王安邦 姜衛(wèi)東 王群京 佘陽(yáng)陽(yáng)

1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 合肥 230009

2.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 合肥 230601）

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)因?yàn)榫邆涓咝省⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和電動(dòng)汽車[1-3]等諸多領(lǐng)域。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有多變量、非線性及強(qiáng)耦合的特性，故需要采用較為復(fù)雜的控制策略。在永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間是衡量電動(dòng)機(jī)控制性能的重要指標(biāo)。目前主要有三種控制方法：變壓變頻控制、磁場(chǎng)定向的矢量控制[4-6]和直接轉(zhuǎn)矩控制[7-9]，其中矢量控制策略在工業(yè)界運(yùn)用較為廣泛。傳統(tǒng)的矢量控制策略采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)為典型的二次響應(yīng)曲線，超調(diào)量較大且調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[10]專門(mén)對(duì)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了比較，直接轉(zhuǎn)矩控制具有更好的動(dòng)態(tài)特性和更簡(jiǎn)單的調(diào)制技術(shù)，而磁場(chǎng)定向矢量控制的電動(dòng)機(jī)相電流波形質(zhì)量更好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小。隨著電力電子技術(shù)、微處理器及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，許多學(xué)者和專家在矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上加入了一些算法來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)特性，例如：自適應(yīng)控制[11,12]、滑模變控制[13,14]和智能控制[15,16]等。

在三相PWM逆變器的控制中，在文獻(xiàn)[17]中將電壓二次方作為反饋構(gòu)成控制系統(tǒng)的外環(huán)，外環(huán)輸出的是有功電流給定值，提高了系統(tǒng)的快速性。比較 PWM整流器和永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，前者是采用電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，后者是采用轉(zhuǎn)子慣量（或者折算后的）儲(chǔ)存機(jī)械能量，因此這兩種算法具有一定的一致性。在整流器的進(jìn)一步的研究中，文獻(xiàn)[18]從 Boost變換器的狀態(tài)空間平均方程數(shù)學(xué)模型出發(fā)，推導(dǎo)了功率傳遞關(guān)系。在此基礎(chǔ)上提出了一種以電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)、直流側(cè)電容儲(chǔ)能環(huán)作為外環(huán)的反饋控制策略，引入負(fù)載功率的前饋，并給出了前饋功率的估計(jì)算法，相比較傳統(tǒng)的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略具有更好的動(dòng)態(tài)特性。

本文提出一種基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)存的矢量控制策略，以轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)能環(huán)作為外環(huán)，以電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，從能量的角度控制電動(dòng)機(jī)。由電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能儲(chǔ)能關(guān)系可知，電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)速二次方成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速增加，儲(chǔ)能呈二次函數(shù)增長(zhǎng)?；谵D(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)存的矢量控制策略的外環(huán)，使用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能的給定值與實(shí)際值的差值作為輸入量，輸出量通過(guò)解耦得到內(nèi)環(huán)的電流給定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。為了驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能的矢量控制策略的動(dòng)態(tài)性能，將該策略與傳統(tǒng)的矢量控制策略進(jìn)行比較。最后還研究了負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的能量交換模型

為了簡(jiǎn)化分析，經(jīng)坐標(biāo)變換，將永磁同步電動(dòng)機(jī)模型由ABC軸系變換到dq軸系，如圖1所示。

永磁同步電動(dòng)機(jī)在dq軸系下的電壓方程為

圖1 隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)物理模型Fig.1 Model of non-salient PMSM

式中，Ld為永磁同步電動(dòng)機(jī)的直軸同步電感；Lq為交軸同步電感，隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)Lq=Ld=L；ωr=ωmp0=2 πnp0/60為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電角頻率（n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ωm為電動(dòng)機(jī)機(jī)械角頻率；p0為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)）；ψf為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈。為了使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流比最大且不采用弱磁控制，一般控制使id=0，按照基于轉(zhuǎn)子磁鏈的定向規(guī)則ed=0，且eq=ωrψf。（以下分析中所有帶上標(biāo)*的量為給定值或估計(jì)值，不帶*的量為實(shí)際值或反饋值，永磁同步電動(dòng)機(jī)的模型分析中以實(shí)際值為依據(jù)。）

將式（1）中第一行乘以id加上第二行乘以iq后，得到有功功率的交換關(guān)系為

式中，等號(hào)左邊為驅(qū)動(dòng)器提供的有功功率。等號(hào)右邊第一項(xiàng)為定子電阻消耗的有功功率；第二項(xiàng)為定子電感內(nèi)磁場(chǎng)儲(chǔ)能增加時(shí)所消耗的有功功率，在穩(wěn)態(tài)時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能不變化，該項(xiàng)為零；第三項(xiàng)為電動(dòng)機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩所輸出的機(jī)械功率，隱極式同步電動(dòng)機(jī)中該項(xiàng)為零；第四項(xiàng)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩所輸出的機(jī)械功率。

