永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法技术

本发明专利技术涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法。该方法通过永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散域数学模型的系数矩阵F和输入矩阵G，设计电流控制器，并考虑了补偿数字控制一拍延迟造成的角度滞后问题。本发明专利技术使得永磁同步电机电流环跟随快速性的设计不受抗扰性能的约束，额外参数自由度的引入能够实现抗扰性能的主动配置，较好地克服了永磁同步电机电流跟踪快速性和抗扰性之间的矛盾，同时在不改变系统跟随快速性的情况下，极大地提升了系统的参数鲁棒性，进而提升了永磁同步电机电流控制系统的运行品质。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法
本专利技术涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法。
技术介绍
永磁同步电机因其高效率、高功率密度和比功率、高起动转矩等特点被广泛应用于新能源汽车和工业伺服系统等高性能驱动场合。多年来，基于转子磁场定向同步旋转坐标系下的比例积分(PI)控制器，因其调速范围宽，零稳态误差等优点，一直是交流电机电流控制的工业标准。然而，当前常用电流控制器在面向高速低载波比运行状态时会出现以下几方面的问题：1)d、q轴子系统间因旋转坐标变换而引入的交叉耦合扰动项随着运行转速的增高而增高，甚至成为d、q轴电流分量的主要决定因素，给d、q轴子系统控制性能带来较大扰动；2)受功率器件容许开关频率和散热条件的限制，高转速运行对应的载波比较低，使得离散化误差凸显，采样和控制延时影响加剧，严重时甚至导致系统失稳。基于电机离散域数学模型，直接在离散域设计控制器，成为提升电机控制系统低载波比运行性能的有效途径。近年来，随着永磁同步电机高速化运行需求的增加，离散域控制系统设计受到重视。参考文献1：“Discrete-timecurrentregulatordesignforacmachinedrives,”(H.Kim,M.W.Degner,J.M.Guerrero,F.Briz,andR.D.Lorenz,IEEETransactionsonIndustryApplications,vol.46,no.4,pp.1425–1435,July2010.)(“交流电机驱动离散域电流调节器设计”(H.Kim,M.W.Degner,J.M.Guerrero,F.Briz,andR.D.Lorenz，电气和电子工程师协会工业应用学报，2010第46卷第4期1425-1435页))的文章。该文章给出了表贴式永磁同步电机电流环的离散化数学模型，同时基于该模型直接在离散域中按照零极点对消原理设计了电流控制器。此方法较好地提升了表贴式永磁同步电机高速低载波比运行时的跟随性能，但却无法兼顾系统的抗扰性能，致使其跟随性能在实际应用中亦然不高。另外，该设计方案不适用于内置式永磁同步电机电流控制器设计。参考文献2：“AsynchronousreferenceframePIcurrentcontrollerwithdeadbeatresponse”(ClaudioA.Busada,SebastianGomezandJorgeA.Solsona,IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.35,no.3,pp.3097-3105,March2020.)(“一种具有最少拍响应的同步参考坐标系PI电流控制器”(ClaudioA.Busada,SebastianGomezandJorgeA.Solsona，电气和电子工程师协会电力电子学报，2020第35卷第3期3097-3105页))的文章。该文章基于表贴式永磁同步电机电流环的离散化数学模型，在离散域设计了二自由度电流控制器，此方法解决了表贴式永磁同步电机在低载波比条件下系统跟随性能降低的问题，而且可实现电流环的最少拍响应，同时改善了系统的抗扰性能，增加了系统的控制自由度。但对于内置式永磁同步电机难以直接适用。参考文献3：“CurrentControlforSynchronousMotorDrives:DirectDiscrete-TimePole-PlacementDesign”(M.Hinkkanen,H.AsadAliAwan,Z.Qu,T.TuovinenandF.Briz,IEEETransactionsonIndustryApplications,vol.52,no.2,pp.1530-1541,March-April2016.)(“同步电机驱动系统的电流控制:直接离散域极点配置设计”(M.Hinkkanen,H.AsadAliAwan,Z.Qu,T.TuovinenandF.Briz，电气和电子工程师协会工业应用学报，2016第52卷第2期1530-1541页))的文章。该文章给出了内置式永磁同步电机电流环的离散化数学模型，基于该模型在离散域设计了结构改进的电流控制器，此方法解决了内置式永磁同步电机在低载波比条件下系统跟随性能降低的问题，而且理论上可实现电流环的最少拍响应，但实际跟随响应速度受到抗扰性能和参数鲁棒性的制约，致使其实际运行效果不佳，且在参数不准时，系统的动态响应过程会产生较大的超调量。综上所述，现有技术存在以下问题：1、内置式永磁同步电机气隙不均匀使得交、直轴电感不相等，无法用复矢量技术将永磁电机电压模型简化为单输入单输出模型，而现有离散域设计方案多以复矢量描述的单输入单输出控制对象为基础，电流控制器离散域设计方案不适用于内置式永磁同步电机；2、参考文献3报道的针对内置式永磁同步电机离散域电流控制器设计，存在电流环跟随性能与抗扰性能不能同时兼顾的问题，且在实际使用中参数偏差严重影响系统的动态响应过程，会产生较大超调量，可能会引起实际系统过流保护，系统参数鲁棒性不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于如何在高速低载波比条件下实现具有强参数鲁棒性的内置式永磁同步电机电流环跟随性和抗扰性的二自由度设计，在不改变电流跟随响应的情况下，极大提升控制系统在电机参数不准时的动态响应过程，使控制系统的超调量极小。本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法，包括下述步骤：步骤1，采集永磁同步电机的转子电角速度ωe和转子电角度θe，采集永磁同步电机的定子A相电流ia、定子B相电流ib、定子C相电流ic，再经过坐标变换得到永磁同步电机在旋转dq坐标系下的定子电流dq分量id,iq；步骤2，记id,ref为d轴给定电流、iq,ref为q轴给定电流、为电流控制器d轴输出电压、为电流控制器q轴输出电压、在离散域中通过复变量z，在z域中设计电流控制器，电流控制器的表达式如下：其中，表示积分作用，z-1表示延迟一拍；Kp为比例系数矩阵，Kp＝G-1(β1β2-β1-β2+1)；Ki为积分系数矩阵，Ki＝G-1(I-α1F)(β1β2-β1-β2+1)；M为电流反馈系数矩阵，M＝G-1((1-α1)F2+(β1+β2-1)(α1-1)F)；A为电流控制器延迟输出反馈系数矩阵，A＝G-1((1-α1)F-(β1+β2-1)I)G；在比例系数矩阵Kp、积分系数矩阵Ki、电流反馈系数矩阵M和电流控制器延迟输出反馈系数矩阵A中，I为单位矩阵，β1为控制系统期望的跟随和抗扰闭环极点一，β2为控制系统期望的跟随和抗扰闭环极点二，α1为控制系统期望的抗扰闭环极点三的可调系数，β1，β2，α1的取值满足限制：0≤β1＜1，0≤β2＜1，0≤α1＜1；F为永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散域数学模型的系数矩阵，记为系数矩阵F；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法，其特征在于，包括下述步骤：/n步骤1，采集永磁同步电机的转子电角速度ω

