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PR控制器在永磁同步电机控制中的应用

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资料介绍

提出了一种比例谐振(Proportional Resonant,PR)控制器的改进模型,将其应用于永磁同步电机控制中.用改进的PR控制器替代传统的PI控制器,节省一次坐标变换,省去了受温度及电机参数影响的交叉解耦项和前馈补偿项,简化了控制算法.仿真和试验结果表明,引入改进PR控制器的永磁同步电机控制系统控制性能优越,能够实现对交流输入信号的无静差跟踪,系统对低次谐波以及指定次谐波具有很强的抑制能力,具有重要的实用价值.

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第4 0卷第3期

Vot．40，No．3

湖南大学学 (自然科学版)

of Hunan

University(Natural Sciences)

Mar．2 0 1 3

3年3月

Journal

文章号：1674— 2974(2013)03-0059— 06

PR控制器在永磁同步机控制中的用

德荣”，

自

1，黄守道1，郭灯塔2

(1．湖南大学气与信息工程学院，湖南沙410082；

2．海上国家重点室，湖南湘潭411100)

力

技

与

摘要：提出了一种比例振(Proportional Resonant，PR)控制器的改模型，将其

用于永磁同步机控制中．用改的PR控制器替代

的PI控制器，省一次坐

化了控制算法．仿真和

交流

低次波以及指定次波具有很的抑制能力，具有重要的

，

省去了受温度及机参数影响的交叉解耦和前

，

果表明，引入改 PR控制器的永磁同步机控制系控制性能越，能

信号的无静差跟踪，系

入

用

价

．

关

：

分析；PR控制器；永磁同步机；波抑制

号：TM92l 文献

中

分

：A

Novel

Control

for

Interior

Field· 。weakening

Strategy

Permanent

Motor

Magnet Synchronous

LU0

De— rong”-CHEN Zi— qian91，HUANG Shou— da01，GUO

Deng— ta2

of Electrical and Information

(1．College

Engineering。Hunan Univ。Changsha．Hunan 410082．China；

of Offshore Wind Power Generation

2．State

and Detection

Technology。Ⅺa玎gtan．Hunan 411100，China)

Key Laboratory

Abstract：This

resonant(PR)controller，which was

applied

paper proposed

improved proportional

motor control

to the

with the

system．Compared

traditional PI controller，

permanent magnet synchronous

can not

make the whole control

save

tedious coordinates

also

transformation，but remove

only

system

and feed forward

influenced

temperature

and electrical

pa—

cross‘-decoupling compensation

compensation

rameters，thus

tion of the

the control

and

results

that the

show introduc—

simplifying

strategy．Simulation

experiment

PR controller to

motor control

can achieve ze—

low— order har—

improved

permanent magnet synchronous

system

error with the AC

the

has

strong inhibitory ability

static

input signal，ant

system

monic and

harmonic．

designated

resonant

mo-

Key words：spectrum analysis；proportional

inhibition

controller；permanent magnet synchronous

tor；harmonic

收藕日期：2012-03-02

基金目：国家科学技支撑

划

助

目(2012BAHllF03)；国家973

划助目(2010CB736201)

作者介：德荣(1968一)，男，湖南沙人，湖南大学副教授，博士

十通系人，E-mail：．com

万方数据

湖南大学学 (自然科学版)

永磁同步机具有高效、高功率密度和高可靠

性等良的

性能，在

力

域内得了广

性和无静

上些性能很大程

泛的用．而人

机快速的

响

差

性的要求越来越高，事

度上取决于流控制器的特性．常用的控制器有：滞

控制器、重复控制器和PI控制器。滞控制器受

系

参数(如开关率、

它的抗能力和交流信号的跟踪能力差[1]．

重复控制器的有一个周期延，影响了系

、

)影响大，因此，

1基于PI控制器的PMSM控制框

响

特性[2]．PI控制器是基于有效

和可靠性高的特点，但在

的

系

控，具

低次

Control

of PMSM based on PI controller

diagram

Fig．1

有算法

波

行抑制，需要繁的高低通波和坐

且无法交流信号的无差跟踪[3_4]．

国内外已有部分文献 PR控制器行了研究，

并多将其用于并网逆中[5叫]，将其用于永

磁同步机控制的研究少．因此，本文利用PR控制

器能在静止坐系下交流信号行无静差

无需坐、不存在耦合和前，且易于

低次波的抑制等，将其用于永磁同步

的运行控制中．仿真和明，引入PR后的控制系

，

PR控制器

2．1

PR控制器模型

系

PR控制器即比例振控制器，由比例

和

广

分

成，其

函数

：

9。

、

(4)

