基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的PMSM弱磁控制

尤錢亮, 魏海峰, 常 徐, 田會(huì)峰

基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的PMSM弱磁控制

尤錢亮1,2, 魏海峰1,2, 常 徐1,2, 田會(huì)峰1,2

(1. 江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003; 2. 蘇州東大金點(diǎn)物聯(lián)科技有限公司, 江蘇 張家港, 215000)

針對(duì)水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)(PMSM)在弱磁區(qū)電動(dòng)工況下動(dòng)態(tài)性能不理想的問題, 依據(jù)PMSM弱磁理論, 研究了交直軸電流調(diào)節(jié)器對(duì)弱磁控制動(dòng)態(tài)性能的影響, 提出基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的PMSM弱磁控制策略?？紤]到傳統(tǒng)內(nèi)模解耦無法同時(shí)兼顧解耦效果、響應(yīng)速度及穩(wěn)態(tài)誤差,引入電流調(diào)節(jié)因子, 對(duì)解耦控制器進(jìn)行改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍時(shí)交軸電流調(diào)節(jié)方向與系統(tǒng)期望方向相反的問題, 在電流調(diào)節(jié)因子中加入交軸電流信息, 結(jié)合模糊控制器, 實(shí)時(shí)對(duì)電流調(diào)節(jié)因子進(jìn)行優(yōu)化。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明, 該策略綜合解決了弱磁區(qū)電動(dòng)工況下交軸電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)不利和電流耦合嚴(yán)重的問題, 改善了PMSM的動(dòng)態(tài)性能, 同時(shí)具有抗飽和、電流解耦及弱磁控制的三重功能。

水下航行器推進(jìn)系統(tǒng); 永磁同步電機(jī); 弱磁控制; 動(dòng)態(tài)性能; 三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦; 抗飽和

0 引言

推進(jìn)電機(jī)是水下航行器的重要組成部分, 然而水下航行器空間有限、運(yùn)行情況復(fù)雜, 選用空間占用小、響應(yīng)速度快、節(jié)能高效的推進(jìn)電機(jī)對(duì)水下航行器具有重要意義[1]。永磁同步電機(jī)(per- manent magnet synchronous motor, PMSM)具有體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩輸出能力好等優(yōu)點(diǎn), 滿足了水下航行器推進(jìn)電機(jī)的要求[2]。由于采用永磁體勵(lì)磁, 無法通過勵(lì)磁繞組調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場(chǎng), PMSM必須采用弱磁控制技術(shù)以滿足寬轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)速需求。在不增加電壓源逆變器(voltage source in- verter, VSI)容量的情況下, 弱磁控制可以幫助實(shí)現(xiàn)PMSM在高速情況下的恒功率輸出, 并拓寬其調(diào)速范圍。因此, 有必要研究高性能的PMSM弱磁控制策略。

自20世紀(jì)80年代中期, 學(xué)者們一直致力于弱磁控制策略的研究, 以期在保證電機(jī)工作效率的基礎(chǔ)上, 不斷擴(kuò)大其調(diào)速范圍, 提高其調(diào)速性能[3-4]。文獻(xiàn)[5]提出一種修正電流設(shè)定值的弱磁控制策略, 通過梯度下降法計(jì)算出電流調(diào)節(jié)器輸出電壓的遞減方向信息, 根據(jù)電壓設(shè)定值與電流調(diào)節(jié)器輸出電壓的差值和電壓、轉(zhuǎn)矩變化量的方向信息設(shè)定電流修正值, 具有良好的動(dòng)態(tài)性能, 但其計(jì)算量大, 參數(shù)魯棒性差; 文獻(xiàn)[6]和[7]用前饋磁鏈減去反饋磁鏈對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行弱磁控制, 其中前饋磁鏈通過查表獲得, 反饋磁鏈由過調(diào)制模塊輸入電壓和輸出電壓的差值計(jì)算而得, 一定程度上優(yōu)化了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能, 但電壓偏差轉(zhuǎn)換為反饋磁鏈的增益確定及表格數(shù)據(jù)均需通過大量試驗(yàn)獲得; 文獻(xiàn)[8]和[9]利用VSI輸出電壓的極限值和直()軸電壓計(jì)算得到最佳交軸電壓指令, 使得電機(jī)工作點(diǎn)指令始終位于恒轉(zhuǎn)矩曲線和當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓極限橢圓的交點(diǎn), 該方法提高了系統(tǒng)電壓利用率, 但穩(wěn)態(tài)性能不佳; 文獻(xiàn)[10]和[11]在單電流弱磁控制的基礎(chǔ)上, 以使電機(jī)在輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下工作電流達(dá)到最小值為目的, 利用梯度下降法在線修正交軸電壓給定值, 系統(tǒng)工作效率明顯提升, 但參數(shù)魯棒性不強(qiáng); 文獻(xiàn)[12]在基于電壓反饋的弱磁控制策略基礎(chǔ)上, 將VSI所能輸出的最大電壓和交直()軸電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓指令作差, 利用電壓調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié), 從而獲得直軸電流期望值, 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性得到提升, 但瞬態(tài)響應(yīng)性能不理想。