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机离散域电流环强鲁棒性二自由度控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1，采集永磁同步电机的转子电角速度ωe和转子电角度θe，采集永磁同步电机的定子A相电流ia、定子B相电流ib、定子C相电流ic，再经过坐标变换得到永磁同步电机在旋转dq坐标系下的定子电流dq分量id,iq；
步骤2，记id,ref为d轴给定电流、iq,ref为q轴给定电流、为电流控制器d轴输出电压、为电流控制器q轴输出电压、在离散域中通过复变量z，在z域中设计电流控制器，电流控制器的表达式如下：



其中，

表示积分作用，z-1表示延迟一拍；
Kp为比例系数矩阵，Kp＝G-1(β1β2-β1-β2+1)；
Ki为积分系数矩阵，Ki＝G-1(I-α1F)(β1β2-β1-β2+1)；
M为电流反馈系数矩阵，M＝G-1((1-α1)F2+(β1+β2-1)(α1-1)F)；
A为电流控制器延迟输出反馈系数矩阵，A＝G-1((1-α1)F-(β1+β2-1)I)G；
在比例系数矩阵Kp、积分系数矩阵Ki、电流反馈系数矩阵M和电流控制器延迟输出反馈系数矩阵A中，
I为单位矩阵，
β1为控制系统期望的跟随和抗扰闭环极点一，β2为控制系统期望的跟随和抗扰闭环极点二，α1为控制系统期望的抗扰闭环极点三的可调系数，β1，β2，α1的取值满足限制：0≤β1＜1，0≤β2＜1，0≤α1＜1；
F为永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散域数学模型的系数矩阵，记为系数矩阵F；
G为永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散域数学模型的输入矩阵，记为输入矩阵G；
步骤3，求解步骤2的电流控制器表达式得到电流控制器d轴输出电压和电流控制器q轴输出电压经过坐标变换并补偿数字控制一拍延迟造成的角度滞后得到静止αβ坐标系下的α轴输出电压uα,ref和β轴输出电压uβ,ref，其表达式为：



其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淑英，王奇帅，马铭遥，谢震，张兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34