基于重复控制的复合控制结构及铁损测试控制系统

技术领域

本发明涉及重复控制技术领域，具体涉及一种基于重复控制的复合控制结构及铁损测试控制系统。

背景技术

重复控制源于控制理论中的内模原理，即在稳定的闭环控制系统中包含外部输入信号的数学模型，则被控输出能够无误差的跟踪参考信号。由于系统中死区及负载引入的扰动信号都可以分解为多重谐波的叠加，在每个基波周期内重复出现，因此在系统中加入内部模型再设计合适的补偿器即可对扰动信号进行抑制。但由于被控对象所在系统中包含死区以及负载与电流呈非线性关系，若该系统的输出电压施加到被控对象中产生电流的谐波含量较高，电流的总谐波畸变率较高，因此，传统单一结构的重复控制器对该谐波含量较高的扰动信号抑制效果欠佳。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于重复控制的复合控制结构及铁损测试控制系统，以解决传统单一结构的重复控制器对该谐波含量较高的扰动信号抑制效果欠佳的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供一种基于重复控制的复合控制结构，包括：重复控制器、第一比较器、第一PI控制器、准谐振控制器、第二比较器、第一变换模块、第二PI控制器、第二变换模块和加法器，其中，

重复控制器获取输入侧的给定电流信号和负载侧的反馈电流信号通过第一比较器生成第一差值信号，并基于该第一差值信号生成第一电压调制信号；

第一PI控制器与重复控制器并联，并基于第一差值信号生成第二电压调制信号；

准谐振控制器从反馈电流信号中提取三次谐波电流信号，并通过第一变换模块对三次谐波电流信号进行变换处理，再通过第二比较器基于目标谐波电流信号生成第二差值信号；

第二变换模块基于第二差值信号通过第二PI控制器控制后生成第三电压调制信号；

加法器叠加第一电压调制信号、第二电压调制信号和第三电压调制信号得到总电压调制信号，以抑制被控对象所产生的扰动信号，进而提高负载中电流的正弦度。

在一种可选的实施方式中，第一变换模块包括：相移器和Park变换器，其中，相移器对三次谐波电流信号相移预设角度生成第一轴系的第二电流信号，未经相移的三次谐波电流信号作为第一轴系的第一电流信号；Park变换器基于第一电流信号和第二电流信号进行变换生成第二轴系的第三电流信号和第二轴系的第四电流信号。

在一种可选的实施方式中，第二PI控制器获取第三电流信号与第一目标谐波电流信号之间的第三差值信号，和，第四电流信号与第二目标谐波电流信号之间的第四差值信号。

在一种可选的实施方式中，第二变换模块包括：Park反变换器，Park反变换器将第二PI控制器处理后的第一校正电压信号和第二校正电压信号进行反变换，生成第三电压调制信号。

在一种可选的实施方式中，重复控制器包括：第三比较器、低通滤波器、周期延迟环节和补偿器，其中，低通滤波器基于第一差值信号及低通滤波器与周期延迟环节结合生成的第一控制信号，用于削弱上一周期误差在当前周期控制的占比；

第三比较器基于第一控制信号和第一差值信号生成第二控制信号；补偿器通过周期延迟环节接收第二控制信号并对第二控制信号进行补偿处理。。

在一种可选的实施方式中，补偿器通过如下公式对第二控制信号进行补偿处理：C(z)＝K

在一种可选的实施方式中，第一PI控制器的传递函数通过如下公式表达：

在一种可选的实施方式中，准谐振控制器通过如下公式表达：

根据第二方面，本发明实施例还提供一种铁损测试控制系统，包括：

铁损测试模块，其包括：定子铁芯和H桥逆变电路；

驱动控制模块，与铁损测试模块连接；

第一方面或第一方面任一实施方式中的复合控制结构，与驱动控制模块连接，复合控制结构用于将其生成的总电压调制信号传输给驱动控制模块，驱动控制模块再产生电压驱动信号，以驱动H桥逆变电路向负载侧施加控制电压。

在一种可选的实施方式中，定子铁芯，缠绕了励磁线圈，作为铁损测试控制系统的负载，H桥逆变电路，与驱动控制模块连接，用于通过驱动控制模块获取电压驱动信号，以对定子铁芯施加电压指令，在负载侧产生电流信号，降低负载电流中的总谐波畸变率。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例公开了一种基于重复控制的复合控制结构及铁损测试控制系统，该复合控制结构通过PI控制器与重复控制器并联，根据期望正弦电流信号和负载侧反馈电流信号对电流进行控制的；并通过准谐振控制器结合基于虚拟轴的PI控制器，对负载侧反馈电流中基波的三次谐波电流进行抑制，最终提高了对负载侧电流中谐波的抑制效果，从而保证了电流的正弦度。在铁损测试控制系统中通过该复合控制结构从而保证了铁损测试控制系统的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的磁导率与磁场应强度曲线示意图；

