具有死区补偿的自抗扰控制下PMSM转矩脉动抑制方法_荣智林

第xx卷第x期Vol.xxNo.x控制与决策ControlandDecisionxxxx年x月Xxx.xxxx具有死区补偿的自抗扰控制下PMSM转矩脉动抑制方法文章编号:1001-0920(0000)00-0000-00DOI:10.13195/j.kzyjc.2015.1008荣智林1,2,陈启军1(1.同济大学电子与信息工程学院，上海201804；2.株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001)摘要:空间矢量脉宽调制死区效应对永磁同步电机(PMSM)的调速控制系统及转矩脉动有一定影响,为了削弱其不利作用,在永磁同步电机矢量控制基础上,提出一种新型的具有死区补偿的自抗扰PMSM控制方案,针对传统自抗扰控制策略下电机转矩脉动较大的缺陷,在原有的自抗扰控制策略中加入死区补偿.仿真及实验结果表明,具有死区补偿的自抗扰PMSM驱动系统,谐波含量明显减少,速度驱动系统更加平稳,有效抑制了转矩脉动.关键词:永磁同步电机；死区补偿；转矩脉动；自抗扰控制中图分类号:TM921文献标志码:ATorqueripplesuppressionmethodofPMSMbasedonADRCwithdead-timecompensationRONGZhi-lin1,2,CHENQi-jun1(1.CollegeofElectronicsandInformationEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804，China；2.ZhuzhouCSRTimesElectricCoLtd，Zhuzhou412001，China．Correspondent：RONGZhi-lin，E-mail：[e-mail])Abstract：：：Thepermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)speedcontrolsystemanditstorqueripplecanbeaffectedbythedead-timeeffectofspacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM).Tosolvethisproblem,onthebasisofthevectorcontrolmethod,anovelactive-disturbancerejectioncontroller(ADRC)withdead-timecompensationispresented.Bycombiningdead-timecompensationwithADRC,themagnitudeoftorqueripplecanbesignificantlyreduced.Simulationresultsshowthattheharmoniccontentcanbereduceddramatically,thespeedcontrolsystemismorestable,andthetorqueripplecanbesuppressedeffectivelyintheimprovedADRCsystem.Keywords：：：permanentmagnetsynchronousmotor；dead-timecompensation；torqueripple；activedisturbancerejectioncontrol0引引引言言言永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高转距电流比、高可靠性等特点[1-2],在军民两用装备及生产领域应用广泛,同时,在军用装备、印刷机械、数控机床、民用自动生产线等领域也对电机系统的动态响应速度、位置精度、转矩脉动以及稳态误差等关键性能提出了更高的要求.