CN104579087B - 一种低成本环保的电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本环保的电机控制方法，该控制方法采用电机的一套三相对称绕组通过滑模控制器、预测控制器和逆变器进行电动状态带动负载运行，其中通过注入高频信号实现了无需位置传感器便可简单易行地获得电机转子位置信号估计值，从而进一步降低了电机成本和减小了体积，同时因采用了滑模控制器增加了电机的自适应能力和抗扰动能力，因采用了预测控制器提高了系统的带宽和动态性能；此外，采用电机的另一套三相对称绕组通过电压PI调节器、PI调节器和变换器进行发电状态给供电对象稳定正常发电。本发明具有快速的动态响应能力、较强的自适应能力和抗扰动能力，能大大节省电机成本和体积，同时集电动与发电于一身，环保且可适用于恶劣环境。

Description

一种低成本环保的电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术的领域，尤其是涉及一种低成本环保的电机控制方法。

背景技术

随着电力电子技术、电力传动技术的日益发展，电机控制系统现已得到了广泛的应用。但近几年，随着新能源以及科技的不断发展，很多电机控制场合对电机控制系统的成本、体积、动态性能以及抗扰动性上提出了较高的要求。

目前电机控制方法仍存在一些不足或待改进之处：其不能用一台电机同时实现电机的电动和发电同时运行，目前的系统多采用多台电机多个控制器分别进行电动或发电控制，普遍功能单一、成本高、能耗多和体积大；同时，目前的电机普遍都需要位置传感器，位置传感器将进一步增加系统的成本和体积，而且在一些恶劣的环境下是不方便使用位置传感器的；此外，其电动驱动负载时传统采用的速度PI控制器存在自适应能力和抗扰动能力差的不足，而传统采用的电流PI控制器，又存在固有的滞后特性，从而会影响系统的动态性能和限制系统带宽的增加，响应速度受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种低成本环保的电机控制方法，使其具有快速的动态响应能力、较强的自适应能力和抗扰动能力，能大大节省电机成本和体积，同时集电动与发电于一身，环保且可适用于恶劣环境和对系统成本、体积、动态性能以及抗扰动性要求较高的电机电动/发电场合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低成本环保的电机控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)在电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中注入高频信号U_mcos(ω_ht)，其中下标h代表高频分量，U_m为注入高频信号的幅值，ω_h为注入高频信号的角频率，t为时间，通过霍尔传感器采集电机中进行电动状态的一套三相对称绕组电流i_a、i_b、i_c，然后将其通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下实际高频电流响应值i_dh和i_qh；

(2)分别对得到的高频电流响应值i_dh、i_qh通过低通滤波器LPF滤波后，得到d-q坐标系下电机的实际电流值i_d1、i_q1，对q轴高频电流响应值i_qh经过信号处理器处理，得到电机的转子位置信号估计值和对位置信号求导得到的转子速度估计值其中q轴高频电流响应值i_qh可表示为：

式中，L_d、L_q分别为电机的d轴和q轴电感值，Δθ为位置信号估计误差值，θ为位置信号实际值，当Δθ＝0时，即可得到这样就可以通过i_qh进行信号处理，得到较准确的电机转子位置信号估计值供预测控制器和发电部分的PI调节器使用；

(3)将给定的转速ω_r ^*与反馈的速度送入滑模控制器进行处理，得到具有抗扰动能力和自适应能力强的给定电流i_q1 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*以及i_d1 ^*送入预测控制器，其中i_d1 ^*＝0，同时将上一次输出的d-q轴电压U_d1 ^*(k-1)、U_q1 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d1(k-1)和i_q1(k-1)一同送入预测控制器，得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，其预测表达式为：

U_d1 ^*(k)＝A₁i_d1(k-1)+A₂i_d1 ^*(k)+A₃i_q1(k-1)+A₄U_d1 ^*(k-1)

U_q1 ^*(k)＝B₁i_q1(k-1)+B₂i_q1 ^*(k)+B₃i_d1(k-1)+B₄U_q1 ^*(k-1)

其中，k为第k个控制周期，k-1表示第k-1个周期，即上一个周期，U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)和i_q1 ^*(k)分别为第k个控制周期内给定的d-q轴电流，A₁、A₂、A₃、A₄为U_d1 ^*(k)的调节参数，B₁、B₂、B₃、B₄为U_q1 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，通过电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到a、b、c三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入逆变器中，同时通入直流电U_dc1使逆变器的a、b、c三个桥臂输出相应的三相电流i_a、i_b、i_c来控制电机跟随给定信号带动负载正常运行；

