一种基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略

1.本发明属于永磁同步电机硬件在环测试技术领域，具体涉及一种基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略。


背景技术：

2.针对车用驱动电机采用功率硬件在环(power hardware-in-the-loop,phil)的电机模拟器(electric motor emulator，eme)进行测试，是现阶段较好的解决方案。在测试中通过电力电子器件和控制算法模拟真实的电机端口电流、电压特性，并通过软件改变负载需求和故障注入，相比传统的电机机械负载台架测试方式可显著提高电机控制单元的测试效率，缩短电机控制器开发周期以及降低研发成本。电机模拟器在工作中，其电流控制策略是保证电机电压电流端口特性模拟精度的核心环节，决定了电机模拟器电流环的响应速度和稳态精度。然而，现有基于pi控制的策略存在低通滤波特性，使得电机模拟器的模拟带宽受限，只适用于中低速电机模拟器；开环控制虽然能够避免电流环控制冲突，但存在鲁棒性差、易受参数扰动的影响，并且其微分计算会引入一定的高频噪声，模拟精度不够高；部分现有技术中虽基于连续域数学模型进行设计，并经过离散化处理再应用于数字控制系统，但由于数字控制系统的控制延时等因素，基于连续系统设计的控制策略应用于数字系统后，控制性能会发生改变。因此，如何提供新的永磁同步电机模拟器电流控制策略，在克服上述现有技术不足的同时提供更好的控制效果，是本领域中迫切需要解决的技术问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，针对本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略，具体包括以下步骤：
4.步骤一、对永磁同步电机模拟器接口电路建立dq坐标系下的连续复矢量传递函数；
5.步骤二、将永磁同步电机模拟器侧的三相逆变器等效为零阶保持器，以及考虑数字控制器的延迟环节，分别建立相应的连续复矢量传递函数，并结合步骤一中建立的连续复矢量传递函数执行离散化处理，得到接口电路的离散复矢量传递函数；
6.步骤三、对接口电路离散复矢量传递函数的极点进行重构设计，将复数极点转化为两个实数极点，使dq轴之间实现完全解耦；
7.步骤四、针对极点重构后的接口电路离散复矢量传递函数，基于所需的控制效果来设计离散电流控制策略以及相应的控制器参数。
8.进一步地，步骤一中连续复矢量传递函数的具体建立过程包括：
9.首先对l型接口电路建立三相坐标系下的电压方程，并经过clark坐标变换后得到两相静止坐标系下的以下电压方程：
10.11.式中，分别表示静止坐标系下的电机驱动单元侧电压、电机模拟器侧电压以及接口电路电流的复数矢量，满足rf为接口电路相电阻实际值；lf为接口电路相电感实际值；
12.对上式进行复矢量park变换得到以下同步旋转坐标系下的复矢量电压方程：
[0013][0014]
式中，表示永磁同步电机模拟器侧电压复矢量；表示电机驱动单元侧输出的电压复矢量；表示接口电路电流复矢量；ωe为电角速度；
[0015]
由以上复矢量电压方程得到以下连续复矢量传递函数：
[0016][0017]
进一步地，步骤二中针对延迟环节和零阶保持器首先在连续域分别描述为gd(s)＝e-st
，gzoh(s)＝(1-e-st
)/s，并相应地在复域中对拉普拉斯算子进行代换s
→
s+jωe，得到延迟环节和零阶保持器的连续复矢量传递函数分别为：
[0018][0019][0020]
两者构成的连续复矢量传递函数转换为离散复矢量传递函数：
[0021][0022]
式中，t为离散步长。
[0023]
进一步地，步骤三中进行极点重构时首先将接口电路的离散复矢量传递函数表示为以下形式：
[0024][0025]
选取式中的系数k1～k3分别为k1＝α1+α2、k2＝α1α2、k2＝b-1
，其中，α1和α2为待定实系数也即重构的极点，可得到极点重构后的离散复矢量传递函数为：
[0026][0027]
进一步地，步骤四中针对上述极点重构后的离散复矢量传递函数，设计以下控制器离散复矢量传递函数：
[0028][0029]
式中，k4为待定系数，α1同上为重构的极点；
[0030]
则可将控制闭环传递函数确定为：
[0031][0032]
在实际控制中具体通过不同k4和α2选取来得到所需的控制性能。
[0033]
进一步地，针对无差拍控制的需要，选取k4＝1和α2＝-1来实现。
[0034]
上述本发明所提供的基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其利用复矢量进行建模分析，将常规的接口电路的d、q轴两个电压方程简化为一个复矢量电压方程模型；在建模中考虑了系统的延迟环节，使得到的离散复矢量模型更加符合实际数字控制需要；通过极点重构后得到的控制策略具有参数选取灵活、鲁棒性好、没有稳态误差等优点，并可通过参数配置实现所需的控制效果，尤其是可以实现无静差的无差拍控制，克服了传统的无差拍电流预测控制在参数扰动情况下存在稳态误差的问题，同时扩展了传统无差拍电流预测控制的参数失配稳定范围。
