引言

對永磁同步電機預測電流進行控制,目的在于增強機械的動態(tài)性能。目前,常用的預測電流控制方法包括兩種,分別為"基于代價函數(shù)的控制方法"以及"基于擾動觀測器的控制方法"。實踐經(jīng)驗顯示,與前者相比,后者的應用效果更加理想?？梢?為提高永磁同步電機預測電流控制水平,有必要對擾動觀測器的應用方法進行分析,并對其應用效果進行觀察。

1永磁同步電機結構

永磁同步電機包括多種類型,如以電樞繞組供電電波形式作為劃分依據(jù),則可將其分為正弦波永磁同步電機與梯形波永磁同步電機兩種。兩者相比,后者具有轉(zhuǎn)矩大、成本低的優(yōu)勢,但在應用過程中,機械往往伴有較大的損耗,因此應用范圍相對狹窄。近些年來,隨著工業(yè)等領域發(fā)展規(guī)模的擴大,正弦波永磁同步電機的應用范圍同樣逐漸擴大,該類型永磁同步電機的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn),本文所指永磁同步電機,均為正弦波永磁同步電機。正弦波永磁同步電機的結構,包括表面式、嵌入式、徑向式、切向式四種。四種結構中,表面式最為常見。電機運行過程中,繞組可隨之與三相電流的電源相互連接,此時,電流將以電氣的形式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,使旋轉(zhuǎn)磁場形成,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯?轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)情況與永磁同步電機的電流頻率存在一定的聯(lián)系,兩者之間的聯(lián)系如下:

式中,n代表轉(zhuǎn)子速度:n0代表磁場速度:fl代表電流頻率:Pn代表電機極對數(shù)。

利用上述公式,便可獲悉永磁同步電機預測電流控制的要點。

2用于永磁同步電機預測電流控制的擾動觀測器設計

2.1不確定項觀測器

為提高永磁同步電機預測電流的控制水平,應首先對不確定項擾動觀測器進行優(yōu)化設計。過于復雜的算法易增加運算量,導致模型的計算難度上升,影響設計效率。因此,本課題將線性降階觀測器應用到了設計過程中,建立了擾動觀測器的預測電流控制模型,并對其不確定項進行了評估。如以f代表當前擾動觀測器所處的運行狀態(tài),則可將觀測器設計為:

式中,I估代表觀測器的估計量:All、Al2均為常數(shù):f估代表當前擾動觀測器所處運行狀態(tài)的估計量:Bl、E同樣代表常數(shù):i代表電流:u代表電壓。

考慮到永磁同步電機運行過程中可能產(chǎn)生高頻噪聲,進而導致觀測器穩(wěn)定性下降,因此需將觀測器于高頻噪聲環(huán)境下運行的狀態(tài)進行單獨設計,提高觀測器狀態(tài)設計的全面性,提高預測電流控制的有效性。

2.2穩(wěn)定性及G矩陣

受擾動項的影響,永磁同步電機運行過程中,穩(wěn)定性可能存在異常。為提高擾動觀測器設計的針對性,應將擾動項模型納入到設計過程中[3]。本課題以李雅普諾夫函數(shù)為基礎,針對擾動項問題建立了如下模型:

式中,V代表擾動項:ef代表擾動觀測器觀測過程中所存在的誤差。

因當前擾動觀測器所處的運行狀態(tài)（f）為影響誤差的主要因素,由此可知,ef為f估與f間的差值。通過對上述公式的計算可知,需合理選擇G矩陣,方可確保觀測器能夠穩(wěn)定運行,提高永磁同步電機預測電流的控制水平。本課題于建立G矩陣后,對其進行了分析,結果表明,觀測器的收斂速度與矩陣中的參數(shù)有關,需對各項參數(shù)與虛軸之間的距離進行控制,方可抑制干擾,準確測量噪聲。

