本发明属于混合励磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法。
背景技术：
混合励磁同步电机作为一种新型的电动汽车驱动电机，与永磁同步电机相比，多了一套直流励磁源。通过调节直流励磁绕组中励磁电流不仅能够实现低速大转矩输出，以满足汽车启动、爬坡与重载的要求，同时能够实现宽调速范围运行，以满足电动汽车高速巡航的要求，且在一定速度范围内能够使电动汽车保持高效工作，从而提高电动汽车的续航里程。因此，混合励磁同步电机适合作为电动汽车电驱动系统用驱动电机。
混合励磁同步电机电枢、永磁与励磁磁场三者高度耦合，非线性程度高，解耦非常困难，一般线性控制方法难以满足混合励磁同步电机驱动系统的要求，发挥混合励磁同步电机的优点。目前，混合励磁同步电机的控制方法及驱动系统研究较少，基本可以分为两类：矢量控制和直接转矩控制，其中矢量控制技术存在动态响应慢的问题，直接转矩控制存在转矩脉动大的问题。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法，解决现有混合励磁同步电机控制技术中存在动态响应慢、调节参数多的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、从电机主电路分别采集如下信号：相电流ia、ib和励磁电流if、直流母线电压udc和励磁电压uf，将采集到的相电流ia、ib和励磁电流if、直流母线电压udc和励磁电压uf经电压跟随、滤波、偏置及过压保护后送入控制器处理，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集转速和转子位置角，送入控制器计算得出角速度ωr和转子位置角θ；
步骤2、对步骤1得到的相电流ia、ib进行a/d转换，随后再经帕克变换得到两相旋转坐标系下的定子直轴电流id和交轴电流iq；
步骤3、将给定角速度ωrref与步骤1得到的角速度ωr比较，得到角速度偏差eω，将角速度偏差eω、角速度ωr和直流母线电压udc分别输入速度逆推跟踪控制器，判断混合励磁同步电机运行区域：当角速度ωr小于弱磁基速时，混合励磁同步电机运行于低速区；当角速度ωr大于弱磁基速时，混合励磁同步电机运行于高速区；
步骤4、根据步骤3中混合励磁同步电机运行区域进行选择执行，当混合励磁同步电机运行于低速区时，只需执行步骤a；当混合励磁同步电机运行于高速区，只需执行步骤b；
步骤a.混合励磁同步电机运行于低速区，基于非线性逆推跟踪控制原理，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；
步骤b.混合励磁同步电机运行于高速区，基于非线性逆推跟踪控制原理，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；
步骤5、利用步骤4得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref、步骤2得到的定子直轴电流id和交轴电流iq以及步骤1中励磁电流if、角速度ωr，计算d轴电压参考值udref、q轴电压参考值uqref和励磁电压参考值ufref；
步骤6、将步骤5得到的d轴电压参考值udref和q轴电压参考值uqref进行旋转正交-静止两相变换后得到静止两相坐标系下的α轴电压uα和β轴uβ，将α轴电压uα和β轴电压uβ送入svpwm模块后输出6路pwm信号，6路pwm信号驱动主功率变换器；同时将步骤3得到的速度跟踪误差eω和步骤5得到的励磁电压参考值ufref分别送入pwm模块后输出4路pwm信号，4路pwm信号驱动励磁功率变换器。
本发明的特点还在于，
步骤4所述混合励磁同步电机运行于低速区，d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref的具体计算方法如下：
混合励磁同步电机在dq参考坐标系中的数学模型为：
状态空间方程：
电压极限方程：
其中，id、iq分别为d轴与q轴电流，if为励磁绕组电流；ld、lq分别为d轴与q轴电感，lf为励磁绕组自感，mf为电枢与励磁绕组之间的互感；ψm为永磁体磁链；ud、uq分别为d轴与q轴的电压，uf为励磁绕组电压；r为电枢绕组电阻，rf为励磁绕组电阻；ωr为机械角速度；p为电机极对数；b为摩擦系数；j为转动惯量；tl为负载转矩；ωe为电角速度；udc为直流母线电压。
对于混合励磁同步电机控制系统，定义转速跟踪误差eω为：
eω＝ωrref-ωr(3)
选择eω为状态变量，构成系统1。为了使得转速跟踪误差趋于零，构造lyapunov函数为
