一种永磁电机弱磁控制策略
阅读说明：本技术 一种永磁电机弱磁控制策略 (Permanent magnet motor flux weakening control strategy ) 是由 房淑华 王翌丞 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁电机弱磁控制策略,属于多电飞机用永磁电机控制领域；采用弱磁控制方式,将弱磁区域分成四部分,基于前馈控制的方法计算出不同区域所需的弱磁电流并进行给定,控制系统中电流环采用PI控制器,转速环使用改进型自抗扰控制器；使用转矩补偿的方法对自抗扰控制器进行改进,通过检测d-q轴电流分量和电机转速搭建负载转矩观测器对负载转矩进行辨识,并依据前馈补偿的原理对控制器输出进行转矩补偿；本发明解决了传统多电飞机用永磁电机控制系统模型依赖度高、转速不稳,调试复杂的弊端,并对于扰动具有良好的抑制作用,大大提升了系统的鲁棒性与抗干扰能力。(The invention discloses a flux weakening control strategy for a permanent magnet motor, belonging to the field of control of permanent magnet motors for multi-electric airplanes; dividing a weak magnetic area into four parts by adopting a weak magnetic control mode, calculating weak magnetic currents required by different areas based on a feedforward control method, giving the weak magnetic currents, wherein a current loop in a control system adopts a PI (proportional-integral) controller, and a rotating speed loop adopts an improved active disturbance rejection controller; the active disturbance rejection controller is improved by using a torque compensation method, a load torque observer is constructed by detecting d-q axis current components and motor rotating speed to identify load torque, and torque compensation is performed on the output of the controller according to a feed-forward compensation principle; the method overcomes the defects of high dependence degree, unstable rotating speed and complex debugging of the traditional permanent magnet motor control system model for the multi-electric airplane, has good inhibition effect on disturbance, and greatly improves the robustness and the anti-interference capability of the system.)
技术领域
本公开属于永磁电机弱磁控制领域，具体涉及一种永磁电机弱磁控制策略。
背景技术
传统飞机的供能系统中存在多种能源共存，导致飞机和发动机存在结构复杂、可靠性差，碳排放量更大，以及能源效率低等问题，且功率系统质量较大，限制了飞机的有效载荷；在这种情况下，效率更高，更轻便简单的多电、全电飞机逐步得到人们的重视，这也对多电飞机用电机的性能提出了更高的要求。
多电飞机用电机对驱动系统提出了更高要求：既需要对运动目标的快速响应能力，又需要平滑、稳定的跟踪能力，因此多电飞机用电机控制要有针对性的对策；传统的控制策略，如比例积分(PI)控制对系统的依赖性高，当存在参数的变化和外界扰动时，其控制效果并不理想；而多电飞机用永磁同步电机控制系统除了来自电机自身因素的干扰，还存在摩擦力矩，以及空中环境的风阻力矩等其它干扰力矩的影响；随着多电飞机的不断发展，对其多电飞机电机控制运行中的抗扰性、可靠性和控制的精确性提出了更高的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种永磁电机弱磁控制策略，解决了现有技术中解决传统控制策略系统模型依赖度高、响应与跟踪效果冲突，和抗扰性能差的问题。
