基于特征模型的超高速永磁同步電機矢量控制設計

劉洋

摘? 要：超高速永磁同步電機因其具有轉速高、功率密度大等優點，被廣泛應用于工業、國防、能源等領域。但是本身的物理模型存在較多非線性因素，很難對其建立起精確模型。針對常規建模方式所建模型過于復雜的問題，采用特征建模的思想，對超高速磁同步電機矢量控制系統進行特征建模，仿真結果表明特征模型是有效的。

關鍵詞：超高速永磁同步電機;電機驅動;矢量控制;非線性;特征模型

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0024-02

Abstract： Ultra-high speed permanent magnet synchronous motor is widely used in industry， national defense， energy and other fields because of its high speed and power density. There are many nonlinear factors in the physical model of ultra-high speed permanent magnet synchronous motor， so it is difficult to establish an accurate model. In view of the complexity of the conventional modeling method， this paper adopts the idea of feature modeling to build the feature model of the vector control system of the ultra-high speed magnetic synchronous motor， and the simulation of the feature model proves that the feature model is effective.

Keywords： ultra-high speed permanent magnet synchronous motor; motor drive; vector control; nonlinear; characteristic model

1 超高速永磁同步電機

隨著社會經濟的發展，人們對現代加工技術的要求越來越高，超高速與超精度加工作為現代加工領域的主要發展方向，越來越受到重視。而電機及其驅動器作為數控加工的核心部件，受到了廣泛關注。

超高速永磁同步電機在超高速狀態下，轉子鐵芯損耗、轉矩脈動和轉子動力學是最關鍵的因素，相對于傳統永磁同步電機模型，主要有如下變化：第一，轉子鐵芯損耗將產生大量的熱，導致電機內部溫度升高，溫度升高將進一步導致各電學參數的變化以及軸承動力學特性的變化;第二，齒槽轉矩和轉矩脈動會不可避免地引起轉子振動，增加了系統動力學特性的復雜性;第三，轉子動力學在超高速運行中起著重要作用，具體來講，對于一定剛度的軸承而言，隨著轉速的增加，軸承首先會處在第一階剛性模態內，其次會進入第二階剛性模態內，最終會到達柔性模態[1-2]。

以硅鋼片材料B20AT1500為例，其鐵耗特性曲線如圖1所示?？梢钥闯觯诓煌念l率下，其鐵耗隨磁場強度的變化帶有很強的非線性。

圖2中，橢圓形區域為超高速電機適合的運行區域，其轉子動力學特性介于柔性和剛性之間，因此，繼續使用傳統動力學方程將不再是最佳建模方式。此外，由于超高速永磁同步電機運行在高速時會產生大量未知非線性，就必須要考慮轉子動力學模型復雜的非線性因素才能建立精確的模型并對其控制，這加大了建模與控制設計的難度。

要想很好地對超高速永磁同步電機進行控制，不能忽略其在超高速狀態下的復雜非線性特性，但如果精確刻畫非線性因素，又會導致模型和控制器設計的復雜化。因此，有必要采取一種區別于傳統建模的方式，該建模方式不能忽略超高速電機復雜的非線性特性，同時建出的模型又相對簡單，便于控制器設計，這樣才能適應超高速電機的特殊性。經過研究，發現特征建模可以勝任這一特殊需求[3]。

2 特征建模簡介

經典的控制方式無不依賴于對象的模型。然而，對于復雜對象，很難精確地建模;另一方面控制器設計在滿足性能指標要求下越簡單越好。所以在20世紀末，吳宏鑫院士發明了特征建模。特征建模結合了對象特性、環境因素、控制要求，是被控對象精確模型的壓縮，并且隨著現代數字處理器計算能力的提高，使用特征建模十分易于工程實現。

3 超高速永磁同步電機矢量控制系統的特征模型

根據特征模型思想，電機系統可用一個二階時變差分方程描述如下：

式（1）中，？琢1（k），？琢2（k），？茁0（k），？茁1（k）均是需要辨識的時變參數，且對于超高速永磁同步電機矢量控制系統來說，式（1）中？茁1（k）u（k-1）項為0。

根據以上引理，超高速永磁同步電機矢量控制系統滿足相關條件，故建立系統特征模型如下：

其中，v（k）為超高速永磁同步電機矢量控制系統k時刻的轉速，u（k）為k時刻電流環控制器的電流指令，？琢1（k），？琢2（k），？茁0（k）為待辨識特征參數。

根據特征建模理論，？琢1（k），？琢2（k），？茁0（k）是慢時變的，由式（1）可以看出，特征建模理論將一個復雜的系統壓縮成了一個二階離散系統，原系統的信息保留在？琢1（k），？琢2（k），？茁0（k）這三個參數中，所以辨識？琢1（k），？琢2（k），？茁0（k）對于特征建模理論來講十分關鍵。通常會采用遞推最小二乘法來辨識這三個參數。

將式（2）寫成矩陣方程：

其中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， 。

則帶遺忘因子？孜的遞推最小二乘特征參數估計算法為：

（4）

4 特征模型驗證

為驗證所建特征模型的效果，在相同的輸入下，對比超高速永磁同步電機矢量控制系統原始模型轉速輸出曲線和特征模型下的轉速輸出曲線。

在仿真驗證中，最小二乘參數辨識初值（0）=[1.9 -0.9 0.00001]T，P（0）=104×I3×3，遺忘因子？孜=0.999。給定q軸電流為正弦輸入下，觀察轉速輸出曲線，如圖3所示。辨識得到的特征參數曲線如圖4所示。

由圖3可以看出，超高速永磁同步電機矢量控制系統傳統模型轉速輸出曲線和特征模型下的轉速輸出曲線基本一致，由此驗證了特征模型的有效性。

5 結論

超高速永磁同步電機在高速狀態下，其轉子動力學特性以及電氣特性與常規電機不同，需要考慮的非線性因素較多，采用普通電機建模的方式并不合適，因此采用特征建模理論，將復雜的系統模型用特征模型代替，將未知且難以描述的非線性因素壓縮在幾個特征參數中，不僅簡化了控制器設計，而且又不丟失系統信息。仿真結果表明特征模型可以用于超高速電機系統。

參考文獻：

[1]鮑海靜，梁培鑫，柴鳳.飛輪儲能用高速永磁同步電機技術綜述[J].微電機，2014，47（2）：64-72.

[2]陳小安，劉俊峰.高速電主軸熱態性能及其影響[J].機械工程學報，2013，49（11）：135-142.

[3]S. Lin， T. X. Wu， L. Zhou， et al. Modeling and Design of Super High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor （PMSM）[C]//2008 IEEE National Aerospace and Electronics Conference， Dayton， OH， 2008： 41-44.