对式(4)求导得：
根据barbalat推论，要使系统1稳定，要求dv1/dt<0，因此，令
其中，kω为转速调节系数。
低速区采用id＝0的控制策略，电机运行在轻载或额定负载及以下时，电机输出转矩大于等于负载转矩，能够满足负载运行要求，即有：
其中，iqn为q轴电流的额定值。
从式(7)可知，负载转矩小于额定转矩，电机运行在永磁励磁状态，无需增磁控制，励磁电流if＝0，得到如下参考电流：
其中，idref、iqref分别为d轴与q轴电流参考值，ifref为励磁电流参考值。
电机运行在起动或重载状态时，电枢电流和永磁体作用产生的转矩小于负载转矩，不能满足负载运行要求，即有：
由式(9)可知，定子q轴电流已达到额定电流iqn，仍然不能满足负载运行要求，所以利用励磁电流if进行增磁控制，电机运行在增磁状态，计算得到如下参考电流：
步骤4所述混合励磁同步电机运行于高速区，d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref的具体计算方法如下：
高速区协调d轴电流id和励磁电流if共同弱磁，具体分为两个弱磁运行状态；其中，第一个弱磁状态指电机进入高速区后，保持d轴电流id等于0，采用励磁电流if弱磁，当励磁电流if达到负的额定值-ifn后，如果继续提升转速，则用d轴电流id进一步弱磁；
对于系统1，采用励磁电流if弱磁时，根据下列方程组计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref：
经计算可得
采用d轴电流id弱磁时，根据下列方程组计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref：
经计算可得
步骤5所述具体操作方法为：将d轴电流参考值idref与直轴电流id比较得到d轴电流误差ed，将q轴电流参考值iqref与交轴电流iq比较得q轴电流误差eq，将励磁电流参考值ifref与励磁电流if比较得励磁电流误差ef，将d轴电流误差ed、q轴电流误差eq、励磁电流误差ef和步骤1得到的角速度ωr一起送入电流逆推跟踪控制器，得到d轴电压参考值udref、q轴电压参考值uqref和励磁电压参考值ufref。
步骤5所述混合励磁同步电机d轴电压参考值udref、q轴电压参考值uqref和励磁电压参考值ufref的具体计算方法如下：
混合励磁同步电机运行于低速区，为了实现电流跟踪，定义电流跟踪误差为：
由转速跟踪误差eω、d轴电流误差ed、q轴电流误差eq和励磁电流误差ef组成系统2，当电机输出转矩大于等于负载转矩时，对电流跟踪误差方程组求导得：
当电机输出转矩小于负载转矩时，对电流跟踪误差方程组求导得：
对于系统2，构造新的lyapunov函数为
当电机输出转矩大于等于负载转矩时，对新构造的lyapunov函数v2求导得：
当电机输出转矩小于负载转矩时，对新构造的lyapunov函数v2求导得：
上两式中，包含系统的实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf，为了使dv2/dt<0，令
其中，kd(kd>0)为d轴电流调节系数；kq(kq>0)为q轴电流调节系数；kf(kf>0)为励磁电流调节系数。
当电机输出转矩大于等于负载转矩时，根据下列方程组设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为
经计算可得
其中，udref、uqref分别为d轴与q轴电压参考值，ufref为励磁电压参考值。
当电机输出转矩小于负载转矩时，根据下列方程组设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为：
经计算得
混合励磁同步电机运行于高速区，采用励磁电流if弱磁时，利用下列方程组设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为：
经计算得
采用d轴电流id弱磁时，利用下列方程组设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为
经计算得：
本发明一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法有益效果为：
(1)系统动态响应快，过载能力强；
(2)转矩波动小，系统抗扰动能力更强；
(3)可调节参数减少；
(4)系统设计更简单；
(5)逆变器开关频率恒定。
附图说明
图1是本发明混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法结构框图；
