永磁同步直線電動機電流控制方法

蘇森

摘要：在高精度交流調速領域，永磁同步直線電機因具有損耗低、推力強度高、響應快等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點。電流環(huán)作為最內環(huán)，是控制單元與直線電機之間的中樞環(huán)節(jié)，具有高帶寬的電流閉環(huán)系統(tǒng)是獲得較高的速度環(huán)帶寬、提高控制系統(tǒng)跟蹤精度的基礎：此外，永磁同步直線電機是一類非線性、強耦合的被控對象，由于沒有中間環(huán)節(jié)的緩沖，外部擾動會直接作用在電機上，這將對永磁同步直線電機的控制性能造成較大影響。因此，魯棒性強的電流控制策略對高精度永磁同步直線電機控制系統(tǒng)而言至關重要。電流預測控制因其優(yōu)良的暫態(tài)性能，成為了永磁同步直線電機控制系統(tǒng)中一個研究熱點。然而，電流預測控制也存在問題，其控制精度易受到電機模型參數(shù)的影響、在模型失配和參數(shù)攝動時控制精度低甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對上述問題，本文研究了一種基于內模干擾觀測器的永磁同步直線電機電流預測控制方法。

關鍵詞：永磁同步直線電機;電流;方法

引言：近年來，隨著永磁同步電機理論的不斷完善以及其驅動控制系統(tǒng)的不斷研究，永磁同步電機已廣泛應用于民用、工業(yè)、軍事、航天等領域。永磁同步直線電動機也隨之迅速發(fā)展，在精密數(shù)控機床、光刻機等領域中，作為直驅傳動機構的核心單元，得到了廣泛的應用。目前，永磁同步直線電動機的控制系統(tǒng)一般是三閉環(huán)系統(tǒng)，由內而外分別是電流閉環(huán)、速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。電流閉環(huán)作為整個系統(tǒng)的最內部的閉環(huán)，對外環(huán)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)以及整個系統(tǒng)的精度均有重要影響，因此永磁同步直線電動機控制系統(tǒng)中的電流環(huán)必須具有較好的控制特性。

1電流閉環(huán)控制方法

1.1滯環(huán)電流控制

采用矢量變換的滯環(huán)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，只要有電流采樣電路和基本的微處理器就可以實現(xiàn)，而且由于其直接通過比較反饋電流與實際電流的大小輸出控制信號，不需要復雜的算法，所以電流響應速度快，魯棒性也較好。影響滯環(huán)電流控制精度的主要因素有滯環(huán)環(huán)寬、采樣頻率以及電機繞組電感等。滯環(huán)控制作為非線性控制方式，直接對電機三相電流進行閉環(huán)控制。但是，滯環(huán)電流控制也存在著很多問題，由于控制過程中開關頻率不固定，諧波成分復雜，無法針對其設計濾波器，使得電機的控制精度無法提升，這導致滯環(huán)電流控制無法滿足精密驅動控制的要求。為此，文獻[11]和文獻[12]中使用固定頻率以及變占空比的方法來克服開關頻率不固定的問題，但這增加了算法的復雜度，沒有獲得大規(guī)模應用.

