永磁辅助同步磁阻电机控制环路设计

时间：2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：永磁辅助同步磁阻电机控制环路主要包括电流环和速度环，合理设计电流环和速度环参数，可以提高电机动态性能和稳定性。电流环主要由电流调节器、永磁辅助同步磁阻电机、逆变器组成，其作用是使永磁辅助同步磁阻电机电枢绕组电流能实时、准确地跟踪电流指令。电流环的控制对象为电流前向滤波、电流采样与滤波、PWM逆变器以及永磁辅助同步磁阻电机的电枢回路。

永磁辅助同步磁阻电机控制环路设计

永磁辅助同步磁阻电机控制环路主要包括电流环和速度环，合理设计电流环和速度环参数，可以提高电机动态性能和稳定性。因电流环和速度环的实现方式太多，本书不一一介绍，本书所讨论的电流环和速度环都是基于PI控制实现的。

1.电流环参数设计

电流环是永磁辅助同步磁阻电机系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制等策略的实现，直接影响整个系统的动态性能。电流环主要由电流调节器、永磁辅助同步磁阻电机、逆变器组成，其作用是使永磁辅助同步磁阻电机电枢绕组电流能实时、准确地跟踪电流指令。根据电流解耦控制的需要，电流环分为励磁电流环和转矩电流环，励磁电流环的目的是使永磁辅助同步磁阻电机在动态、静态过程中获得近似解耦，转矩电流环的目的是能够得到快速、高精度的转矩控制。虽然两个电流环是独立的，但由于转矩电流环和励磁电流环在控制方式上是相同的，故其控制参数设置一般也相同，在讨论电流环控制参数整定过程时，常以转矩电流环为研究对象。

（1）电流环控制框图。

电流环的控制对象为电流前向滤波、电流采样与滤波、PWM逆变器以及永磁辅助同步磁阻电机的电枢回路。

永磁辅助同步磁阻电机励磁电流环和转矩电流环控制框图如图5-33和图5-34所示。

图5-33 励磁电流环控制框图

图5-34 转矩电流环控制框图

（2）电流环各部分传递函数说明。

1）PWM逆变器传递函数。

由谐波分析可知，采用SPWM调制时，逆变器输出线电压的基波分量为

逆变器输出相电压的基波分量为

式中 M——调制深度（正弦调制信号幅值与三角载波信号幅值之比）。

若给定正弦控制电压的幅值为U_B，则三相脉宽调制逆变器的放大系数K_pwm为

采用SVPWM调制时，逆变器输出线电压的基波分量为

逆变器输出相电压的基波分量为

若给定正弦控制电压的幅值为U_B，则三相脉宽调制逆变器的放大系数K_pwm为

故逆变器可以看成是一个纯滞后的放大环节，其放大系数为一常数。

逆变器的滞后作用可认为由开关器件关断延时、死区延时以及DSP处理延时3部分组成，其中以DSP处理延时为主。DSP处理延时主要包括电流采样延时和PWM调制波更新延时两部分。

综上所述，PWM逆变器环节的传递函数可近似为

2）电枢回路传递函数。

电枢回路方程如式（5-11）和式（5-12），可以写成

拉普拉斯变换后整理得到q轴电枢回路的传递函数为

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3）电流采样滤波传递函数。

电流采样环节可简化为比例环节，其放大系数为β。

PWM逆变器输出的电流（或电压）与来自电流检测单元的反馈信号中都含有交流高次谐波分量，易造成系统振荡，应该用低通滤波器进行滤波。电流中的谐波分量主要来源于PWM逆变器，其边带谐波主要集中在（2πf_s±nω），其频率远小于f_s，所以电流滤波时间常数T_i通常选择为T_i=（0.3～0.5）T_s。

综上可得电流采样滤波环节的传递函数为

（3）电流环控制框图简化。

1）小惯性环节合并。电流采样滤波、PWM逆变器控制滞后是造成电流环延迟的主要原因，这两个环节均可看成是小惯性环节，可以将其按照小惯性环节的处理方法，合并成一个小惯性环节TΣ=（T_pwm+T_i）。

2）忽略感应电动势影响。电机电枢回路可以看成一阶惯性环节，但是电机存在感应电动势，虽然它的变化没有电流的变化快，但它会影响电流环的调节。低速时，由于电动势的变化与电机转速成正比，因此相对于电流而言，在一个采样周期内，可以认为它是一个恒定扰动，其低速时的数值相对于直流电压而言较小，对于电流环的动态响应过程可以忽略不计。高速时，由电机电枢回路控制方程可以看出，由于逆变器直流电压为恒值，因此电机电动势随转速上升而增加，加在电枢绕组上的电压减小，电流变化率降低，实际电流和参考电流间将出现明显的幅值和相位的偏差，严重时（电机速度很高时），实际电流将无法跟踪参考电流的变化。

简化后的电流环开环传递函数如图5-35所示。