器的比例项系数和复矢量电流调节器的积分项系数，具体的，包括以下步骤：/n步骤1，采样流过永磁同步电机三相绕组的电流并记做三相绕组电流i

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机复矢量电流调节器的PI参数设计方法，其特征在于，以图解的形式实现了多目标PI参数设计和d-q轴电流的动态解耦，所述的PI参数为复矢量电流调节器的比例项系数和复矢量电流调节器的积分项系数，具体的，包括以下步骤：
步骤1，采样流过永磁同步电机三相绕组的电流并记做三相绕组电流ia,ib,ic，然后将采样得到的三相绕组电流ia,ib,ic经过Clark坐标变换得到两相静止αβ坐标下的三相绕组电流iα,iβ，最后将两相静止αβ坐标下的三相绕组电流iα,iβ经过Park坐标变换得到两相旋转dq坐标下的三相绕组电流id,iq，其中，id记做d轴三相绕组电流，iq记做q轴三相绕组电流；
Clark坐标变换和Park坐标变换公式分别如下：






式中，θ为永磁同步电机转子位置角；
步骤2，建立永磁同步电机连续域复矢量数学模型，其表述式为：



式中，Gdq(s)为永磁同步电机连续域复矢量传递函数，Udq为d-q轴三相绕组定子电压复数形式，idq为d-q轴三相绕组电流复数形式，Udq＝Ud+jUq,idq＝id+jiq，Ud为d轴三相绕组定子电压，Uq为q轴三相定子电压，R为定子电阻，Lq为电机q轴定子电感，ωe为电机运行角频率，j为虚数单位，s为拉普拉斯算子；
步骤3，根据步骤2建立的永磁同步电机连续域复矢量数学模型，通过建立电驱动控制系统的离散域复矢量数学模型，得到电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)和离散域闭环系统特征方程D(z)；
所述电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)的表达式如下：



式中，
z为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)的复变量，Ts为采样周期；
a1为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分母多项式三次项系数，
a2为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分母多项式次二次项系数，
a3为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分母多项式一次项系数，Kp为复矢量电流调节器的比例项系数，Ki为复矢量电流调节器的积分项系数，分别记做比例项系数Kp和积分项系数Ki；
a4为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分母多项式常数项系数，
b1为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分子多项式一次项系数，
b2为电驱动控制系统离散域闭环传递函数Gc(z)分子多项式常数项系数，
所述离散域闭环系统特征方程D(z)的表达式如下：
D(z)＝a1z3+a2z2+a3z+a4
步骤4，根据步骤3得到的离散域闭环系统特征方程D(z)，得到比例项系数Kp和积分项系数Ki的数学表达式，具体的，运用幅值裕度Gm-相角裕度Pm测试器，并根据步骤3得到的离散域闭环系统特征方程式D(z)＝a1z3+a2z2+a3z+a4，令D(z)＝0，即令离散域闭环系统的特征方程式D(z)＝a1z3+a2z2+a3z+a4的实部和虚部分别为0，得到比例项系数Kp和积分项系数Ki的表达式；
Kp＝(real(c1-c2)×sin(Ts×ω)-imag(c1-c2)×cos(Ts×ω))÷((exp(-(R×Ts)÷Lq)-1)×(sin(Ts×ω+Pm)+Ts×ωe×cos(Ts×ω+Pm)^2+Ts×ωe×sin(Ts×ω+Pm)^2))÷Gm
Ki＝(-imag(c1-c2)+real(c1-c2)×sin(Ts×ω+Pm)-imag(c1-c2)×cos(Ts×ω+Pm)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，许成俊，杨淑英，洪剑峰，刘善宏，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34