本公开的目的可以通过以下技术方案实现：
一种永磁电机弱磁控制策略包括：
步骤1：建立起速度环自抗扰控制器模型；
步骤2：建立起速度环改进型自抗扰控制器模型；
步骤3：建立基于前馈法的电机弱磁控制模型；
步骤4：控制逆变器进行输出。
进一步地，在所述步骤1中，根据采集到的转速实际值与设定转速值输入自抗扰控制器，得到转矩初始给定值；
进一步地，将误差值输入自抗扰控制器后，使用跟踪微分器模型计算输入的微分值；使用扩张状态观测器观测系统输出，输出的各阶导数，以及系统的误差扰动；使用根据跟踪微分器与扩张状态观测器的输出能够获取控制对象的状态误差。此时非线性状态误差反馈使用非线性函数对状态误差进行控制，输出转矩初始给定值。
进一步地，在所述步骤2中，建立负载转矩观测器进行转矩辨识，在电机输出侧采集d-q轴电流以及转速，依据公式计算负载转矩观测值，通过前馈控制的原理计算转矩补偿表达式，将所得的转矩补偿补偿至自抗扰控制器输出侧，得到转矩参考值。
进一步地，在所述步骤3中，结合电机的电流和电压受限范围和转速所处区间，将弱磁区域共分为四个部分，并给出相应的d-q轴弱磁电流计算公式，根据所处不同速度区域以及自抗扰控制器输出的转矩参考值，计算得到d-q轴电流给定参考值。
进一步地，所述弱磁区域分为：最大转矩电流比区域、最大电流区域、弱磁区域以及最大转矩电压比区域。
进一步地，在所述步骤4中，将d-q轴电流参考值与采集得到的d-q轴电流实际值进行做差，差值输入电流PI控制器进行调节，将控制器输出并解耦得到d-q轴电压给定参考值，再依据电压参考值进行坐标变化与空间矢量脉宽调制(SVPWM)计算，控制逆变器进行输出。
本公开的有益效果：发明提供的基于改进型自抗扰控制器的多电飞机用永磁电机弱磁控制策略解决了系统模型依赖度高、以及高速情况下抗扰性能差的问题；由于设计的自抗扰控制策略能够依据干扰对输出进行补偿，因此抗扰性与鲁棒性均较好，适用于多电飞机用电机控制。由于该控制系统不依赖于电机自身的精确参数，无需传递函数和电机参数观测器进行推导，因此减少了大量的数值计算，控制器设计简便，控制系统稳定可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的多电飞机用永磁电机控制系统结构框图；
图2为本发明的基于前馈法的弱磁控制过程示意图；
图3为本发明的多电飞机用电机控制策略与传统PI控制在扰动下的效果对比示意图；
图4为本发明的多电飞机用电机自抗扰控制器补偿前后的效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
一种永磁电机弱磁控制策略的策略控制结构如图1所示，分别建立以弱磁控制所需的转矩给定值为输出变量的自抗扰控制器；基于前馈法的弱磁控制模型；以及对自抗扰控制进行基于前馈控制的转矩补偿；主要步骤如下：
步骤1：建立起速度环自抗扰控制器模型；
如图1所示，自抗扰控制器包含三个部分，分别是跟踪微分器(TrackingDifferentiator，TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)以及非线性状态误差反馈(Nonlinear State ErrorFeedback，NLSEF)；跟踪微分器可以对输入信号进行跟踪，并安排过渡状态，使控制快速且无超调；扩张状态观测器是用来观测输出以及其各阶导数，与此同时将系统内部扰动以及外部变量作为总扰动，对总扰动进行观察与估计；非线性状态误差反馈主要控制参考输入以及扩张状态的误差信号的非线性组合，同时对观测到的总扰动给予补偿。
速度环的控制器为一阶模型。就此给出一阶跟踪微分器模型：
式中：Z11为跟踪微分器处理过后的输入值状态，表为跟踪微分器处理过后的输入值状态微分量。ω*为给定速度，r为增益系数，fal()是非线性函数，其表达式为：
一阶扩张状态观测器模型为：
式中：ω表示采集到的实际速度，Z21表示扩张状态观测器对系统输出的观测量，Z22表示对总扰动的观测量，β21、β22为增益系数，Z22表示误差观测量的微分形式，b表示补偿系数。
一阶非线性状态误差反馈模型为：
式中：u为非线性状态误差反馈的输出。
将设定转速值输入自抗扰控制器，经过跟踪微分器得到给定转速的状态量；将采集到的转速实际值输入扩张状态观测器，得到实际转速的状态量以及观测到的总误差值；将给定转速状态量与实际转速状态量做差，差值经过非线性状态误差反馈得出初始输出值u0，加入对扩张状态观测器观测到的总扰动的补偿得到最终的输出值u，也就是需要输入进弱磁系统的转矩参考值的初始值。
