祝贺研旭YXSPACE+YXPHM助力西安科技大学张玉峰团队发表SCI期刊论文


[1] 论文标题:基于高增益扰动观测器的永磁同步电机改进无模型预测电流控制

[2] 期刊名称:Energies

[3] Zhang, Y.;Wu, Z.; Yan, Q.;Huang, N.; Du, G. An Improved Model Free Current Predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on High Gain Disturbance Observer. Energies 2023, 16, 141. 

https://doi.org/10.3390/en16010141

 

一、论文创新点

 

预测电流控制(PCC)是一种先进的永磁同步电机(PMSM)控制策略。当电机驱动系统不受干扰时,预测性电流控制表现出良好的动态响应速度和稳态性能,但传统的PCC控制性能依赖于电机本体模型,容易受到参数扰动的影响。针对这一问题,本文提出了一种基于高增益扰动观测器(HGDO)的改进型无模型预测电流控制(IMFPCC)策略。本文提出的该策略采用了无模型控制的理念,仅依靠系统的输入和构建一个超局部电流预测模型,从而摆脱了电机本体参数的约束。在本文中,通过比较和分析经典超局部结构和PMSM系统的状态方程来优化超局部结构。系统的电流状态变量被纳入超局部系统建模中,因此,经典超局域结构中存在的电流估计误差被消除了。对于未建模的和参数扰动部分,设计了一个高增益扰动观测器来实时估计它。最后,所提出的IMFPCC策略与传统的模型预测电流控制(MPCC)以及传统的无模型的预测电流控制(CMFPCC)进行了对比仿真和实验。结果表明,在参数变化的情况下,IMFPCC策略的稳态误差只有MPCC的50%。证明了所提策略的有效性和正确性。 

 

二、论文中研旭实验平台展示

 

为了进一步验证本文提出的算法的实用性和有效性,本节进行了物理实验。构建了基于研旭SP2000的PMSM控制驱动平台,如下图所示。实验中的采样频率也被设定为10 kHz。实验数据由上位机采集和存储,并导入MATLAB进行分析。 

 

 

三、论文中的特色表格、图片和公式

 

PMSM驱动系统的控制框图显示在图1中。一个PI控制器用于外部速度环,IMFPCC控制器用于内部电流环。仿真中的采样频率被设定为10kHz。

 

图1. 基于HGDO的PMSM改进型无模型预测控制系统框图

 

PMSM驱动系统的控制框图显示在图1中。一个PI控制器用于外部速度环,IMFPCC控制器用于内部电流环。仿真中的采样频率被设定为10kHz。

 

图2.不匹配的电机参数下dq轴电流和相电流的实验结果:

(a)MPCC;(b)CMFPCC;(c)IMFPCC。

 

图3.三种控制策略在不匹配的电机参数下的相电流傅里叶分析:
(a)MPCC;(b)CMFPCC;(c)IMFPCC。

 

图2显示了当控制器中的电机参数从0.5*(Ld, Lq, Rs)到2.0*(Ld, Lq, Rs)变化时,三种控制策略的稳态实验结果。电机的工作状态被设定为600rpm,负载为5N∙m。

 

从图2(a)可以看出,传统MPCC的dq轴电流偏离了给定值,当电机参数连续变化时,稳态误差增加。当电机参数大于控制器参数时,dq轴稳态电流不能正确跟随参考值,导致电流的低频谐波大大增加。当电机参数小于控制器参数时,MPCC的电流稳态误差随着d轴电流纹波的增加而显著增加,这是因为基于模型的预测电流由于电机参数的不匹配而不准确,这使得控制器无法为下一个周期选择最佳开关状态。相比之下,所提出的IMFPCC的稳态d轴电流纹波为0.9A,仅为传统MPCC方法的50%。图3显示了三种方法在电机参数变化时的THD值,可以清楚地看到,IMFPCC的三相电流总谐波失真率最小,这证明了所提策略的优越性。综上所述,结果表明,当电机参数不匹配时,CMFPCC和IMFPCC都能保证稳定的电机控制性能,但所提策略的稳态误差明显优于CMFPCC。这证明了本文提出的改进的超局部模型的有效性。

 