將式（1）中第一行乘以iq減去第二行乘以id后，得到無(wú)功功率的交換關(guān)系為

式中，等號(hào)左邊為驅(qū)動(dòng)器提供的無(wú)功功率。等號(hào)右邊第一項(xiàng)為電感內(nèi)磁場(chǎng)儲(chǔ)能總和變化時(shí)所消耗的無(wú)功功率，在穩(wěn)態(tài)時(shí)該項(xiàng)為零；第二項(xiàng)為電感上消耗的無(wú)功功率；第三項(xiàng)為電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速而吸收的無(wú)功功率。

綜合式（2）和式（3）可知在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流比最大且不采用弱磁控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的能量交換關(guān)系為

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)有功交換的工具，所以重點(diǎn)討論由驅(qū)動(dòng)器所提供的有功功率如何轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)忽略掉驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)器件引起的損耗后，認(rèn)為永磁同步電動(dòng)機(jī)從驅(qū)動(dòng)器輸入的功率減去電阻、電感儲(chǔ)能損耗后，全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出。機(jī)械功率可以寫(xiě)為

機(jī)械功率Mp的一部分Ap將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加（也就是使系統(tǒng)所儲(chǔ)存的動(dòng)能增加），另一部分提供負(fù)載消耗功率Lp。電動(dòng)機(jī)從驅(qū)動(dòng)器獲得的q軸電流分量將全部提供電動(dòng)機(jī)內(nèi)部消耗和輸出的機(jī)械功率，電流的d軸分量為無(wú)功分量，將其控制設(shè)為零。由式（4）和式（5）得

2 以轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能作為外環(huán)的永磁同步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)矢量控制

基于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制策略采用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子所儲(chǔ)存的動(dòng)能作為反饋量。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)存與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所需要的加速功率構(gòu)成微分關(guān)系，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的實(shí)際值與由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算的轉(zhuǎn)子動(dòng)能的期望值的差值經(jīng)過(guò) PI調(diào)節(jié)器后輸出功率參考值，功率參考值經(jīng)過(guò)與q軸感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算后得到電流的q軸分量參考值。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能外環(huán)的輸出的q軸電流分量參考值與實(shí)際電流反饋比較后，若無(wú)弱磁控制，d軸電流分量參考值為零，兩個(gè)軸電流與實(shí)際電流反饋比較后，經(jīng)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生dq兩軸的電壓，從而控制永磁同步電動(dòng)機(jī)工作。

2.1 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)環(huán)電流控制本質(zhì)上是控制驅(qū)動(dòng)器輸出電壓與電動(dòng)機(jī)內(nèi)反電動(dòng)勢(shì)的差值，此差值加在電動(dòng)機(jī)的繞組電阻和電感上，產(chǎn)生電流。

式中,Δud*、Δuq*為加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的用于產(chǎn)生電流的電壓。

為了消除dq軸之間的影響，將電流前饋解耦，解耦后式（7）寫(xiě)為

考慮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以測(cè)量，將式（8）進(jìn)行拉普拉斯變換，整理后得

此為一階慣性環(huán)節(jié)，PI調(diào)節(jié)器的反饋控制規(guī)律為

式中，kiP、kiI分別為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；id*、iq*分別為外環(huán)產(chǎn)生的無(wú)功電流和有功電流給定值。由于d軸和q軸結(jié)構(gòu)相似，以q軸的設(shè)計(jì)為例對(duì)內(nèi)環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到電流內(nèi)環(huán)應(yīng)具有較好的快速性，把內(nèi)環(huán)整定為一階慣性環(huán)節(jié)，令kiI/kiP=Rs/L，得到

式中，Tc=L/kiI。

最終得到電流內(nèi)環(huán)的控制規(guī)律

整個(gè)內(nèi)環(huán)的解耦控制策略如圖2所示。

2.2 基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能反饋的外環(huán)設(shè)計(jì)

圖2 電流內(nèi)環(huán)解耦控制框圖Fig.2 Diagram of the current loop with decoupling

以轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能為控制目標(biāo)的策略，選取電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能EK作為反饋量，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成控制系統(tǒng)外環(huán)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的二次方成正比，控制轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能也可以等效于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際存儲(chǔ)的動(dòng)能，與由給定轉(zhuǎn)速計(jì)算的期望儲(chǔ)能值相比后，經(jīng)儲(chǔ)能反饋環(huán)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)加速功率給定p*A，再加上相應(yīng)的損耗部分和負(fù)載估計(jì)值，除以電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，得到q軸電流給定。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能與電動(dòng)機(jī)的加速功率構(gòu)成微分關(guān)系，即