步骤2：建立起速度环改进型自抗扰控制器模型；建立负载转矩观测器模型进行辨识：
式中：Te为电磁转矩。J为惯量系数，B为摩擦系数，ω为实际转速。结合前馈控制的方法，得到自抗扰控制器转矩补偿的表达式为：
式中：p代表极对数，ψf代表磁链，Ld、Lq分别为d-q轴电感，ido、iqo为观测到的d-q轴电流，ωo为观测到的转速；
将计算得到的转矩补偿补偿至自抗扰控制器的输出端，得到最终的转矩参考值。
步骤3：建立基于前馈法的电机弱磁控制模型；结合直流电源供给电压电流的范围和转速所处区间，将弱磁区域共分为四个部分，并给出每个部分的d-q轴弱磁电流计算公式，得到d-q轴电流给定参考值；
电流与电压受到供给电压电流影响，其限制范围是：
忽略定子电阻的情况下，上式可写为：
式中：ω表示转速，Ld,Lq和id,iq分别表示d-q轴电感和电流，Udc表示供给的直流电压，Ismax表示逆变器所能接受的电流上限；ψf表示磁链大小；由此可以看出，电流的活动范围会局限在电流圆与电压椭圆的交集中；
首先计算弱磁所需要的各临界转速值；设当下的转速为ω，目标转速值为ω*；将使(8)中电压椭圆公式过零点时的转速计算出来，称之为边界速度ω0；电机在无弱磁情况下的转速称之为基础转速ωb，可依据式(9)计算得出；电机最大转矩电压比曲线如(10)所示，与(8)中电流曲线结合即可计算得出此时的电流工作点，带入到电压曲线圆公式中即可计算出进入最大转矩电压比区域的临界转速，称之为ωv；依据以上转速临界值，可将弱磁控制分为四部分：最大转矩电流比区域、最大电流区域、弱磁区域、最大转矩电压比区域；
(Ld-Lq)(Lqiq)2-(Ld-Lq)(Ldid+ψf)2-ψfLq(Ldid+ψf)＝0 (10)
(1)ω<ωb区域
此区域又称之为最大转矩电流比(MTPA)区域，称MTPA曲线与电流圆的交点为A,如图2(a)所示。电流工作点C在最大转矩电流比曲线上，可由下式计算：
(2)ωb＜ω＜ω0区域
此区域又称之为最大电流(MC)区域，在转速向着ω*提升但还未达到ω*时，电流在电流限制圆的边缘上移动，因此一直处于最大电流状态，如图2(b)所示，工作点C为：
此时根据工作点计算出的转矩就是当下能负载的最大转矩Tmc：
Tmc＝1.5p(ψfiq+(Ld-Lq)idiq) (13)
转速到达ω*后，根据转矩要求进行此时电流的计算。如图2(c)(d)所示首先计算此状态下的电压曲线和MTPA曲线的交点D，将此点电流带入转矩公式计算，称此时的转矩为截止转矩Td。当给定转矩Te>Tmc时，工作点B可按公式(12)计算，令给定转矩强制等于Tmc；当Td<Te<Tmc,工作点可按公式(14)计算；当Te<Td，此时工作点为转矩曲线与MTPA曲线的交点，使用公式(11)带入此时的转速即可计算。
(3)ω0<ω<ωv区域
如图2(e)(f)所示，此区域又称之为弱磁区域，处于该区域时，当ω<ω*,工作点在电流边界上移动，为该转速情况下电压圆与电流圆的交点，计算公式同(12)；当ω＝ω*，此时根据转矩要求进行此时电流的计算。当给定转矩Te>Tmc时，令给定转矩强制等于Tmc,工作点就是电压圆与电流圆的交点；当给定转矩Te<Tmc时，工作点为转矩曲线与该速度下的电压曲线的交点G，使用(14)可以计算得出；
(4)ωv<ω区域
如图2(g)(h)所示，此区域又称之为最大转矩电压比(MTPV)区域。处在该区域时，首先判断此时速度有没有达到预定转速；当ω<ω*,工作点在MTPV曲线上移动，为该转速情况下电压圆与MTPV曲线的交点，计算公式为(15)：
当ω＝ω*，此时电压圆与MTPV曲线交点为I，根据转矩要求进行此时电流的计算。若给定转矩Te>TI,工作点就是I点，并强制令给定转矩等于TI；当给定转矩Te<TI，此时的工作点为转矩曲线和电压曲线的交点K，使用式(14)可以计算得出；
通过以上步骤，即可得出满足转速与转矩要求的d-q轴电流参考值。
步骤4：如图1所示，将d-q轴电流参考值与采集得到的d-q轴电流实际值进行做差，差值输入电流PI控制器进行调节，将电流PI控制器输出并解耦得到d-q轴电压给定参考值；依据电压给定参考值进行坐标变化与SVPWM计算，控制逆变器进行输出。
为验证所提控制策略的有效性，搭建电机控制平台进行实验；给出电机的控制指令为：先空载转至2700转，加1.2Nm负载后减小转矩大小至1Nm，最后再提速至3000转；由图3和图4可见，采取基于自抗扰控制器的弱磁控制能够快速达到指定速度，跟踪误差小，控制精度高，在补偿之后波动更低，系统具有较好的鲁棒性和抗干扰能力，能够满足多电飞机用电机高精度高稳定性的要求。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。