(5)通过霍尔传感器采集电机中进行发电状态的一套三相对称绕组电流i_x、i_y、i_z，然后将其通过xyz/dq变换器得到d-q坐标系下实际电流值i_d2和i_q2，通过电压检测器采集变换器端上的直流电压U_dc2；

(6)将给定的电压U_dc2 ^*与反馈的实际电压U_dc2送入电压PI调节器进行处理，得到能使电压快速稳定控制的给定电流i_q2 ^*，将给定的d-q轴电流i_q2 ^*以及i_d2 ^*＝0送入PI调节器进行电流处理，同时将上一次反馈回来的电流i_d2和i_q2一同送入PI调节器得到给定的d-q轴电压U_d2 ^*和U_q2 ^*，然后经电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到x、y、z三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入变换器中处理，从而使电机跟随给定信号给供电对象稳定正常发电。

与现有技术相比，本发明的主要优势在于：

本发明提供了一种低成本环保的电机控制方法，该控制方法采用电机的一套三相对称绕组通过滑模控制器、预测控制器和逆变器进行电动状态带动负载运行，其中通过注入高频信号实现了无需位置传感器便可简单易行地获得电机转子位置信号估计值，从而进一步降低了电机成本和减小了体积，同时因采用了滑模控制器增加了电机的自适应能力和抗扰动能力，因采用了预测控制器解决了传统电流控制器的滞后特性，提高了系统的带宽和动态性能；此外，采用电机的另一套三相对称绕组通过电压PI调节器、PI调节器和变换器进行发电状态给供电对象稳定正常发电。本发明具有快速的动态响应能力、较强的自适应能力和抗扰动能力，能大大节省电机成本和体积，同时集电动与发电于一身，环保且可适用于恶劣环境，特别适用于对系统成本、体积、动态性能以及抗扰动性要求较高的电机电动/发电场合。

附图说明

图1为本发明的控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

如图1所示，是本发明所述的一种低成本环保的电机控制方法的具体实施方式，其具体实施步骤为：

(1)在电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中注入高频信号U_mcos(ω_ht)，其中下标h代表高频分量，U_m为注入高频信号的幅值，ω_h为注入高频信号的角频率，t为时间，通过霍尔传感器采集电机中进行电动状态的一套三相对称绕组电流i_a、i_b、i_c，然后将其通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下实际高频电流响应值i_dh和i_qh；

(2)分别对得到的高频电流响应值i_dh、i_qh通过低通滤波器LPF滤波后，得到d-q坐标系下电机的实际电流值i_d1、i_q1，对q轴高频电流响应值i_qh经过信号处理器处理，得到电机的转子位置信号估计值和对位置信号求导得到的转子速度估计值其中q轴高频电流响应值i_qh可表示为：

式中，L_d、L_q分别为电机的d轴和q轴电感值，Δθ为位置信号估计误差值，θ为位置信号实际值，当Δθ＝0时，即可得到这样就可以通过i_qh进行信号处理，得到较准确的电机转子位置信号估计值供预测控制器和发电部分的PI调节器使用；

(3)将给定的转速ω_r ^*与反馈的速度送入滑模控制器进行处理，得到具有抗扰动能力和自适应能力强的给定电流i_q1 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*以及i_d1 ^*送入预测控制器，其中i_d1 ^*＝0，同时将上一次输出的d-q轴电压U_d1 ^*(k-1)、U_q1 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d1(k-1)和i_q1(k-1)一同送入预测控制器，得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，其预测表达式为：

U_d1 ^*(k)＝A₁i_d1(k-1)+A₂i_d1 ^*(k)+A₃i_q1(k-1)+A₄U_d1 ^*(k-1)

U_q1 ^*(k)＝B₁i_q1(k-1)+B₂i_q1 ^*(k)+B₃i_d1(k-1)+B₄U_q1 ^*(k-1)

其中，k为第k个控制周期，k-1表示第k-1个周期，即上一个周期，U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)和i_q1 ^*(k)分别为第k个控制周期内给定的d-q轴电流，A₁、A₂、A₃、A₄为U_d1 ^*(k)的调节参数，B₁、B₂、B₃、B₄为U_q1 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，通过电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到a、b、c三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入逆变器中，同时通入直流电U_dc1使逆变器的a、b、c三个桥臂输出相应的三相电流i_a、i_b、i_c来控制电机跟随给定信号带动负载正常运行；

(5)通过霍尔传感器采集电机中进行发电状态的一套三相对称绕组电流i_x、i_y、i_z，然后将其通过xyz/dq变换器得到d-q坐标系下实际电流值i_d2和i_q2，通过电压检测器采集变换器端上的直流电压U_dc2；