根據(jù)反饋控制規(guī)律，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的加速功率就可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能，設(shè)計(jì)該環(huán)輸出為加速功率給定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能環(huán)的控制規(guī)律為

若將電動(dòng)機(jī)定子電阻所消耗的功率和電感儲(chǔ)能所消耗的功率及負(fù)載消耗的功率進(jìn)行前饋補(bǔ)償以后，可以得到電動(dòng)機(jī)需要從驅(qū)動(dòng)器吸收的總功率pD*

忽略電阻消耗功率和電感儲(chǔ)能吸收的功率（該功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)所需的加速功率和負(fù)載功率），可以近似認(rèn)為為了獲得較為準(zhǔn)確的加速功率控制，需要將電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率進(jìn)行估算和前饋。按照上文定向規(guī)則，得到電流內(nèi)環(huán)的q軸電流給定值

基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能反饋控制策略的框圖如圖3所示，當(dāng)將損耗功率和負(fù)載功率前饋處理后，可寫(xiě)出閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖3 控制系統(tǒng)的整體框圖Fig.3 The diagram of the proposed control system

外環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。給定轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)能外環(huán)中頻帶寬hp，由典型Ⅱ型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系得

一般情況下，可取hp=5代入式（18）得

2.3 負(fù)載的影響及負(fù)載補(bǔ)償

根據(jù)式（13）可知，轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。忽略系統(tǒng)的摩擦阻力，考慮到電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際能量交換關(guān)系為

式中，Jm、JL分別為電動(dòng)機(jī)軸和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；分別為使電動(dòng)機(jī)軸和負(fù)載轉(zhuǎn)速變化時(shí)所需要的功率，在負(fù)載轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，該項(xiàng)不為零，將pAL+pL考慮為一項(xiàng)pL′。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸入功率與負(fù)載功率不再平衡，由于PI調(diào)節(jié)器的滯后性，負(fù)載首先與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能發(fā)生能量交換，引起電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化。根據(jù)功率表達(dá)式，忽略電阻消耗功率和電感儲(chǔ)能吸收的功率，可以寫(xiě)出負(fù)載功率的前饋估計(jì)算法。其表達(dá)式為

式中，前一項(xiàng)為驅(qū)動(dòng)器輸入的功率；后一項(xiàng)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的變化量。為了消除系統(tǒng)的采樣誤差，采用多周期平均值來(lái)估計(jì)負(fù)載功率，k為平均的周期數(shù)。當(dāng)將負(fù)載功率進(jìn)行前饋補(bǔ)償以后，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制始終可以等效為對(duì)其空載控制，消除了負(fù)載波動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。基于以上分析，得到永磁同步電動(dòng)機(jī)的基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能反饋和負(fù)載功率前饋的控制策略的框圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

為了驗(yàn)證本文所提出算法可行性，將該控制策略與傳統(tǒng)的矢量控制策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示。測(cè)功機(jī)為MAGTROL公司的 HD-815-8，示波器為 Aglient公司的 DSO-X 3014A，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是由 DSP采集，利用 AD7542數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的 DA電路輸出，電流波形由Tektronix公司的A622電流探頭測(cè)得。永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表。

圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of PMSM

3.1 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略和本文所提出控制策略起動(dòng)時(shí)的比較

圖5給出了傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略和本文所提出的控制策略下給定轉(zhuǎn)速分別為 3 0 0 r/m i n、1 0 0 0 r/m i n和2 0 0 0 r/m i n時(shí)，電動(dòng)機(jī)的相電流、q軸電流qi和轉(zhuǎn)速起動(dòng)響應(yīng)曲線。

表永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)Tab.Parameters of PMSM

圖5 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.5 Experimental results of the startup process

兩種控制策略采用不同的外環(huán)調(diào)節(jié)器，相同的電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器。比較兩種算法在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的響應(yīng)特性可以看出：

（1）兩種控制策略中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差較大時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出飽和，電動(dòng)機(jī)以最大電流加速，這一過(guò)程中，兩種控制策略表現(xiàn)出一致的加速性能。

（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近設(shè)定值時(shí)，外環(huán)PI調(diào)節(jié)器中的P調(diào)節(jié)器開(kāi)始減小控制比例，而積分調(diào)節(jié)器開(kāi)始逐漸增大控制比例，由于本文所提出控制策略在轉(zhuǎn)速誤差減小時(shí)，P調(diào)節(jié)器以二次方的關(guān)系減小，所以在這一過(guò)程中本文所提出的控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略。