弱磁工況下, PMSM的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能取決于交直軸電流跟隨指令的程度。當(dāng)VSI和電流調(diào)節(jié)器的輸出存有裕量時(shí), 系統(tǒng)電流可較好地跟隨指令, 當(dāng)兩者出現(xiàn)飽和時(shí), 實(shí)際電流與指令間會(huì)出現(xiàn)較大誤差。因此, 只有抑制VSI和電流調(diào)節(jié)器的飽和, 提高電流跟隨性能, 才能提高PMSM的弱磁性能。

文中分析了PMSM在弱磁區(qū)電動(dòng)工況下動(dòng)態(tài)性能不佳的原因, 以基于電壓反饋的弱磁控制策略為基礎(chǔ), 提出基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的PMSM弱磁控制策略。針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)模解耦無法兼顧解耦效果和電流調(diào)節(jié)器性能的問題, 在傳統(tǒng)內(nèi)模解耦的基礎(chǔ)上引入2個(gè)電流調(diào)節(jié)因子; 考慮到弱磁區(qū)電動(dòng)工況下PMSM輸出轉(zhuǎn)矩階躍時(shí)交()軸電流調(diào)節(jié)不利的問題, 在電流調(diào)節(jié)因子中加入交軸電流信息, 從源頭削弱其對(duì)系統(tǒng)的影響; 結(jié)合模糊控制器, 利用VSI實(shí)際輸出電壓和電壓指令的誤差, 實(shí)時(shí)優(yōu)化電流調(diào)節(jié)因子; 最后通過仿真試驗(yàn), 對(duì)該策略及基于電壓反饋的弱磁控制策略進(jìn)行對(duì)比分析。

1 PMSM弱磁控制理論

PMSM以VSI供電, 其主電路拓?fù)淙鐖D1所示。構(gòu)建PMSM數(shù)學(xué)模型[13], 其交直軸電壓方程為

圖1 永磁同步電機(jī)分析模型

忽略定子電阻, 其穩(wěn)態(tài)電壓方程為

輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為

PMSM的運(yùn)行會(huì)受到VSI輸出能力的限制, 主要分為以下2個(gè)方面。

把式(2)代入式(4), 可將對(duì)電壓的限制轉(zhuǎn)化為對(duì)電流的限制, 即

在實(shí)際工程中, 常用如圖3所示的基于電壓反饋的弱磁控制策略來實(shí)現(xiàn)i的負(fù)向增加。其中, 為防止電壓限制橢圓和電流限制圓無交點(diǎn)引起電流失控, 對(duì)i進(jìn)行了限幅[14]。

圖2 PMSM電流及電壓約束

圖3 基于電壓反饋的弱磁控制策略框圖

2 改進(jìn)PMSM弱磁性能的控制策略

2.1 弱磁工況下動(dòng)態(tài)性能不佳的原因

圖4 轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)電流理想軌跡

2.2 弱磁控制策略的提出

內(nèi)?？刂?internal model control, IMC)是一種對(duì)參數(shù)變化不敏感的魯棒控制方法, 作為一種先進(jìn)的控制策略被廣泛應(yīng)用于PMSM電流解耦, 可以較好地抑制PMSM參數(shù)估計(jì)誤差。

式中, I為2階單位矩陣。

分析PMSM傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布, 可知其右半平面無零點(diǎn), 且其機(jī)電時(shí)間常數(shù)比電磁時(shí)間常數(shù)大得多。所以, 在高頻情況下可將電流環(huán)近似看作1階系統(tǒng)。為提高性能, 根據(jù)IMC原理, 取低通濾波器

根據(jù)式(7)~式(10), 得到

結(jié)合上述分析, 得到如圖6所示的PMSM內(nèi)模解耦控制框圖。

圖6 PMSM內(nèi)模解耦控制框圖

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)分析將模糊推理系統(tǒng)中輸入和輸出各變量的模糊集、論域及隸屬度函數(shù)定義如下:

2) 輸入的論域選取為[–3, 3], 輸出的論域選取為[–3, 3];

3) 輸入的隸屬度函數(shù)均為高斯型, 輸出的隸屬度函數(shù)為三角型。

表1 積分調(diào)節(jié)因子修正值的模糊控制規(guī)則表

表2 電流調(diào)節(jié)因子修正值的模糊控制規(guī)則表

結(jié)合圖4, 對(duì)式(15)分析可知, 在PMSM弱磁恒速工況下, 轉(zhuǎn)矩指令發(fā)生階躍時(shí), 期望電流和發(fā)生突變, 的變化方向仍與系統(tǒng)需求一致, 電流調(diào)節(jié)因子的分母則直接減緩了的變化率, 從源頭有效抑制調(diào)節(jié)器飽和, 從而減輕了交軸電流調(diào)節(jié)器的負(fù)擔(dān), 加快了電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