(6)将给定的电压U_dc2 ^*与反馈的实际电压U_dc2送入电压PI调节器进行处理，得到能使电压快速稳定控制的给定电流i_q2 ^*，将给定的d-q轴电流i_q2 ^*以及i_d2 ^*＝0送入PI调节器进行电流处理，同时将上一次反馈回来的电流i_d2和i_q2一同送入PI调节器得到给定的d-q轴电压U_d2 ^*和U_q2 ^*，然后经电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到x、y、z三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入变换器中处理，从而使电机跟随给定信号给供电对象稳定正常发电。

该控制方法采用电机的一套三相对称绕组通过滑模控制器、预测控制器和逆变器进行电动状态带动负载运行，其中通过注入高频信号实现了无需位置传感器便可简单易行地获得电机转子位置信号估计值，从而进一步降低了电机成本和减小了体积，同时因采用了滑模控制器增加了电机的自适应能力和抗扰动能力，因采用了预测控制器提高了系统的带宽和动态性能；此外，采用电机的另一套三相对称绕组通过电压PI调节器、PI调节器和变换器进行发电状态给供电对象稳定正常发电。本发明具有快速的动态响应能力、较强的自适应能力和抗扰动能力，能大大节省电机成本和体积，同时集电动与发电于一身，环保且可适用于恶劣环境。

以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低成本环保的电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中注入高频信号U_mcos(ω_ht)，其中下标h代表高频分量，U_m为注入高频信号的幅值，ω_h为注入高频信号的角频率，t为时间，通过霍尔传感器采集电机中进行电动状态的一套三相对称绕组电流i_a、i_b、i_c，然后将其通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下实际高频电流响应值i_dh和i_qh；

(2)分别对得到的高频电流响应值i_dh、i_qh通过低通滤波器LPF滤波后，得到d-q坐标系下电机的实际电流值i_d1、i_q1，对q轴高频电流响应值i_qh经过信号处理器处理，得到电机的转子位置信号估计值和对位置信号求导得到的转子速度估计值其中q轴高频电流响应值i_qh可表示为：

式中，L_d、L_q分别为电机的d轴和q轴电感值，Δθ为位置信号估计误差值，θ为位置信号实际值，当Δθ＝0时，即可得到这样就可以通过i_qh进行信号处理，得到较准确的电机转子位置信号估计值供预测控制器和发电部分的PI调节器使用；

(3)将给定的转速ω_r ^*与反馈的速度送入滑模控制器进行处理，得到具有抗扰动能力和自适应能力强的给定电流i_q1 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*以及i_d1 ^*送入预测控制器，其中i_d1 ^*＝0，同时将上一次输出的d-q轴电压U_d1 ^*(k-1)、U_q1 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d1(k-1)和i_q1(k-1)一同送入预测控制器，得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，其预测表达式为：

U_d1 ^*(k)＝A₁i_d1(k-1)+A₂i_d1 ^*(k)+A₃i_q1(k-1)+A₄U_d1 ^*(k-1)

U_q1 ^*(k)＝B₁i_q1(k-1)+B₂i_q1 ^*(k)+B₃i_d1(k-1)+B₄U_q1 ^*(k-1)

其中，k为第k个控制周期，k-1表示第k-1个周期，即上一个周期，U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)和i_q1 ^*(k)分别为第k个控制周期内给定的d-q轴电流，A₁、A₂、A₃、A₄为U_d1 ^*(k)的调节参数，B₁、B₂、B₃、B₄为U_q1 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)和U_q1 ^*(k)，通过电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到a、b、c三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入逆变器中，同时通入直流电U_dc1使逆变器的a、b、c三个桥臂输出相应的三相电流i_a、i_b、i_c来控制电机跟随给定信号带动负载正常运行；

(5)通过霍尔传感器采集电机中进行发电状态的一套三相对称绕组电流i_x、i_y、i_z，然后将其通过xyz/dq变换器得到d-q坐标系下实际电流值i_d2和i_q2，通过电压检测器采集变换器端上的直流电压U_dc2；

(6)将给定的电压U_dc2 ^*与反馈的实际电压U_dc2送入电压PI调节器进行处理，得到能使电压快速稳定控制的给定电流i_q2 ^*，将给定的d-q轴电流i_q2 ^*以及i_d2 ^*＝0送入PI调节器进行电流处理，同时将上一次反馈回来的电流i_d2和i_q2一同送入PI调节器得到给定的d-q轴电压U_d2 ^*和U_q2 ^*，然后经电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到x、y、z三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号送入变换器中处理，从而使电机跟随给定信号给供电对象稳定正常发电。