[论文解读] Model-Free Based Digital Control for Magnetic Measurements

Loïc Michel, Olivier Ghibaudo+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Magnetic Properties and Applications参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于Epstein框架的磁性材料表征的无模型数字控制策略，即使在材料非线性和磁滞特性下，也能实现对磁感应强度B波形的精确整形。通过采用无导数的无模型控制器变体，该方法在10–50 Hz频率范围内，对正弦波和方波参考信号实现了亚1%的波形因数（FF），显著降低了谐波失真，即使在接近饱和区域也表现优异。

ABSTRACT

This paper presents a novel digital control strategy successfully implemented for a soft magnetic material characterization bench (Epstein frame type). The main objective is to control the magnetic induction waveform whatever the applied excitation and the material under study. Given the nonlinear nature of the magnetization curves of magnetic materials, an original model-free based control technique is considered. Special mention should be made of the interesting dynamic properties in closed-loop against the changes of the operating point related basically to the hysteresis form. The operation and the performances of the digital control method are illustrated in different working conditions through both simulation and experimental measurements.

研究动机与目标

• 为解决在软磁材料表征中，由于材料的非线性和磁滞行为，难以保持精确的磁感应强度波形（如正弦波、三角波）的问题。
• 克服传统模拟反馈和基于模型的控制在高磁感应区域的局限性，这些区域中非线性效应和电源畸变会降低波形保真度。
• 开发一种无需磁性材料或Epstein框架动力学显式模型的鲁棒、实时数字控制方法。
• 确保在不同激励频率和材料状态（包括接近饱和状态）下，符合IEC标准（FF < 1%）的要求。
• 通过实现对称的励磁电流，防止直流偏置和铁芯中不希望的磁化，从而提高测量精度。

提出的方法

• 采用基于Fliess和Join方法的无模型控制框架，避免依赖系统模型或对输出信号的导数估计。
• 使用递归控制算法，根据次级绕组电压 $v_B$ 的反馈实时调整输入电压波形，$v_B$ 经积分以估算 $B(t)$。
• 实现无导数的无模型控制器变体，以提高反馈回路的鲁棒性并降低噪声敏感度。
• 对控制信号应用对称化技术，以确保励磁电流 $i_H$ 的平衡，消除可能引起铁芯偏置的直流分量。
• 采用数字信号处理技术，通过 $v_B$ 的有效值和整流平均值实时计算波形因数 $FF(\%)$，实现动态性能监控。
• 通过在非取向硅钢材料上进行10 Hz和50 Hz的仿真与实验测量，验证了该控制策略，参考波形包括正弦波和方波。

实验结果

研究问题

• RQ1 无模型数字控制策略是否能有效在不同激励频率和材料非线性条件下，保持磁感应强度波形的低谐波失真？
• RQ2 与传统的模拟或基于模型的反馈相比，所提出的无导数无模型控制器在接近饱和区域的动态性能和稳定性方面表现如何？
• RQ3 该控制方法在多大程度上能够抑制由铁芯非线性和电源限制引起的电压降与波形失真？
• RQ4 控制器是否能维持波形对称性并消除励磁电流中的直流偏置，从而确保准确的磁滞回线测量？
• RQ5 与开环操作相比，采用所提出的数字控制方法可实现的波形因数（FF）改善程度如何？

主要发现

• 所提出的数字控制将磁感应强度波形的波形因数（FF）从开环状态的6.1%降低至10 Hz时的0.53%，达到IEC标准要求。
• 在50 Hz时，波形因数降低至0.7%，表明即使在高频激励下，该方法仍能有效抑制谐波。
• 控制器成功补偿了次级绕组中的电压降，即使在铁芯非线性行为下，也能保持 $v_B$ 波形的稳定与准确。
• 控制器在接近饱和区域，仍能对正弦波和方波参考输入保持准正弦和准三角形的 $B$ 波形。
• 对称化技术成功消除了励磁电流中的直流分量，防止了铁芯偏置，确保了准确的磁滞回线测量。
• 该方法在不同工作点（包括高磁感应水平）下均表现出鲁棒的动态性能，且无需事先掌握材料的磁性模型。