（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時(shí)，外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的電流給定會(huì)迅速降為零或負(fù)值，相比之下本文所提出的控制策略在外環(huán)調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)優(yōu)于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略。

事實(shí)上，兩種控制策略的主要區(qū)別在于控制器的外環(huán)設(shè)計(jì)。從q軸電流的曲線看來(lái)，本文所提出的控制策略當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在設(shè)定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，q軸電流能夠快速穩(wěn)定，有效地抑制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速振蕩。與起動(dòng)過(guò)程類似的結(jié)論，也可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定突減的過(guò)程中看出，如圖6所示。

3.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)對(duì)負(fù)載估算算法的驗(yàn)證

圖6 電動(dòng)機(jī)減速時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of the deceleration process

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的響應(yīng)特性Fig.7 Experimental results in the step loadtorque conditions

為驗(yàn)證本文所提出算法的動(dòng)態(tài)性能，比較了傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略和本文所提出控制策略在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突加、突減時(shí)的控制性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。制效果。可以看出，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生較大的跌落，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用，外環(huán)輸出的電流給定加大，電動(dòng)機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，從而恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速。當(dāng)帶有負(fù)載估計(jì)算法時(shí)，不論是傳統(tǒng)控制策略還是本文所提出的控制策略，突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速跌落和突減負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速上升都優(yōu)于不帶負(fù)載估計(jì)的控制策略，如圖7c和圖7d所示。這是因?yàn)樵谪?fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，首先吸收電動(dòng)機(jī)和負(fù)載系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，根據(jù)式（21），可以估計(jì)出負(fù)載功率的變化。并將前饋疊加到外環(huán)電流給定上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變化的超前控制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，帶負(fù)載估計(jì)的基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)能反饋控制的系統(tǒng)性能為最優(yōu)。

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化時(shí)負(fù)載估計(jì)算法的驗(yàn)證

將電動(dòng)機(jī)脫開(kāi)負(fù)載機(jī)，比較不同算法下負(fù)載慣量變化對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)響應(yīng)性能。圖8給出了負(fù)載慣量改變，重新起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略和本文所提出的控制策略分別在帶和不帶負(fù)載估計(jì)時(shí)的響應(yīng)特性。如圖8a和圖8b所示，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變較大時(shí)，未加入負(fù)載估計(jì)算法，兩種控制策略下，都出現(xiàn)了短時(shí)振蕩，在實(shí)際系統(tǒng)中必須修改外環(huán)PI參數(shù)才能消除振蕩。圖8c和圖8d給出了當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化較大時(shí)，加入負(fù)載估計(jì)算法，PI參數(shù)不做修改情況下的起動(dòng)波形，兩種控制方法均可以達(dá)到圖5類似的起動(dòng)性能。由此可見(jiàn)，本文所提出的負(fù)載估計(jì)算法對(duì)于負(fù)載慣量的變化具有一定的適應(yīng)性。

圖8 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化情況下響應(yīng)特性Fig.8 Experimental results under the load rotational inertia varying

4 結(jié)論

本文分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的能量交換模型，提出了以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能作為外環(huán)反饋的矢量控制策略。由電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能儲(chǔ)能關(guān)系可知，電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)速二次成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速增加，儲(chǔ)能呈二次函數(shù)增長(zhǎng)?；谵D(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)存的矢量控制策略的外環(huán)，使用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能的給定值與實(shí)際值的差值作為輸入量，輸出量通過(guò)解耦得到內(nèi)環(huán)的電流給定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。即使在相同的轉(zhuǎn)速增量條件下，初始轉(zhuǎn)速較大時(shí)，電動(dòng)機(jī)需要更多的加速功率，而這一點(diǎn)在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制下，因?yàn)橥猸h(huán)調(diào)節(jié)器采用轉(zhuǎn)速的差值作為輸入，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；而外環(huán)采用動(dòng)能差值作為調(diào)節(jié)器輸入，則很好地解決了這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文得到以下結(jié)論：

（1）驗(yàn)證了基于能量反饋的矢量控制策略的可行性。

（2）與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)矢量控制策略相比，本文所提出的控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更優(yōu)。

（3）提出了一種負(fù)載估計(jì)方法，避免了需要根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的問(wèn)題，并消除了負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（4）該控制策略的思想同樣適用于其他一些輸出量具有明確的能量函數(shù)表達(dá)式的系統(tǒng)中，例如PWM整流器的直流側(cè)電壓控制等。

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