图2是根据本发明实施例的基于重复控制的复合控制结构示意图；

图3是根据本发明实施例的重复控制器结构示意图；

图4是根据本发明实施例的基于重复控制器的PI控制器结构示意图；

图5是根据本发明实施例的准谐振控制器与基于虚拟轴系的PI控制器结构示意图；

图6是根据本发明实施例的铁损测试控制系统的结构示意图。

附图标记：

20-重复控制器；21-第一比较器； 22-第一PI控制器；

23-准谐振控制器；24-第二比较器； 25-第一变换模块；

26-第二PI控制器；27-第二变换模块； 28-加法器；

201-第三比较器； 202-低通滤波器；203-周期延迟环节；

204-补偿器； 251-相移器；252-Park变换器；

60-铁损测试模块；61-驱动控制模块； 62-复合控制结构；

601-负载； 602-H桥逆变电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

永磁同步电机因其体积小，效率高以及功率密度高的优点被广泛应用为电动汽车的驱动电机。为了进一步提高永磁同步电机的性能，对其损耗的研究成为热点问题之一。电机损耗中定子铁芯损耗是损耗的主要来源之一。尤其对于加工制造过程中产生的定子铁芯损耗偏高问题，若在电机制造完成能前对定子铁芯损耗进行检测既能节约时间又能节约成本。

为了实现对定子铁芯损耗的检测，需要在环形铁芯上缠绕励磁线圈，向线圈中施加目标频率的正弦电流，根据产生的正弦磁场来测量该频率磁场下的定子铁芯损耗。为了保证测量精度，要求线圈中的正弦电流具有一定的正弦度。

在环形铁芯上缠绕励磁线圈，向线圈中施加正弦电流，被测铁芯和线圈可视作一个被测电感，其等效电感值受铁芯所用软磁材料的磁导率影响。以常用软磁材料B30AV1500为例，其磁导率与磁场应强度曲线如图1所示，

由于软磁材料磁导率μ随磁场强度H增大而迅速减小，导致被测线圈电感L

根据本发明实施例，提供了一种基于重复控制的复合控制结构实施例，如图2所示，该复合控制结构，包括：重复控制器20、第一比较器21、第一PI控制器22、准谐振控制器23、第二比较器24、第一变换模块25、第二PI控制器26、第二变换模块27和加法器28。

其中，重复控制器20获取输入侧的给定电流信号和负载侧的反馈电流信号通过第一比较器21生成第一差值信号，并基于该第一差值信号生成第一电压调制信号。第一PI控制器22与重复控制器20并联，并基于第一差值信号生成第二电压调制信号。准谐振控制器23从反馈电流信号中提取三次谐波电流信号，并通过第一变换模块25对三次谐波电流信号进行变换处理，再通过第二比较器24基于目标谐波电流信号生成第二差值信号。第二变换模块27基于第二差值信号通过第二PI控制器26控制后生成第三电压调制信号；加法器28叠加第一电压调制信号、第二电压调制信号和第三电压调制信号得到总电压调制信号，以抑制被控对象29所产生的扰动信号。

具体地，给定电流信号为输入侧给定正弦电流信号，反馈电流信号为负载侧反馈的交流信号。在图2中，G

在图2中，本实施例基于重复控制的复合控制结构主要包括两部分：一是并联的PI控制器与重复控制器，根据期望正弦电流信号和负载侧反馈电流信号对电流进行控制的；二是准谐振控制器结合基于虚拟轴的PI控制器，对负载侧反馈电流中基波的三次谐波电流进行抑制。

具体的控制逻辑为：用期望正弦电流指令i

具体地，重复控制源于控制理论中的内模原理，即在稳定的闭环控制系统中包含外部输入信号的数学模型，则被控输出能够无误差的跟踪参考信号。由于系统中死区及负载引入的扰动信号都可以分解为多重谐波的叠加，在每个基波周期内重复出现，因此在系统中加入内部模型再设计合适的补偿器即可对扰动信号进行抑制。

正弦函数的数学模型为

其中，ω

上述式(2)中L为给定信号的周期，其离散域可表示为：

式(3)中N为一个基波周期的采样次数，z

在一种可选的实施方式中，重复控制器的数学模型通过如下公式表达：

其中，G

在一种可选的实施方式中，如图3所示，重复控制器20包括：第三比较器201、低通滤波器202、周期延迟环节203和补偿器204，其中，

低通滤波器202基于第一差值信号及低通滤波器202与周期延迟环节203结合生成的第一控制信号，用于削弱上一周期误差在当前周期控制的占比；

第三比较器201基于第一控制信号和第一差值信号生成第二控制信号；补偿器204通过周期延迟环节203接收第二控制信号并对第二控制信号进行补偿处理。

在一种可选的实施方式中，补偿器通过如下公式对第二控制信号进行补偿处理：

C(z)＝K

其中，C(z)为补偿器，K

在图3中，为重复控制的结构框图，其中i

在式(5)中，K

在上述重复控制器的结构基础上，进一步设计并联在该重复控制器上的PI控制器。

重复控制由于引入了周期延迟环节，系统具有较大的控制滞后，动态响应速度较慢。为了提高系统的动态响应速度，考虑采用PI控制器与重复控制并联的控制结构。如图4为PI并联重复控制器的结构示意图。该PI控制器为图2中的第一PI控制器。