附图说明
[0035]
图1为本发明可适用的电机模拟器系统拓扑结构；
[0036]
图2为本发明可适用的永磁同步电机模拟器三相l型接口电路等效模型；
[0037]
图3为本发明所提供方法中的极点重构以及控制策略框图；
[0038]
图4为本发明控制器参数α1与电机模拟器系统最小电感失配倍数m与之间的关系；
[0039]
图5为基于本发明控制器的电机模拟器系统交叉耦合项的幅频特性曲线。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
本发明提供的基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略，具体包括以下步骤：
[0042]
步骤一、对如图1所示的永磁同步电机模拟器中的接口电路建立dq坐标系下的连续复矢量传递函数；
[0043]
步骤二、将永磁同步电机模拟器侧的三相逆变器等效为零阶保持器，以及考虑数字控制器的延迟环节，分别建立相应的连续复矢量传递函数，并结合步骤一中建立的连续复矢量传递函数执行离散化处理，得到接口电路的离散复矢量传递函数；
[0044]
步骤三、对接口电路离散复矢量传递函数的极点进行重构设计，将复数极点转化为两个实数极点，使dq轴之间实现完全解耦；
[0045]
步骤四、针对极点重构后的接口电路离散复矢量传递函数，基于所需的控制效果来设计离散电流控制策略以及相应的控制器参数。
[0046]
在本发明的一个优选实施方式中，步骤一中连续复矢量传递函数的具体建立过程
包括：
[0047]
首先对如图2所示的l型接口电路建立三相坐标系下的电压方程，并经过clark坐标变换后得到两相静止坐标系下的以下电压方程：
[0048][0049]
式中，分别表示静止坐标系下的电机驱动单元侧电压、电机模拟器侧电压以及接口电路电流的复数矢量，满足rf为接口电路相电阻实际值；lf为接口电路相电感实际值；需要注意的是，在运行过程中接口电路的实际电感值与电阻值会发生变化。
[0050]
对上式进行复矢量park变换得到以下同步旋转坐标系下的复矢量电压方程：
[0051][0052]
式中，表示永磁同步电机模拟器侧电压复矢量；表示电机驱动单元侧输出的电压复矢量；表示接口电路电流复矢量；ωe为电角速度；需要说明的是，对于变同步旋转角频率应用，ωe是时变的，但在一个控制周期内可视为常数。
[0053]
由以上复矢量电压方程得到以下连续复矢量传递函数：
[0054][0055]
在本发明的一个优选实施方式中，步骤二中针对延迟环节和零阶保持器首先在连续域分别描述为gd(s)＝e-st
，g
zoh
(s)＝(1-e-st
)/s，并相应地在复域中对拉普拉斯算子进行代换s
→
s+jωe，得到延迟环节和零阶保持器的连续复矢量传递函数分别为：
[0056][0057][0058]
两者构成的连续复矢量传递函数转换为离散复矢量传递函数：
[0059][0060]
式中，t为离散步长。
[0061]
在本发明的一个优选实施方式中，步骤三中进行极点重构时首先将接口电路的离散复矢量传递函数表示为以下形式：
[0062]
[0063]
选取式中的系数k1～k3分别为k1＝α1+α2、k2＝α1α2、k2＝b-1
，其中，α1和α2为待定实系数也即重构的极点，可得到极点重构后的离散复矢量传递函数为：
[0064][0065]
在本发明的一个优选实施方式中，步骤四中针对上述极点重构后的离散复矢量传递函数，设计以下控制器离散复矢量传递函数：
[0066][0067]
式中，k4为待定系数，α1同上为重构的极点；
[0068]
则可将控制闭环传递函数确定为：
[0069][0070]
在实际控制中具体通过不同k4和α2选取来得到所需的控制性能。上述极点重构与控制器框图如图3所示。
[0071]
在本发明的一个优选实施方式中，针对无差拍控制的需要，选取k4＝1和α2＝-1来实现。当然k4和α2也均可选取其他值来得到实际需要的控制性能。
[0072]
对于实系数α1其一方面决定了系统稳定范围，另一方面影响着在参数扰动条件下系统的解耦性能。下面通过实例具体阐明α1对系统稳定性的影响。在实际运行过程中由于温度以及电感线圈磁芯饱和等影响使得实际电路参数发生改变，假设实际值与名义值之间存在关系ld＝mlf，rd＝nrf，相应地，，相应地，此时，系统闭环传递函数为：
[0073][0074]
式中，
[0075]
c1＝k1+ad+1
[0076]
c2＝k1ad+(k2+k4)k3bd+k1+ad[0077]
c3＝k1ad+(k2+k4α1)k3bd+(k2+k4)ak3bd[0078]
c4＝(k2+k4α1)ak3bd[0079]
由稳定性定理知系统稳定的充要条件为极点位于单位圆内部，即f(m)＝max(|roots(z
4-c1z3+c2z