2預測電流控制及改進算法

2.1傳統(tǒng)的預測電流控制算法傳統(tǒng)的PMSLM預測電流控制系統(tǒng)結構如圖3所示。在傳統(tǒng)的預測電流控制中，根據式（6），將指令電流作為第k1個周期的電流預測值，式（7）計算得到的第k個周期的指令電壓V*（k）經過空間脈寬調制技術后加載到三相電壓源逆變器中，理論上，實際采樣電流I（k1）可以在一個采樣周期后準確跟蹤上指令電流I*（k1）。但是在實際的控制系統(tǒng)中，由于電流采樣、脈寬調制占空比更新等延時環(huán)節(jié)的存在，計算得到的指令電壓V*（k）并未立即執(zhí)行，而是在下一個采樣周期才加載到逆變器，圖4為預測電流控制的時序圖，可以看出，在第k2個周期，采樣電流I（k2）才能跟蹤上指令電流I*（k1），導致電流響應產生較大的跟蹤誤差甚至是震蕩問題[6]。因此，在文獻[14]中，根據式（7），第k1個周期的指令電壓可以表示為2.2改進的預測電流控制為了減小預測控制中的電流預測誤差，可以將前一個周期的預測電流和實際電流的誤差反饋補償?shù)较乱粋€周期的電流預測值（1）（1）（2）kkkVFIGI（8）式中I（k1）為第k1個周期的實際電流估計值文獻[14]用第k1個周期的電流預測值Ip（k1）來代替I（k1）III（11）式中Ie（k）Ip（k）I（k）。但是每一周期的預測誤差是不同的，上一個周期的預測誤差不一定適合直接補償?shù)较乱恢芷诘念A測階段。因此，引入一個誤差校正因子k去修正預測誤差，即：（1）（1）（）pekkkkIII（12）將式（12）代入式（8），可以得到改進的預測電流控制算法：*11*（1）（（1）（1））（（）（））（2）（）kkkkkkkkkVFGVFIFGVFIGIFI（13）式中的誤差校正因子k在0和13自適應內模觀測器設計雖然本文通過引入預測誤差校正因子提高了電流的預測精度，但由于預測電流控制是基于電機數(shù)學模型的方法，PMLSM參數(shù)（包括電阻、電感和永磁體磁鏈）的失配依然會導致控制過程出現(xiàn)擾動，影響實際的控制效果。因此，本文通過設計自適應內模觀測器準確估計系統(tǒng)擾動，并進行實時補償，提升電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的魯棒性。

3.1觀測器的設計根據電壓方程，選擇電機電流作為狀態(tài)變量，考慮系統(tǒng)的參數(shù)擾動，建立如下的狀態(tài)方程xAxBud（14）其中：s00000000001010ddddqdqddqqdqdqdiiuuRLRLLLvLvivLiivivRiLLtiviRiLLtxuuuABd式中：R0、L0和0為電機的額定參數(shù);R、L和為電機參數(shù)的變化量，電機的實際參數(shù)是RR0R、LL0L和0.為建立內模觀測器，定義如下狀態(tài)估計方程：???（）sxAxBud（15）式中上標“?”代表估計值。定義狀態(tài)估計誤差exx?和擾動估計誤差?ddd，將式（14）和（15）相減，得到估計誤差狀態(tài)方程：eAeBd（16）對于理想的電機參數(shù)，A是一個赫爾維茨矩陣，并且它的阻尼率可通過觀測誤差的一個反饋增益矩陣去調節(jié)。因此，根據李雅普諾夫方程，存在PPT，Q0，使得ATPPAQ成立。為了建立自適應規(guī)律，定義如下的李雅普諾夫函數(shù)：TTVttt（（），（），）gddede（17）式中g為自適應增益。對式（17）進行微分得到：TTTTTTTTT（（），（），）（）2222VtttggedeAPPAedBPeddddeQedBPe假設觀測的擾動是自然連續(xù)的并且它的帶寬遠小于觀測周期，那么從式（18）可得滿足穩(wěn)定條件V（e（t），d（t），t）0的自適應觀測擾動：?TdBPeg

結語：本文在同步旋轉坐標系下，根據永磁同步直線電機的數(shù)學模型，研究一種基于自適應內模觀測器的永磁同步直線電機預測電流控制算法。在傳統(tǒng)的PCC基礎上，通過引入電流預測誤差校正因子，提高了每個采樣周期的電流預測精度，減小了電流跟蹤誤差，降低了相電流的THD;同時，針對預測電流控制對電機參數(shù)敏感的問題，通過建立內模觀測器，利用李雅普諾夫函數(shù)選擇能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的自適應增益，獲得高帶寬的擾動估計并進行了實時補

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