图2是本发明混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法逻辑流程图；
图3是本发明混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法的系统框图；
图4是本发明混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法的电流分配结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法，如图1所示，该控制系统由交流电源、整流器、稳压电容、主功率变换器、励磁功率变换器、电流和电压传感器、混合励磁同步电机、光电编码器、dsp控制器等组成。
交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、励磁功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、励磁功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器；编码器采集转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与角速度。控制器输出6路pwm信号驱动主功率变换器，4路pwm信号驱动励磁功率变换器。
本发明一种混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、三个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if，两个霍尔电压传感器分别从电机主电路采集直流母线电压udc和励磁电压uf，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，处理送入控制器计算得出角速度ωr和转子位置角θ；
步骤2、将步骤1得到的相电流ia、ib经a/d转换后，经过帕克变换得到两相旋转坐标系下的定子直轴电流id和交轴电流iq；
步骤3、如图3所示，将给定角速度ωrref与步骤1得到的角速度ωr比较，得到角速度偏差eω，将角速度偏差eω、角速度ωr和直流母线电压udc分别输入速度逆推跟踪控制器，判断混合励磁同步电机运行区域：当角速度ωr小于弱磁基速时，混合励磁同步电机运行于低速区；当角速度ωr大于弱磁基速时，混合励磁同步电机运行于高速区；
步骤4、如图4所示，根据步骤3中混合励磁同步电机运行区域进行选择执行，当混合励磁同步电机运行于低速区时，只需执行步骤a；当混合励磁同步电机运行于高速区，只需执行步骤b；
步骤a.混合励磁同步电机运行于低速区，基于非线性逆推跟踪控制原理，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；
混合励磁同步电机在dq参考坐标系中的数学模型为：
状态空间方程：
电压极限方程：
其中，id、iq分别为d轴与q轴电流，if为励磁绕组电流；ld、lq分别为d轴与q轴电感，lf为励磁绕组自感，mf为电枢与励磁绕组之间的互感；ψm为永磁体磁链；ud、uq分别为d轴与q轴的电压，uf为励磁绕组电压；r为电枢绕组电阻，rf为励磁绕组电阻；ωr为机械角速度；p为极对数；b为摩擦系数；j为转动惯量；tl为负载转矩；ωe为电角速度；udc为直流母线电压。
对于混合励磁同步电机控制系统，定义转速跟踪误差eω为：
eω＝ωrref-ωr(3)
选择eω为状态变量，构成系统1。为了使得转速跟踪误差趋于零，构造lyapunov函数为
对式(4)求导得：
根据barbalat推论，要使系统1稳定，要求dv1/dt<0，因此，令
其中，kω为转速调节系数。
低速区采用id＝0的控制策略，电机运行在轻载或额定负载及以下时，电机输出转矩大于等于负载转矩，能够满足负载运行要求，即有：
其中，iqn为q轴电流的额定值。
从式(7)可知，负载转矩小于额定转矩，电机运行在永磁励磁状态，无需增磁控制，励磁电流if＝0，根据式(5)和(6)，计算得如下参考电流：
其中，idref、iqref分别为d轴与q轴电流参考值，ifref为励磁电流参考值。
电机运行在起动或重载状态时，电枢电流和永磁体作用产生的转矩小于负载转矩，不能满足负载运行要求，即有：
从式(9)可知，定子q轴电流已达到额定电流iqn，仍然不能满足负载运行要求，所以利用励磁电流if进行增磁控制，电机运行在增磁状态。根据式(5)和(6)，计算得到如下参考电流：
控制式(8)或(10)，混合励磁同步电机运行在低速区时可以达到速度跟踪的目的。