2-c3z+c4)|)＜1。设置同步旋转频率ωe＝2π50rad/s，离散步长t＝1/10000，可得如图4所示的最小电感失配倍数m与系数α1之间的关系，可以看出，随着α1的增大，系统可允许的参数失配范围越大，鲁棒性与稳定性越好。需要说明的是，由于电阻失配程度对于系统稳定性没有影响，因此没有纳入考虑范围。
[0080]
而对于在参数失配条件下α1对系统解耦性能的影响，可先将闭环传递函数分解为实部和虚部，满足以下方程：
[0081][0082]
其中，虚部反映了系统的交叉耦合特性。假设系统电感发生参数扰动，失配程度为m＝0.5，选取不同的α1，可得如图5所示的频率特性曲线。从图中可以看出，在参数失配条件
下，随着系数α1的增大，高频交叉耦合效应得到明显抑制；但其低频耦合效应有所增加。因此，在对α1进行选择时，要权衡系统对参数失配稳定性以及解耦性能的要求。
[0083]
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0084]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、对永磁同步电机模拟器接口电路建立dq坐标系下的连续复矢量传递函数；步骤二、将永磁同步电机模拟器侧的三相逆变器等效为零阶保持器，以及考虑数字控制器的延迟环节，分别建立相应的连续复矢量传递函数，并结合步骤一中建立的连续复矢量传递函数执行离散化处理，得到接口电路的离散复矢量传递函数；步骤三、对接口电路离散复矢量传递函数的极点进行重构设计，将复数极点转化为两个实数极点，使dq轴之间实现完全解耦；步骤四、针对极点重构后的接口电路离散复矢量传递函数，基于所需的控制效果来设计离散电流控制策略以及相应的控制器参数。2.如权利要求1所述的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：步骤一中连续复矢量传递函数的具体建立过程包括：首先对l型接口电路建立三相坐标系下的电压方程，并经过clark坐标变换后得到两相静止坐标系下的以下电压方程：式中，分别表示静止坐标系下的电机驱动单元侧电压、电机模拟器侧电压以及接口电路电流的复数矢量，满足r
f
为接口电路相电阻实际值；l
f
为接口电路相电感实际值；对上式进行复矢量park变换得到以下同步旋转坐标系下的复矢量电压方程：式中，表示永磁同步电机模拟器侧电压复矢量；表示电机驱动单元侧输出的电压复矢量；表示接口电路电流复矢量；ω
e
为电角速度；由以上复矢量电压方程得到以下连续复矢量传递函数：3.如权利要求2所述的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：步骤二中针对延迟环节和零阶保持器首先在连续域分别描述为g
d
(s)＝e-st
，g
zoh
(s)＝(1-e-st
)/s并相应地在复域中对拉普拉斯算子进行代换s
→
s+jω
e
，得到延迟环节和零阶保持器的连续复矢量传递函数分别为：
两者构成的连续复矢量传递函数转换为离散复矢量传递函数：式中，t为离散步长。4.如权利要求3所述的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：步骤三中进行极点重构时首先将接口电路的离散复矢量传递函数表示为以下形式：选取式中的系数k1～k3分别为k1＝α1+α2、k2＝α1α2、k2＝b-1
，其中，α1和α2为待定实系数也即重构的极点，可得到极点重构后的离散复矢量传递函数为：5.如权利要求4所述的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：步骤四中针对上述极点重构后的离散复矢量传递函数，设计以下控制器离散复矢量传递函数：式中，k4为待定系数，α1同上为重构的极点；则可将控制闭环传递函数确定为：在实际控制中具体通过不同k4和α2选取来得到所需的控制性能。6.如权利要求5所述的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其特征在于：针对无差拍控制的需要，选取k4＝1和α2＝-1来实现。

技术总结
本发明提供了一种基于极点重构的永磁同步电机模拟器电流控制策略，其利用复矢量进行建模分析，将常规的接口电路的d、q轴两个电压方程简化为一个复矢量电压方程模型；在建模中考虑了系统的延迟环节，使得到的离散复矢量模型更加符合实际数字控制需要；通过极点重构后得到的控制策略具有参数选取灵活、鲁棒性好、没有稳态误差等优点，并可通过参数配置实现所需的控制效果，尤其是可以实现无静差的无差拍控制，克服了传统的无差拍电流预测控制在参数扰动情况下存在稳态误差的问题，同时扩展了传统无差拍电流预测控制的参数失配稳定范围。统无差拍电流预测控制的参数失配稳定范围。统无差拍电流预测控制的参数失配稳定范围。


技术研发人员：王志福 王泽尚 潘琼
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/21