引用本文

于子淞, 王大志, 陶冶. 永磁同步电机的自适应预测比例-积分-谐振电流控制. 自动化学报, 2018, 44(3): 471-480. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160164

YU Zi-Song, WANG Da-Zhi, TAO Ye. Adaptive Predictive Proportional-integral-resonant Current Control for Permanent Magnet Synchronous Motors. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(3): 471-480. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160164

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c160164

关键词

永磁同步电机，自适应预测比例-积分-谐振控制器，输入延时，参数不确定，相电流畸变 

摘要

考虑数字控制系统一个采样周期输入延时和驱动器功率管非线性特性的影响，为增强永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor，PMSM）电流环稳定性和提高电流控制精度，提出一种自适应预测比例-积分-谐振控制（Adaptive predictive proportional-integral-resonant，APPI-RES）策略.该方法能够在电机电阻和电感参数不确定的条件下，预测电流控制误差和未知周期电压扰动，将所得预测量执行反馈控制，实现了对系统输入延时和相电流谐波的有效补偿.最后，通过仿真分析验证了所提控制策略的有效性.

文章导读

永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)功率密度高、电流输出转矩比小, 被广泛应用于航天、数控机床等高精度调速场合[1-3].交流调速系统通常采用速度外环级联电流内环的控制结构.其中, 电流控制性能决定了转矩控制精度和电机损耗.常规PID控制简单易行, 但对系统参数和外界扰动的鲁棒性较差.针对这一缺点, 文献[4-8]分别提出自适应PID控制[4]、滑模控制[5]、无差拍控制[6]、预测控制[7-8], 以提高电流控制精度和系统对电机参数、电压扰动的鲁棒性.

电机相电流谐波源可等效为周期电压扰动, 扰动电压通常由电压源逆变器非线性畸变、转子非正弦反电动势和磁饱和等因素引起[9].重复电流控制策略[10]可有效抑制周期扰动电压, 但当电机运行于低速时, 存储一个周期内的电流数据占用系统内存较多.迭代学习控制[11]通过在线反复修正相电流幅值和相位, 可完全消除谐波电流, 但计算量较大.比例-积分-谐振电流控制策略(Proportional-integral-resonant controller, PI-RES)[12]简单易行, 可有效抑制周期扰动电压, 已广泛应用于风力发电及交流调速领域.然而, 这种常规的PI-RES控制器只是内模控制器的等效并联形式, 并不是真正意义上的渐近稳定并联控制器.同时, 数字控制系统存在一个采样周期的输入延时, 当系统采样频率/电流输出频率(f_s/f_o)小于10时, 电流将出现震荡失稳现象[13].文献[12]采用电流前馈补偿, 消除了电流超调, 但未对扰动进行预测补偿.文献[14]利用高阶滤波器最优逼近包含延时的系统误差模型, 但系统采样频率低于2.5 kHz时, 电流不稳定.文献[15]在电流环中加入了有源阻尼衰减相, 有效抑制了输入延时对解耦控制的影响.文献[16]采用二阶pade模型近似系统输入延时, 通过最优配置系统根轨迹法削弱了输入延时对电流控制的影响, 但未研究算法对模型参数的鲁棒性.

本文通过将多种PI-RES控制器化为统一的状态空间表达形式, 分析系统输入延时对电流控制稳定性的影响.针对系统输入延时和电流谐波问题, 提出一种自适应预测比例-积分谐振(Adaptive predictive proportional-integral-resonant, APPI-RES)电流控制策略.该方法可在电机电阻、电感参数未知的情况下预测电流指令、电压扰动和电流控制误差.通过执行预测量的反馈控制, 补偿系统输入延时和相电流谐波, 算法收敛性分析保证了所提控制器的渐近稳定性.最后, 通过仿真研究验证了所提算法的有效性.

图 1  采用APPI-RES电流控制器的PMSM驱动系统框图

图 2  相电流(PI)

图 3  相电流频谱(PI)

1) 在f_s/f_o工况下, PI-RES电流控制器受系统输入延时的影响, 将出现电流振荡或不稳定现象.基于电流误差系统状态空间模型给出了常规PI-RES电流控制器设计方法, 并分析了输入延时降低解耦性能和使系统失稳的本质原因.

2) 提出APPI-RES电流控制策略, 实现对系统输入延时的补偿和扰动电压的抑制.该方法可在系统参数未知的情况下观测系统扰动和预测系统状态.

3) 所提方法是一种真正意义上的渐近稳定并联型控制策略, 实际应用中可通过电流控制精度和计算时间要求这种选择并联核函数的数量.

作者简介

于子淞

东北大学信息科学与工程学院博士研究生.2009年获得辽宁工业大学硕士学位.主要研究方向为先进控制策略在永磁同步电机中的应用.E-mail:yzsong1983@163.com

陶冶

国家电网辽宁省电力有限公司电力调度控制中心高级工程师.2006年获得大连理工大学电气工程及其自动化系学士学位.2008年获大理工大学电气工程及其自动化系硕士学位.主要研究方向为电力系统非线性控制.E-mail:dlxtfzsys@gmail.com

王大志

东北大学信息科学与工程学院教授.2003年获东北大学博士学位.主要研究方向为先进控制策略在电力传动中的应用.本文通信作者.E-mail:wangdazhi@ise.neu.edu.cn