CN105024611B - 一种永磁电机的智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机的智能控制方法，该控制方法采用电机的两套绕组分别通过滑模控制器、预测控制器、逆变器进行电动状态带动负载运行，采用位置观测器，无需传统的位置检测器，降低了系统成本和增强了系统的抗干扰能力和环境适应能力，在速度调节中采用了滑模控制器来代替传统的速度PI控制器，增加了系统的抗扰动能力，最后还增加了余度通信、故障诊断器，能分别对控制系统是否存在绕组开路故障进行诊断与处理。本发明简单易行，具有智能化、高可靠性、低成本、抗干扰能力强等特点，适用于对动态性能、环境适应力以及可靠性要求较高的电驱动场合。

Description

一种永磁电机的智能控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术的领域，尤其是涉及一种永磁电机的智能控制方法。

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。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。但近几年，随着新能源、永磁电机以及科技的不断发展，很多永磁电机控制场合对其动态性能、环境适应力、可靠性以及智能化上提出了较高的要求。

目前永磁电机控制方法仍存在一些不足或待改进之处：其可靠性不够高，当系统出现绕组开路故障时无法很好地进行检测与诊断，不能实现高容错运行特性；此外，需采用传统的位置检测器，不仅增加了系统成本，而且系统抗干扰能力和环境适应能力也不够高；同时采用传统的速度PI控制器，系统的抗扰动能力不够好。

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，提供一种永磁电机的智能控制方法，使其简单易行，能够使具有智能化、高可靠性、低成本、抗干扰能力强等特点，使之适用于对动态性能、环境适应力以及可靠性要求较高的电驱动场合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种永磁电机的智能控制方法，该方法步骤如下：

(1)通过霍尔传感器采集永磁驱动电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)中各自的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

(2)将采集的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，以及经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*和U_α2 ^*、U_β2 ^*，分别通过位置观测器1和位置观测器2得到永磁驱动电机的转子位置估计信号θ₁和θ₂，以及速度信号转子机械角速度ω_r1和ω_r2；

(3)给逆变器1和逆变器2分别供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，将给定转速ω_r ^*和反馈的速度ω_r1、ω_r2分别送入滑模控制器1和滑模控制器2进行处理，分别得到具有抗扰动能力和自适应能力强的电流i_q1 ^*和i_q2 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*、i_d1 ^*以及i_q2 ^*、i_d2 ^*分别送入预测控制器1和预测控制器2，其中i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝0，同时将上一次输出的d-q轴电压U_d1 ^*(k-1)、U_q1 ^*(k-1)和U_d2 ^*(k-1)、U_q2 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d1(k-1)、i_q1(k-1)和i_d2(k-1)、i_q2(k-1)分别一同送入预测控制器1和预测控制器2，得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(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)

U_d2 ^*(k)＝C₁i_d2(k-1)+C₂i_d2 ^*(k)+C₃i_q2(k-1)+C₄U_d2 ^*(k-1)

U_q2 ^*(k)＝D₁i_q2(k-1)+D₂i_q2 ^*(k)+D₃i_d2(k-1)+D₄U_q2 ^*(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)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)、i_q1 ^*(k)和i_d2 ^*(k)、i_q2 ^*(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，C₁、C₂、C₃、C₄为U_d2 ^*(k)的调节参数，D₁、D₂、D₃、D₄为U_q2 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将预测控制器1和预测控制器2得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*和U_α2 ^*、U_β2 ^*，再送入电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再分别通过逆变器1和逆变器2输出电机的各相电流来控制电机跟随给定信号智能运行；

(5)通过故障诊断器与余度通信功能，对控制系统是否存在开路故障进行诊断与处理，根据开路故障诊断方法，如果诊断出发生开路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的开路故障诊断方法的具体步骤为：

(5.1)将采集到的电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

其中，分别为各相电流对应的电流诊断值，f为电机的运行频率；

(5.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入开路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现开路的表示值，其开路故障诊断方程为：

其中，K_g为各相绕组是否出现开路的表示值，g＝a,b,c,x,y,z；其值为0表示出现开路，为1表示正常；

(5.3)根据处理得到的各相绕组是否出现开路的表示值，代入开路故障处理方程得到开路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其开路故障处理方程为：

其中，S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为0表示应该切除，为1表示不切除。

与现有技术相比，本发明的主要优势在于：

本发明提供了一种永磁电机的智能控制方法，其采用电机的两套绕组分别通过滑模控制器、预测控制器、逆变器进行电动状态带动负载运行，采用位置观测器，无需传统的位置检测器，降低了系统成本和增强了系统的抗干扰能力和环境适应能力，在速度调节中采用了滑模控制器来代替传统的速度PI控制器，增加了系统的抗扰动能力，最后还增加了余度通信、故障诊断器，能分别对控制系统是否存在绕组开路故障进行诊断与处理。本发明简单易行，具有智能化、高可靠性、低成本、抗干扰能力强等特点，适用于对动态性能、环境适应力以及可靠性要求较高的电驱动场合。

