[發明專利]一種前置濾波器永磁同步電機電流環PI參數整定方法

有效

• 申請號: 202111523479.3
• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號: CN114142781B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 許家群;陳騰宇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/14;H02P21/22;H02P25/022;H02P27/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種前置濾波器永磁同步電機電流環PI參數整定方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，在逆變器與LC濾波器之間采樣得到三相繞組電流信號，三相繞組信號經過坐標變換得到兩相旋轉電流i_d和i_q，i_d為d軸電流，i_q為q軸電流；

步驟2，建立逆變器側電流反饋電機驅動數學模型，如下式所示：

其中，G_q(s)為系統開環傳遞函數，L_s為電機電感，R_s為電機電阻，L_f為濾波器電感，C_f為濾波器電容，K_p為PI調節器比例項系數，K_i為PI調節器積分項系數，T_d為采樣與傳輸延遲，等效為1.5倍開關周期，s為拉普拉斯算子；

步驟3，根據根軌跡最小相位系統分析和穩定裕度分析，以K_p為橫軸，K_i為縱軸，建立滿足穩定約束條件的PI參數取值區域；

其中，根軌跡最小相位系統分析通過如下的特征方程函數分析得到:

D(s)＝s(T_ds+1)(L_fC_fL_ss³+L_fC_fR_ss²+(L_f+L_s)s+R_s)+(K_ps+K_i)(C_fL_ss²+C_fR_ss+1)

其中，s為拉普拉斯算子；

將s＝jω代入上式后令D(jω)＝0求得關于PI的最小相位系統穩定邊界K1；

在K1穩定邊界的基礎上，為保證系統在運行中和參數變化時可以穩定運行，給定系統的裕度范圍P_mP_exp；其中，P_exp為工程中要求的相位裕度下限；繪制出滿足工程要求的裕度曲線K2，并得到期望裕度域以及PI參數的穩定取值范圍；

步驟4，根據時域動態性能指標超調量σ、調節時間t_s，在步驟3所得的PI參數取值域內，繪制PI參數與σ和t_s的三維關系圖，結合三維圖分析PI參數與動態性能指標的關系，并分析計算PI參數對系統穩態性能的影響，確定系統應滿足的性能指標最小值；

動態性能通過下式得到：

其中，其中1/s為單位階躍輸入信號傳遞函數，c(t)為系統輸出信號，為拉普拉斯反變換算子，G_q(s)為系統開環傳遞函數；

超調量σ如下式所示：

其中，t_p為峰值時間，c(t_p)為系統階躍響應最大值，c(∞)為系統階躍響應穩態輸出量；

所述的調節時間t_s表示系統階躍響應輸出量c(t_p)保持在5％的誤差帶以內的最小時間，如下式所示：

0.95c(∞)c(t_s)1.05c(∞)

c(t_s)表示系統階躍響應在t_s時刻的輸出量；

步驟5，在步驟3所得的是PI參數取值區域中，分析PI參數與系統閉環帶寬ω_b和諧振峰值M_r的關系，以及閉環帶寬ω_b和諧振峰值M_r對系統的影響，確定系統ω_b和M_r的最小約束值；

閉環帶寬的計算方式如下式所示：

其中，G_cq(ω_b1)為系統閉環傳遞函數在頻率ω_b1的幅值裕度大小，為系統閉環傳遞函數在頻率ω_b2的相位裕度大小，可分別由下式計算得到：

其中，j為虛部；

諧振峰值通過在已知PI參數時，將諧振頻率s＝jω_res代入步驟2所示的開環傳遞函數得到，諧振頻率通過下式計算得到：

步驟6，以K_p和K_i為自變量，以減小M_r、σ、增大ω_b為目標，通過構建多目標優化模型，采用遺傳算法Pareto尋優整定出最優的PI參數值，作為前置LC濾波器系統逆變器側電流反饋時電流環PI調節器的系數；

具體包括以下步驟：

(1)以σ、M_r，ω_b為目標，構建多目標優化模型，以K_p、K_i作為設計變量，構建多目標優化函數模型如下式：

其中，f₁(x)，f₂(x)，f₃(x)分別為帶寬ω_b、超調量σ和諧振峰值M_r的函數值，描述三個優化目標與PI參數的關系；R(x)表示滿足x條件的PI參數取值范圍；

(2)在步驟(1)構建的PI參數多目標約束范圍中，配置隨機選取的種群規模為30，應用多目標優化模型對種群中的每個個體進行評價，將性能更好的個體保存到下一代，兩次迭代之間數據交叉概率為0.8，變異概率為0.2，直至迭代500次后結束，得到PI參數優化解集，確定最優PI參數K_p、K_i。