为了验证所提出的策略的动态性能和HGDO在电机的极端工作条件下的稳定性。进行了负载加减、短暂过载和短暂超速的实验。在实验中,电机最初以600rpm的速度运行,负载为5N∙m,然后负载增加到11.5N∙m(1.2*TN),短暂过载后,电机负载再次降低到5N∙m,一段时间后速度指令从600rpm增加到1200rpm(1.2*nN)。图10中给出了三种控制策略的动态实验波形。

 

图3. 动态工作条件下dq轴电流、相电流和dq轴总干扰的实验结果:
(a)MPCC;(b)CMFPCC;(c)IMFPCC。

 

如图3所示,在相同的负载变化下,三种方法的动态响应速度是相似的。从dq轴电流比较可以看出,MPCC和CMFPCC方法在加速过程中产生一定的电流波动。相比之下,所提出的IMFPCC的动态过程是平稳的,使电机能够保持稳定的运行状态。图3(b)和图10(c)中的扰动观察图表明,CMFPCC和IMFPCC都能估计出加载过程中的外部负载干扰。但很明显,本文设计的HGDO在干扰估计方面具有更高的精度。综上所述,所提出的IMFPCC策略在加载和升速条件下表现出优越的动态性能。

 

四、YXSPACE快速原型控制器

 

YXSPACE产品系列能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法(Simulink)转换成DIDO、AIAO量,完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示:

 

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建,将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后,再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件,下载至YXSPACE控制器中运行。

 

研旭YXSPACE-VIEW2000软件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式,同时可以实时监测控制过程中的各类运行量,包括采集量、中间控制变量等。YXSPACE-VIEW2000包括了6类组态控件,分别为遥控控件、遥信控件、遥调控件、遥测控件、示波器控件以及文字编辑控件等。用户可以借助这些控件,直观、方便的搭建监控界面,监控控制器内部运行的详细信息。

 

YXSPACE独特优点:

 

  • 采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU,其仿真结果针对实际研究更具有参考性;

  • 在Matlab中设计的控制算法自动生成代码,自动加载到实时目标机中运行,避免了繁琐的编程和Debug工作;

  • 使用门槛低,会Matlab仿真即可完成实验测试工作,所有测试工作只需一人即可完成;

  • 模型与硬件接口链接简单,只需记住端口编号即可,更不用配置硬件各类细节,免去一切不必要的麻烦;

  • 性价比高,在同等功能的前提下,YXSPACE成本更低;

  • 具备自主编写的驱动库,可以直接导入到Simulink库中,用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库,将模型中的数据直接与硬件对接,无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件,可适用于各种工程调试需求;

  • 模型转换文件的透明化,用户可直接查看模型转换后的源码。

 

YXSPACE-VIEW2000软件

 

研旭公司专门为SP2000研发了一套上位机监控软件VIEW2000软件。

 

VIEW2000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置,包括仿真步长设置,DO控制源设置,QEP/CAP模式设置,PWM模块设置。

 

 

 

五、桌面型功率模块YXPHM

 

 

YXPHM系列采用基于模型设计的理念,脱胎于研旭成熟产品光伏并网逆变器与风机变流器等成熟产品,又结合了研旭多年的模块化组件与开放式平台研发经验,对该拓扑结构与驱动电路、传感器电路、信号处理电路进一步集成,同时提供实际控制器接口、快速原型控制器结构与实际控制器模块,为用户提供性价比更好的模块化产品。

 

YXPHM多功能桌面型电力电子功率转换平台,采用积木式搭建形式,将功率转换电路中的电感,电容,功率开关等器件方便的组合在一起,形成电力电子积木PEBB(Power Electronics Building Block)。

 

 

图为实物图片,采用亚格力材料封装。可以平放在桌子上面,故称作桌面型功率模块。

 

模块系列

YXPHM-DCC10b-I DC-DC变流模块

YXPHM-SP205b-II单相DC-DC-AC两级变流模块

YXPHM-TP310b-I三电平三相DC-AC变流模块

YXPHM-VYN10b-I维也纳型三相PFC变流模块

YXPHM-DAB10b-I双有源全桥双向变流模块

YXPHM-TAB05-S三有源桥直流变流模块

YXPHM-LLC10b 单/三相LLC串联谐振全桥模块

YXPHM-ANPC10b三电平有源中点钳位变流模块

YXPHM-SPM10-I六相电机驱动变流模块

YXPHM-GaNHB01高功率密度氮化镓半桥模块

YXPHM-MMCFB01全桥MMC变流子模块

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