在PMSM交流調(diào)速平臺(tái)上, 對(duì)弱磁控制策略在電動(dòng)工況下的控制性能進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證, PMSM的參數(shù)如表3所示。

3.1 仿真分析

圖8是PMSM在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速下, 轉(zhuǎn)矩在0~58 N·m間階躍時(shí)的電流響應(yīng)波形。

表3 電機(jī)參數(shù)

圖8 轉(zhuǎn)速6 000 r/min轉(zhuǎn)矩突變時(shí)電流響應(yīng)

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)

圖10 基于電壓反饋的弱磁控制策略電流響應(yīng)曲線

整個(gè)過程中, 2種弱磁控制策略下的交直軸電流均能跟隨電流指令, 且相同轉(zhuǎn)速下的交直軸輸出電流相等, 故在弱磁擴(kuò)速性能及轉(zhuǎn)矩輸出性能上, 提出的弱磁控制策略與基于電壓反饋的弱磁控制策略相當(dāng)。對(duì)比圖10和圖11的電流波形可以看出, 弱磁控制策略下的電流脈動(dòng)較小, 電流控制效果明顯提高。故在電流跟隨性能上, 弱磁控制策略優(yōu)于基于電壓反饋的弱磁控制策略。

圖11 基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的弱磁控制策略電流響應(yīng)曲線

圖12 轉(zhuǎn)速4 500 r/min轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流和電壓響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

文中研究了PMSM在電動(dòng)弱磁工況下動(dòng)態(tài)性能不佳的根本原因: 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí), 交軸電流調(diào)節(jié)器控制作用與系統(tǒng)需求相反, 電流耦合進(jìn)一步惡化電流跟隨性能。同時(shí)提出了一種基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的弱磁控制策略, 綜合解決了交軸電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)不利和交直軸電流耦合嚴(yán)重的問題, 加強(qiáng)電流跟隨, 消除了PMSM在電動(dòng)工況下弱磁區(qū)動(dòng)態(tài)過程中的電流振蕩, 提高了PMSM動(dòng)態(tài)性能。該策略能有效抑制電流調(diào)節(jié)器和VSI的飽和問題, 穩(wěn)態(tài)性能良好, 具有基于電壓反饋弱磁控制策略的弱磁擴(kuò)速性能和轉(zhuǎn)矩輸出能力。

圖13 轉(zhuǎn)速5 500 r/min轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流和電壓響應(yīng)曲線

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Flux-Weakening Control of PMSM Based on Three-Degree-of-Freedom Dynamic Internal Model Decoupling

YOU Qian-liang1,2, WEI Hai-feng1,2, CHANG Xu1,2, TIAN Hui-feng1,2

(1. Jiangsu University of Science and Technology Zhenjiang 212003 China; 2. SuZhou Dongda Goldenpoint Technology Co., Ltd, Zhangjiagang 215000, China)

Aiming at the problem that the dynamic performance of permanent magnet synchronous motor(PMSM) of undersea vehicle propulsion system in flux-weakening operation is unsatisfactory, the influence of direct-quadrature axis current regulator on the dynamic performance of PMSM is studied based on the PMSM flux-weakening theory, and a flux-weakening control strategy of PMSM based on three-degree-of-freedom dynamic internal model decoupling is proposed. Considering the fact that traditional internal model decoupling cannot take the decoupling effect, response speed and steady-state error into account at the same time, current regulation factors are introduced to modify the decoupling controller. On this basis, to the problem that the direction of quadrature axis current regulation is opposite to the expected direction of the system when the output torque leaps, the information of quadrature axis current is added into the current regulation factors and the fuzzy controller is used to optimize the current regulation factors in real time. Simulation and experimental results show that the proposed strategy can synthetically solve the problems of unsatisfactory performance of quadrature axis current regulator and serious current coupling in flux-weakening operation, improve the dynamic performance of PMSM, and has the triple functions of anti-saturation, current decoupling and flux-weakening control.

undersea vehicle propulsion system; permanent magnet synchronous motor(PMSM); flux-weakening control; dynamic performance; three-degree-of-freedom dynamic internal model decoupling; anti-saturation

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TJ630.2; TM351

A

2096-3920(2020)01-0057-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.009

尤錢亮, 魏海峰, 常徐, 等. 基于三自由度動(dòng)態(tài)內(nèi)模解耦的PMSM弱磁控制[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 57-66.

2019-07-10;

2019-08-14.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51977101); 江蘇省省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2018007); 江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助.

尤錢亮(1995-), 男, 在讀碩士, 主要從事電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)