在一种可选的实施方式中，第一PI控制器的传递函数通过如下公式表达：

其中，G

式(6)的离散化形式为如下公式所示；

考虑到第一PI控制器与重复控制器为并联关系，两者互不影响，则PI控制器与被控对象可以实现零极点相消得到K

由此得到闭环传递函数通过如下公式表达；

则系统的闭环带宽f

根据K

工程上常取闭环带宽为开环截止频率的1.1～1.4倍，而为抑制开关噪声开环截止频率应不大于开关频率的1/10。

进一步地，在并联PI控制器至重复控制器的基础上，考虑到系统中由死区及负载等引入的扰动最终以3、5、7次谐波的形式存在，且其中3次谐波含量最高，提出采用准谐振控制器对特定频次谐波进行滤除。

在一种可选的实施方式中，准谐振控制器通过如下公式表达：

其中，K

采用Tustin法(离散化变化算法)对式(11)进行离散化得到准谐振控制器的离散化方程，如下公式所示；

通过准谐振控制器将特定频次谐波提取出后，采用第二PI控制器获得谐波电流对应的校正电压。由于第二PI控制器可以实现对直流电流的无静差调节，本实施例采用基于虚拟轴系的方法得到旋转坐标系下的直流电流分量再分别进行控制。

在一种可选的实施方式中，如图5所示，第一变换模块25包括：相移器251和Park变换器252，其中，相移器251对三次谐波电流信号相移预设角度生成第一轴系的第二电流信号，未经相移的三次谐波电流信号作为第一轴系的第一电流信号；Park变换器基于第一电流信号和第二电流信号进行变换生成第二轴系的第三电流信号和第二轴系的第四电流信号。

在一种可选的实施方式中，在图5中，第二PI控制器基于第三电流信号与第一目标谐波电流信号之间的第三差值信号生成第一校正电压，第二PI控制器基于第四电流信号与第二目标谐波电流信号之间的第四差值信号生成第二校正电压。

具体地，在图5中，第一轴系为α-β轴系，第二轴系为d-q轴系。第一电流信号为i

在一种可选的实施方式中，第二变换模块27包括：Park反变换器271，Park反变换器将第二PI控制器生成后的第一校正电压信号和第二校正电压信号进行反变换，生成第三电压调制信号。

在图5中，为基于虚拟轴PI控制的结构框图，图中G

具体地，通过准谐振控制器获得特定频次谐波电流，对该谐波电流相移90°获得正交电流分量，通过Park变换获得直流电流分量i

准谐振控制器的传递函数如下公式所示，为了无差跟随特定频次的谐波信号，取特定频次为λ频次，令基频为ω

幅值表达式如下公式所示；

以基频信号幅值小于X

本实施例中的基于重复控制的复合控制结构，通过PI控制器与重复控制器并联，根据期望正弦电流信号和负载侧反馈电流信号对电流进行控制的；并通过准谐振控制器结合基于虚拟轴的PI控制器，对负载侧反馈电流中基波的三次谐波电流进行抑制，最终提高了对负载侧电流中谐波分量的抑制效果，从而保证了电流的正弦度。

基于相同构思，本实施例还提供一种铁损测试控制系统，如图6所示，包括：铁损测试模块60、驱动控制模块61和上述实施例中的复合控制结构62。铁损测试模块60与驱动控制模块61连接，复合控制结构62用于将其生成的总电压调制信号传输给驱动控制模块61，驱动控制模块61再产生电压驱动信号，以驱动H桥逆变电路向负载侧施加控制电压。

在一种可选的实施方式中，铁损测试模块60包括：定子铁芯(负载601)和H桥逆变电路602，定子铁芯，缠绕了励磁线圈，作为铁损测试控制系统的负载。与驱动控制模块61连接，用于通过驱动控制模块获取电压驱动信号，以对定子铁芯施加电压指令，在负载侧产生正弦电流信号，降低负载电流中的总谐波畸变率。图6为基于复合控制结构应用场景示意图，图中虚线框内为单相全桥逆变电路又称H桥逆变电路602，G

具体的控制逻辑为：用期望正弦电流指令i

复合控制结构产生总电压调制信号传输给驱动控制模块，驱动控制模块产生电压驱动信号传输给H桥逆变电路，H桥逆变电路产生给定电压信号施加到定子铁芯上，使负载侧产生正弦电流信号，提高对负载侧电流中谐波的抑制效果，使负载电流的总谐波失真降低。

本实施例中的铁损测试控制系统，将复合控制结构应用在具体的铁损测试控制系统中，以实现对定子铁芯损耗的测试，通过PI控制器与重复控制器并联，根据期望正弦电流信号和负载侧反馈电流信号对电流进行控制的；并通过准谐振控制器结合基于虚拟轴的PI控制器，对负载侧反馈电流中基波的三次谐波电流进行抑制，从而保证了铁损测试控制系统的测量精度。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。