步骤b.混合励磁同步电机运行于高速区，基于非线性逆推跟踪控制原理，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；
具体如下：
高速区协调d轴电流id和励磁电流if共同弱磁，具体分为两个弱磁运行状态。其中，第一个弱磁状态指电机进入高速区后，保持d轴电流id等于0，采用励磁电流if弱磁，当励磁电流if达到负的额定值-ifn后，如果继续提升转速，则用d轴电流id进一步弱磁。对于系统1，根据式(2)、(5)和(6)可得如下方程组
经计算可得d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref为
控制式(13)或(14)可以达到电机在高速运行区时速度跟踪的目的。
步骤5、利用步骤4得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref、步骤2得到的定子直轴电流id和交轴电流iq以及步骤1中励磁电流if、角速度ωr，计算d轴电压参考值udref、q轴电压参考值uqref和励磁电压参考值ufref；
具体如下：
混合励磁同步电机运行于低速区，为了实现电流跟踪，定义电流跟踪误差为：
为了实现电流跟踪，定义跟踪误差为：
由转速跟踪误差eω、d轴电流误差ed、q轴电流误差eq和励磁电流误差ef组成系统2，当电机输出转矩大于等于负载转矩时，对式(15)求导得：
当电机输出转矩小于负载转矩时，对式(15)求导得：
对于系统2，构造新的lyapunov函数为：
当电机输出转矩大于等于负载转矩时，对式(18)求导得：
当电机输出转矩小于负载转矩时，对式(18)求导得：
式(19)和(20)中，包含系统的实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf，为了使dv2/dt<0，令
其中，kd(kd>0)为d轴电流调节系数；kq(kq>0)为q轴电流调节系数；kf(kf>0)为励磁电流调节系数。
当电机输出转矩大于等于负载转矩时，根据式(19)和(21)，设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为
经计算得
其中，udref、uqref分别为d轴与q轴电压参考值，ufref为励磁电压参考值。
当电机输出转矩小于负载转矩时，根据式(20)和(21)，设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为
经计算得
则当混合励磁同步电机运行于低速区时，控制式(23)或(25)使混合励磁同步电机系统不但可以达到速度跟踪的目的，并且可以达到电流跟踪的效果，使得系统具有快速的响应速度。
混合励磁同步电机运行于高速区，计算d轴电压参考值udref、q轴电压参考值uqref和励磁电压参考值ufref。
采用励磁电流if弱磁时，结合式(13)和(15)得：
采用d轴电流id弱磁时，结合式(14)和(15)得：
采用励磁电流if弱磁时，由式(18)、(21)和(26)设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为：
经计算得
采用d轴电流id弱磁时，由式(18)、(21)和(27)设计实际控制d轴电压ud、q轴电压uq和励磁电压uf为
经计算得：
则当混合励磁同步电机运行于高速区时，控制式(29)或(31)使电机系统不但可以达到速度跟踪的目的，并且可以达到电流跟踪的效果，使得系统具有快速的响应速度。
步骤6、将步骤5得到的d轴电压参考值udref和q轴电压参考值uqref进行旋转正交-静止两相变换后得到静止两相坐标系下的α轴电压uα和β轴uβ，将α轴电压uα和β轴电压uβ送入svpwm模块后输出6路pwm信号，6路pwm信号驱动主功率变换器；同时将步骤3得到的速度跟踪误差eω和步骤5得到的励磁电压参考值ufref分别送入pwm模块后输出4路pwm信号，4路pwm信号驱动励磁功率变换器。
现有的混合励磁同步电机采用矢量控制方法的控制系统响应速度较慢，且pi参数整定复杂，直接转矩控制技术还存在转矩、磁链脉动大等问题。本发明通过步骤3至步骤6的混合励磁同步电机非线性逆推跟踪控制方法，使得混合励磁同步电机在整个运行区域都具有较快的动态响应和较小的转矩波动。所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：
(1)系统动态响应快，过载能力强；
(2)转矩波动小，系统抗扰动能力更强；
(3)可调节参数减少；
(4)系统设计更简单；
(5)逆变器开关频率恒定。