[论文解读] Nonlinear PI current control of reluctance synchronous machines

Christoph M. Hackl, Kamper, M. J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2015

Electric Motor Design and Analysis参考文献 29被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种基于已知磁链映射的非线性PI电流控制策略，具备在线参数调节与抗饱和功能，适用于凸极同步电机（RSMs）。通过采用幅值最优准则整定PI控制器，并基于插值微分电感与磁链的实时估计实现扰动前馈补偿，该方法在全工作范围内实现了近乎一致的电流动态特性，仿真与实测结果验证了其具有高跟踪精度及对反电动势变化的强鲁棒性。

ABSTRACT

This paper discusses nonlinear proportional-integral (PI) current control with anti-windup of reluctance synchronous machines (RSMs) for which the flux linkage maps are known. The nonlinear controller design is based on the tuning rule "Magnitude Optimum criterion" [1]. Due to the nonlinear flux linkage, the current dynamics of RSMs are highly nonlinear and, so, the parameters of the PI controllers and the disturbance compensation feedforward control must be adjusted online (e.g., for each sampling instant). The theoretical results are illustrated and validated by simulation and measurement results.

研究动机与目标

• 解决由于非线性磁链与去磁效应导致的凸极同步电机（RSMs）控制难题。
• 通过实现PI控制器参数的在线调节与扰动补偿，提升RSMs中的电流控制性能。
• 确保在全工作范围内，尽管存在非线性动态特性，仍能保持一致的瞬态响应（上升时间与调节时间）。
• 通过实验室测试平台上的仿真与实验测量，验证所提出的控制策略。
• 通过确保闭环电流动态特性可预测且均匀，实现外环控制设计的鲁棒性。

提出的方法

• 采用幅值最优整定准则设计非线性PI控制器，以确保最优瞬态响应。
• 控制器参数（比例与积分增益）在每个采样周期内基于微分电感的实时估计值在线更新。
• 通过已知磁链映射的数值微分计算微分电感，该映射由有限元法（FEM）数据导出，并以二维查表形式存储。
• 基于实时估计的磁链与微分电感，实施非线性扰动补偿（前馈）控制，以解耦直轴与交轴动态。
• 控制结构中包含抗饱和机制，以防止在大参考值变化或饱和情况下的积分饱和。
• 控制器在MATLAB/Simulink中实现，并在配备实时测量的物理RSM试验台上进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于在线参数调节的非线性PI控制是否能在RSM的全工作范围内实现一致的电流动态特性？
• RQ2 基于插值磁链与电感数据的实时扰动补偿，对电流跟踪精度与交叉耦合效应的影响如何？
• RQ3 幅值最优整定准则在非线性RSM电流控制中对瞬态响应的改善程度如何？
• RQ4 在不同转矩与转速条件下，仿真结果与实验测量结果的吻合程度如何？
• RQ5 在高速运行导致反电动势快速变化的情况下，所提出的控制结构是否能确保稳定且精确的电流跟踪？

主要发现

• 闭环电流动态特性在全工作范围内（‖ik_s‖ ≤ 5 A）表现出几乎相同的上升时间与调节时间，适用于直轴与交轴电流。
• 仿真与实测结果高度一致，所有测试条件下跟踪误差均保持极低水平。
• 在线PI整定与扰动补偿的实现显著提升了跟踪精度，尤其对易受交叉耦合效应影响的交轴电流更为明显。
• 控制器成功补偿了高速运行下快速变化的反电动势，在低分辨率查表带来的数值噪声影响下，仍能保持精确的电压参考生成。
• 采用25×25的磁链与电感插值查表仅引入了微小偏差，归因于未建模的铁损与磁滞效应。
• 所提出的控制策略通过提供一致且可预测的电流动态特性，使外环控制器（如速度或位置控制）的设计更加可靠。