将新型的现代控制理论与工程技术相结合,用以提高系统的控制性能具有重要的学术研究意义和实际应用价值[3-5].同时,单一的矢量控制方法难以满足高性能交流永磁电机驱动系统对于特殊场合应用的要求,经典控制理论与现代控制理论形成的理论体系,如预测控制、遗传算法以及𝐻∞鲁棒控制等可以使控制性能在某一方面有更大提高[6-8],但控制时仍需要电机的精确数学模型,而且运算量较大,控制系统成本较高.在永磁同步电机调速控制系统中,三相桥式电压型逆变器通常采用开关频率大的IGBT、MOSFET等功率开关器件,具有非理想开关特性.在三相桥式逆变器中,为了防止上下桥臂短路故障,通常在同一桥臂的上下两个管间设置同时关闭时间(即死区).虽然这段死区时间在整个开关周期中所占比例较小,但是由于较高的驱动开关频率影响,会产生一系列的死区效应,导致逆变器的输出电流和电压波形畸变严重,造成PMSM电磁转矩脉动较大,严重影响了系统的运行性能[9-10].中国科学院系统科学研究所的韩京清[11]在非线性PID控制技术基础上发展了改进型非线性控制技术,于20世纪90年代末提出了自抗扰控制(ADRC),收稿日期:2015-03-06；修回日期:2015-11-07.基金项目:国家863计划项目(2011AA11A10102).作者简介:荣智林(1971−),男,教授级高级工程师,博士生,从事轨道交通大功率交流传动及其控制系统的研究；陈启军(1966−),男,教授,博士生导师,从事智能机器人及其系统、嵌入式系统、网络化系统及其应用等研究.2016-03-0710:11:34控制与决策第xx卷自抗扰就是要自发、主动、直接地去抑制扰动.国内外学者提出了很多死区补偿措施[12-13],本文在自抗扰控制的基础上加入空间矢量调制死区补偿,将静止的𝑖𝑀-𝑖𝑇直角坐标系分成6个矢量空间,根据定子电流空间角𝜑对各个矢量空间中的死区时间进行补偿,其中𝜑由𝑖𝑀-𝑖𝑇直角坐标系中的定子电流𝑖𝑀、𝑖𝑇决定.最后通过仿真及实验验证了具有死区补偿的自抗扰控制方法的正确性和可行性.1具具具有有有死死死区区区补补补偿偿偿的的的自自自抗抗抗扰扰扰PMSM控控控制制制方方方案案案1.1永永永磁磁磁同同同步步步电电电机机机的的的数数数学学学模模模型型型图1为永磁同步电机的驱动系统拓扑结构图.其中:逆变器为三相电压型逆变器,VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6采用IGBT,D1、D2、D3、D4、D5和D6为续流二极管.此外,6个IGBT功率管的门极驱动信号由驱动系统中的控制单元提供.PMSMV1g1TD1V3g3TD3V5g5TD5V2g2TD2V4g4TD4V6g6TD6UdcCiaibic图1永磁同步电机驱动控制系统拓扑结构本文采用三相正弦波电流驱动的表面贴装式永磁同步电动机(SPMSM)为被控对象,假设𝐿𝑑=𝐿𝑞,转子上没有阻尼绕组.同步旋转𝑑𝑞坐标系下的状态方程[14]为d𝑖𝑑d𝑡=1𝐿𝑑(𝑢𝑑−𝑅𝑠𝑖𝑑+𝜔𝐿𝑞𝑖𝑞),(1)d𝑖𝑞d𝑡=1𝐿𝑞(𝑢𝑞−𝑅𝑠𝑖𝑞−𝜔𝐿𝑑𝑖𝑑−𝜔𝜓𝑓),(2)d𝜔d𝑡=1𝐽(1.5𝑛𝑝𝜓𝑓𝑖𝑞−𝑛𝑝𝑇𝐿−𝐵𝜔);(3)电磁转矩方程为𝑇𝑒=1.5𝑛𝑝𝜓𝑓𝑖𝑞.(4)其中:转子以转速𝜔同步旋转,转子永磁体产生的励磁磁场为𝜓𝑓,𝐿𝑑=𝐿𝑞=𝐿为𝑑、𝑞轴线圈的自感,𝑢𝑑、𝑢𝑞为定子电压在𝑑轴和𝑞轴上的分量,𝑖𝑑、𝑖𝑞为定子电流在𝑑轴和𝑞轴上的分量,𝑅𝑠为定子绕组的相电阻值,𝑇𝑒为电磁转矩,𝑇𝐿为负载转矩,𝐵为阻力系数,𝐽为转子转动惯量,𝑛𝑝为电机极对数.1.2自自自抗抗抗扰扰扰控控控制制制器器器的的的数数数学学学模模模型型型自抗扰控制将之前学者们在控制中一直担心的非线性函数大胆地运用到了控制器中,突破了需要划分线性与非线性,时变与非时变,确定与不确定系统的思维模式的局限.