GPR(s)一KP+Ki下半1．

S十叫。

式中：K，，Ki分

率．广

比例常数和

分

常数；cc，。

分器，在某

机

振

分

是一个2

个

率点增益很大，取K；一i00，∞。一314 rad／s

具有良的交流跟踪与控特性．

1永磁同步机PI控制

1．1永磁同步机数学模型

，它的Bode

如

2所示．

在

子旋 d，q坐系下，永磁同步机的数

学模型可表示 ‘9|：

(1)

(2)

R。如+Ld等一c￡，L。i。，

“。一Rsi。+L。面diq+止did+却f，

T。一詈p[咖i。+(k— L。)idi。]．

co／(rad· s一1)

(3)

分器波特

Bode

of second— order

integrator

Fig．2

graph

式中：“。，‰，i。，iq分

d，q 上的

和

流分

量；R。定子阻；k，L。分

d，q 上的感；咖

角速度；P 机极

由

2可知，分器有180。的相位裕度，足系

定性要求；分器在率点甜。的幅增益

高于其他率点，当交流定信号的角 ∞。，

子永磁体磁；∞

子

数．

率

1．2基于PI控制器的永磁同步机控制框

于面式永磁同步机，交直感相等，即

k— L。一L，所以式(3)可：Te一3／zpCfi。，

即s=J∞。

，

分器的幅

得无大，即可

上当机运行

交流入信号的无静差跟踪．

，

了

定子流的角率是化的，若使叫。一∞，

可

最大限度地利用流，采用i。一0的控制方式，因

此，可以得到采用PI控制器的永磁同步机控制系

机定子流的自适

程可参考文献Elo-]．

，其无静差控制理

的

框

如

1所示．

万方数据

第3期

德荣等：PR控制器在永磁同步机控制中的

用

2．2改型PR控制器

从

2可以看出，G，。(s) 在∞。有高增益，而

在其他点大幅衰减，因此存在高增益

窄的

缺点，

将

致系

中易引起系

的定性，同便于数字

入信号率参量度敏感，

在

波

．

了增大系

，提

控

高系

，采用其改

制器模型

：

PI控制器的第z次波抑制

程

(5)

z’th order harmonic inhibition

Fig．4

GpR。)一KP+Kt≯ 了乏巍·

control

system

rad／s，

式中：∞。截止率．取Ki一100，叫。一314

叫。一2 rad／s和20 rad／s ，改后2

分器的

而

于PR控制器的波抑制特性，只需在PR

控制器基上叠加第z次波的抑制即可，

函数

Bode

如

3所示．

的

：

2Kb山。5

要

(6)

GHc(s)=

j粤

S2+2ccJ。S+(黝o)2‘

警

加入第z次波抑制后的PR控制器的

5所示．

构

如

￥

魁

援

10'

102

103

104

∞／(rad· s一1)

3改后2

分器波特

Bode

second-order

integrator

Fig．3

graph

improved

5加入第z次波抑制后的PR控制器

构

由

3可，∞。的引入改善了

但并没有改其在率点OJ。最大增益的特性，叫。

越小，特性越好，但于数字化程中由截断

差造成的率参数偏移或系外干引起的率波

器

特性，

Control

of PR controller after

diagram

Fig．5

added z’th order harmonic inhibition

由

5可，在波抑制方面，PR控制器所需

而言，叫。越小，

器增益波越大，影响系

5～15 rad／s

的算法

，易于数字

，

明

．

定性．因此，

用中，叫。取

最

3．2

PR控制器系控制框

上所述，采用PR控制器后的永磁同步

6所示．

佳n¨，其数字

程可参考文献[123．

机

控制框

如

3 波抑制与PR控制

3．1 波抑制

的PI控制器只能直流量行无

差

，在

机运行中常有的低次

波

行抑制

，程序比

复，抑制程如 4所示．

4中，X 指定波次数，一般：3，5，7，11，13

次，当系

第。次

波

行抑制，需要

，若同

各次

多次复

6采用PR控制器的PMSM系控制框

的高低通波和坐

其他次数的

Control

of PMSM used PR controller

diagram

Fig．6

波

行抑制，需要分

波

行

似的抑制

．因此，加大了波抑制

度．

万方数据

湖南大学学 (自然科学版)