3基于擾動觀測器的永磁同步電機預測電流控制方法

3.1永磁同步電機電壓模型

為確保擾動觀測器的應用能夠有效提高永磁同步電機預測電流控制的水平,建立相應的電壓參數(shù)較為重要。當磁路處于不飽和狀態(tài)時,永磁同步電機的空間磁場分布形式通常以正弦式為主。實踐經(jīng)驗顯示,永磁同步電機的運行可受磁滯等因素的影響而出現(xiàn)異常,但因上述影響短期內(nèi)較小,因此無需給予關注。排除各項因素影響后,永磁同步電機的兩相旋轉(zhuǎn)dg坐標系方程如下:

上述公式中,dg為兩相旋轉(zhuǎn)坐標,通過對公式的計算,便可得到永磁同步電機的電壓數(shù)值。因當前永磁同步電機電流及電壓的控制方法均為數(shù)字控制,需將數(shù)字控制的因素納入到模型的計算過程中,進一步提高電流控制的有效性。

3.2永磁同步電機電流控制算法

永磁同步電機運行過程中,應通過控制電壓指令的方式,實現(xiàn)對預測電流的控制。如永磁同步電機需達到最大轉(zhuǎn)矩,直軸電流與交軸電流則必須予以改變。電機啟動的瞬間及轉(zhuǎn)矩突變的瞬間,電機中的速度環(huán)PI控制器所給出的期望電流數(shù)值一般較大,如以該電流為基礎,對電壓方程進行計算,極容易導致電壓指令數(shù)值相對增大,造成預測電流控制算法的準確性下降。通常情況下,逆變器能夠輸出的電壓均存在一定的限制,最大值不得超過（3I/2lDC）/3。因此,為提高電壓指令數(shù)值的準確性,對其進行計算的過程中應考慮到電壓矢量的問題,以電壓矢量為依據(jù)對數(shù)值進行調(diào)整,便可得到較為可靠的計算結果。值得注意的是,以電壓矢量為依據(jù),明確永磁同步電機電流控制算法的過程中,應充分考慮到電壓的最大值,考慮到電壓與電流之間的關系,提高計算結果的準確性。

3.3永磁同步電機死區(qū)補償

永磁同步電機運行過程中,死區(qū)時間為影響逆變器輸出電壓的主要因素之一。如電機性能無異常,電機的電流為正,則死區(qū)時間為負,反之則否。為解決死區(qū)補償?shù)膯栴},本課題將逆變器開通以及關閉的時間應用到了計算過程中,對損失電壓進行了計算,公式如下:

式中,r代表時間;a代表a相:l代表電壓。

通過對以上公式的計算,便可得到a相的損失電壓數(shù)值。此時,需將所得到的損失電壓數(shù)值與電壓指令值相互結合,以解決死區(qū)時間問題,實現(xiàn)對逆變器非線性的補償,提高永磁同步電機預測電流控制水平。

3.4永磁同步電機預測電流控制實驗

為評估以擾動觀測器為基礎的永磁同步電機預測電流控制效果,本課題通過實驗的方式對控制效果進行了觀察。實驗所選永磁同步電機功率為I.2kw,電流為5A,轉(zhuǎn)速為3000r/min,電阻為0.525Q,轉(zhuǎn)矩為4N·m。為提高測試結果的準確性,應將電機的運行模式設置為轉(zhuǎn)矩控制方式。開啟電機后,使g軸電流指令上升為2.5A,使d軸指令處于0,此時對PI控制器的電流階躍響應情況進行觀察,便可判斷出擾動觀測器的電流控制效果。本課題經(jīng)實驗后對電流控制效果的觀察發(fā)現(xiàn),擾動觀測器的應用,能夠有效提高永磁同步電機預測電流的控制水平,提高電機運行的穩(wěn)定性及安全性。

4結語

綜上所述,以擾動觀測器為基礎,對永磁同步電機預測電流進行控制,能有效縮短逆變器的死區(qū)時間,減少電壓擾動,降低定子電流誤差率,提高永磁同步電機預測電流控制水平。未來,工業(yè)、汽車及機器人控制等相關領域,應積極采用擾動觀測器對永磁同步電機的預測電流進行控制,進一步增強永磁同步電機的性能,提高生產(chǎn)質(zhì)量及安全性。