它由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态反馈控制律(NLSEF)三部分组成[15].设计速度电流环自抗扰控制器的结构如图2所示.非线性状态误差反馈控制率eω0eω1eω2ωv1跟踪微分器ωv2--u01/b1+f0()ωωzz12,+b1扩张状态观测器电机at1()zω3ωz2ωz1at1()^ωiqω*uq*图2速度电流环自抗扰控制框图二阶ADRC系统可描述如下:跟踪微分器⎧⎨⎩𝜔𝑣1(𝑡+1)=𝜔𝑣1(𝑡)+ℎ𝜔𝑣2(𝑡),𝜔𝑣2(𝑡+1)=𝜔𝑣2−ℎ[1.76𝑟𝜔𝑣2(𝑡)−𝑟2(𝜔𝑣1(𝑡)−𝜔∗)].(5)其中:𝜔𝑣1(𝑡)、𝜔𝑣2(𝑡)分别为给定转速𝜔∗的跟踪信号和微分信号;ℎ为积分步长;𝑟为速度因子.扩张状态观测器⎧⎨⎩𝜀𝜔1=𝜔𝑧1(𝑡)−𝜔(𝑡),𝜔𝑧1(𝑡+1)=𝜔𝑧1(𝑡)+ℎ(𝜔𝑧2(𝑡)−𝛽01𝜀𝜔1),𝜔𝑧2(𝑡+1)=𝜔𝑧2(𝑡)+ℎ(𝑧3(𝑡)−𝛽02fal(𝜀𝜔1,𝛼1,𝛿)+𝑏1𝑢0),𝑧𝜔3(𝑡+1)=𝑧𝜔3(𝑡)−ℎ𝛽03fal(𝜀𝜔1,𝑎2,𝛿).(6)其中:𝜔为电机实际反馈转子角频率;𝜔𝑧1(𝑡)为𝜔状态跟踪值,且能得出跟踪微分信号𝜔𝑧2(𝑡);𝑧𝜔3(𝑡)为系统未知扰动ˆ𝑎1(𝑡)估计;𝜀𝜔1为转速误差信号;𝛽01、𝛽02和𝛽03为系统输出状态误差校正增益(可调参数);𝛿为ESO滤波因子.fal(⋅)为最优综合控制函数,即fal(𝜀,𝑎,𝛿)={∣𝜀∣𝑎sign(𝜀),∣𝜀∣𝛿;𝜀/𝛿1−𝑎,∣𝜀∣𝛿;𝛿0.(7)式中:𝜀为电机转速输入状态误差;𝛼为非线性因子(系统可调参数),0𝛼1;𝛿为滤波因子.非线性状态反馈控制律⎧⎨⎩𝑒𝜔1=𝜔𝑣1(𝑡)−𝜔𝑧1(𝑡),𝑒𝜔0=w𝑒𝜔1d𝑡,𝑒𝜔2=𝜔𝑣2(𝑡)−𝜔𝑧2(𝑡),𝑢𝑞0=𝛽0fal(𝑒𝜔0,𝛼𝑖,𝛿1)+𝛽1fal(𝑒𝜔1,𝛼𝑝,𝛿1)+𝛽2fal(𝑒𝜔2,𝛼𝑑,𝛿1),𝑢∗𝑞=𝑢0−[𝑧𝜔3(𝑡)+𝑓0(𝜔𝑧1,𝜔𝑧2)]/𝑏1.(8)其中:𝑢𝑞为电机𝑞轴电压补偿控制量,𝑢0为电机𝑞轴电压设定控制量,𝑓0(𝜔𝑧1,𝜔𝑧2)为系统已知部分内部扰动,𝛼𝑖、𝛼𝑝和𝛼𝑑为非线性因子,𝑒𝜔1、𝑒𝜔0和𝑒𝜔2为转速状态误差、误差积分和误差微分,𝛽0、𝛽1和𝛽2分别为系统的增益系数.第x期荣智林等:具有死区补偿的自抗扰控制下PMSM转矩脉动抑制方法31.3具具具有有有死死死区区区补补补偿偿偿的的的自自自抗抗抗扰扰扰控控控制制制方方方法法法根据图1,定义从逆变驱动器流向PMSM的方向为相电流𝑖a、𝑖b、𝑖c的正方向.逆变器驱动共涵盖8种组合方式,对应8种电压状态矢量.对于死区时间,相电流𝑖a、𝑖b、𝑖c的极性有如下6种组合:1)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0;2)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0;3)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0;4)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0;5)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0;6)𝑖a0,𝑖b0,𝑖c0.死区补偿的重点和难点就是检测相电流的过零点或者相电流的极性.本文提出一种间接检测相电流过零点的方法,即根据两相静止坐标系中电流矢量角𝜑的大小来决定过零点.为了方便分析,这里将三相静止坐标系中的相电流𝑖a、𝑖b、𝑖c和两相静止坐标系中的𝑖𝑀、𝑖𝑇放到同一个图中(见图3),根据三相电流的极性将两相静止坐标系中的𝑖𝑀-𝑖𝑇平面分成6个扇区:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ.每个扇区都有