由

6可知，然速度外仍然采用PI控制

器，但是流内却改成了PR控制器，不但增

流的无静差跟踪特性，并且能抑制低次

了

波，使得

器

出波形量改善，同，整个控制

策略只用了一次坐

旋

，控制算法得以化．

4仿真与

果分析

(a)加入波后的流、矩响

4．1仿真与分析

奄

皂

j型

利用Matlab／Simulink

件

行永磁同步

机

200

控制系的仿真，仿真机参数

：

定功率2

蜷

爝

脚

000

W，

定

380 V，

定

速3

r／min，定

mH，

流3．5 A，定子相阻0．86 Q，定子感11．3

波次数

永磁体磁 0．205 Wb，极数4．

000

(b)加入波后的

仿真中

定

机

速3

r／min，截止率∞。

PR控制器系中人加入3次波后的

一10，空

启，了加快仿真速度，相流幅人

流、矩响及其

限定至12 A，

机

在0．115 S左右达到定，

矩7 N· m，得到流和

and Bode

afrer

Fig．8 Current／torque response

graph

0．15

突加

矩的仿真波形

矩的跟踪特性及流的正弦性好，且能定运行，

明PR 器具有良好的性和定性．

定

added 3 th harmonic in PI controller

system intentionally

如

7所示．由 7可

，

磁

响

螽

差

垂

≤

姨

御

霉

萎

邑

、

(a)加入波抑制后的流、矩响

墩

帮

t／S

7采用PR控制器后的流和矩响

Current and

used PR controller

torque response

Fig．7

了考 PR控制器的波抑制特性，人

控制系中加入一定比例的3次波，0．14

在

突

波次数

(b)加入波抑制后的

9在PR控制器系中加入波抑制后的

加

定

矩7 N· m，加入3次波后的流和

矩响特性及其 8所示．由于波含

大，流波形重畸矩脉很大，

流、矩响厦其

周

如

and Bode

airer

graph

Fig．9 Current／torque response

量

致

，

added 3th harmonic inhibition in PR controller

system

速在一定范内波．利用PR控制器的波抑制

特性 3次

波

行抑制，得到抑制后的流和

9所示．由 9可，PR控

4．2

与分析

矩响及其

如

用TI公司的DSP芯片TMS320F2808作主

制器的波抑制特性非常著，流的畸率完全

控器件，搭建

900

装置．

机参数如下：定功

500

得到校正，矩脉

明减小．

率3

W，定

380 V，

定

速1

r／

万方数据

第3期

min，

德荣等：PR控制器在永磁同步机控制中的

用

Q，定子

定

流6．2 A，定子相阻2．655

弦性好．

500

感8．718 mH，永磁体磁 0．804 Wb，极数2．

果如 10～ 15所示．

机

定

速1

r／rain，采用PI控

制器的相流及其．由 13(b)可，当

速达到，流波相低速有所减少，

定

但13次波含量多，

重．采用PR控制器

致

流

体正弦局部畸

行

，得到相的波

形及其

有一定比例外，

好．加入13次波抑制后，得到相波形

如

14所示，此，除了13次波仍

量明减少，流正弦性很

波

如

(b)相

流

(a)相流波形

所示，此 13次波完全得到抑制．由此可，PR

控制器不但具有非常良的控性和无静差跟踪

000

r／min PI控制器下的

波形

性，并且能指定次

波

行抑制，从而大大改善

waveforms of PI

Fig．10 Experimental

机的波形特性和控制性能．

when

000

controller

r／min

(a)相流波形

(b)相

流

(a)相流波形

(b)相流

500

r／rain PI控制器下的

waveforms

波形

Fig．1

Experimental

000

r／rain PR控制器下的

waveforms

波形

of PI controller when

500

r／min

Fig．1 ¹

Experimental

of PR controller when

000 r／min

(a)相流波形

(b)相

流

500

(a)相流波形

(b)相

流

r／min PR控制器下的

波形

waveforms

Fig．14 Experimental

of PR controller when

000

r／rain PR控制器

500

r／min

加入波抑制后的

波形

wave[orms of PR controller

Fig．12 Experimental

when

1 000

added harmonic inhibition

r／min

000

10 采用PI控制器

，

机

速1

r／min 的相流及其

．由 10(b)可，当

机

速不高

致使流有少

得到相的波形及

，流中5，7，13次波含量大，

(a)相流波形

(b)相

流

畸

．改用PR控制器

行

，

可

如

11所示，从

500

r／min PR控制器加入

波抑制后的波形

waveforms of PR controller

以看出，然7，13次波仍然占有一定比例，但

波量明减少，流波形得到著改善．在PR

控制的基上，加入7，13次波抑制，得到相

12所示，此波基本得到抑制，流正

的

Fig．15 Experimental

inhibition when

1 500

r／min

波

added harmonic

形

如

，

万方数据

2013拄

湖南大学学 (自然科学版)

[5]王杰，迎川，朱子粱，等．PR

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regulator

本文 PR控制器行了

的理分析，并

dar

Academy，2009，23(4)：278— 280．(In

将其改模型用于永磁同步机的控制中，加入

PR控制器后的控制系，不能在静止坐系下

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字

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学，2007，22(5)：115— 120．

交流入信号的无静差

，同省去了耦合和前

，

省一次坐

，而且易于

and

of novel control

analysis

digital implementation

strategies

低次波的抑制，从而大大化了控制系．仿真

果表明，PR控制器具有良好的性、定性和

波抑制特性．了理与仿真分析的

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of China Elec—

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trol

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[J]．Proceedings

Chinese)

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