附图说明

图1为一种永磁电机的智能控制方法原理框图。

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永磁电机的智能控制方法的具体实施方式，其具体实施步骤为：

(1)通过霍尔传感器采集永磁驱动电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)中各自的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

(2)将采集的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，以及经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*和U_α2 ^*、U_β2 ^*，分别通过位置观测器1和位置观测器2得到永磁驱动电机的转子位置估计信号θ₁和θ₂，以及速度信号转子机械角速度ω_r1和ω_r2；

(3)给逆变器1和逆变器2分别供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，将给定转速ω_r ^*和反馈的速度ω_r1、ω_r2分别送入滑模控制器1和滑模控制器2进行处理，分别得到具有抗扰动能力和自适应能力强的电流i_q1 ^*和i_q2 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*、i_d1 ^*以及i_q2 ^*、i_d2 ^*分别送入预测控制器1和预测控制器2，其中i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝0，同时将上一次输出的d-q轴电压U_d1 ^*(k-1)、U_q1 ^*(k-1)和U_d2 ^*(k-1)、U_q2 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d1(k-1)、i_q1(k-1)和i_d2(k-1)、i_q2(k-1)分别一同送入预测控制器1和预测控制器2，得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(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)

U_d2 ^*(k)＝C₁i_d2(k-1)+C₂i_d2 ^*(k)+C₃i_q2(k-1)+C₄U_d2 ^*(k-1)

U_q2 ^*(k)＝D₁i_q2(k-1)+D₂i_q2 ^*(k)+D₃i_d2(k-1)+D₄U_q2 ^*(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)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)、i_q1 ^*(k)和i_d2 ^*(k)、i_q2 ^*(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，C₁、C₂、C₃、C₄为U_d2 ^*(k)的调节参数，D₁、D₂、D₃、D₄为U_q2 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将预测控制器1和预测控制器2得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*和U_α2 ^*、U_β2 ^*，再送入电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再分别通过逆变器1和逆变器2输出电机的各相电流来控制电机跟随给定信号智能运行；

(5)通过故障诊断器与余度通信功能，对控制系统是否存在开路故障进行诊断与处理，根据开路故障诊断方法，如果诊断出发生开路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的开路故障诊断方法的具体步骤为：

(5.1)将采集到的电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

其中，分别为各相电流对应的电流诊断值，f为电机的运行频率；

(5.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入开路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现开路的表示值，其开路故障诊断方程为：

其中，K_g为各相绕组是否出现开路的表示值，g＝a,b,c,x,y,z；其值为0表示出现开路，为1表示正常；

(5.3)根据处理得到的各相绕组是否出现开路的表示值，代入开路故障处理方程得到开路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其开路故障处理方程为：

其中，S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为0表示应该切除，为1表示不切除。

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)

1.一种永磁电机的智能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过霍尔传感器采集永磁驱动电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)中各自的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

(2)将采集的电流i_a、i_b、i_c和经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*通过位置观测器1得到永磁驱动电机的转子位置估计信号θ₁以及速度信号转子机械角速度ω_r1，将采集的电流i_x、i_y、i_z和经过Park反变换得到电压U_α2 ^*、U_β2 ^*通过位置观测器2得到永磁驱动电机的转子位置估计信号θ₂以及速度信号转子机械角速度ω_r2；

(3)给逆变器1和逆变器2分别供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，将给定转速ω_r ^*和反馈的速度ω_r1送入滑模控制器1进行处理，将给定转速ω_r ^*和反馈的速度ω_r2送入滑模控制器2进行处理，分别得到具有抗扰动能力和自适应能力强的电流i_q1 ^*和i_q2 ^*，再将给定的d-q轴电流i_q1 ^*、i_d1 ^*以及i_q2 ^*、i_d2 ^*分别送入预测控制器1和预测控制器2，其中i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝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)、i_q1(k-1)一同送入预测控制器1得到预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)，将上一次输出的d-q轴电压U_d2 ^*(k-1)、U_q2 ^*(k-1)以及上一次反馈回来的电流i_d2(k-1)、i_q2(k-1)一同送入预测控制器2，得到预测出的d-q轴电压U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(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)

U_d2 ^*(k)＝C₁i_d2(k-1)+C₂i_d2 ^*(k)+C₃i_q2(k-1)+C₄U_d2 ^*(k-1)

U_q2 ^*(k)＝D₁i_q2(k-1)+D₂i_q2 ^*(k)+D₃i_d2(k-1)+D₄U_q2 ^*(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)、 U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压，i_d1 ^*(k)、i_q1 ^*(k)和i_d2 ^*(k)、i_q2 ^*(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，C₁、C₂、C₃、C₄为U_d2 ^*(k)的调节参数，D₁、D₂、D₃、D₄为U_q2 ^*(k)的调节参数，根据电机自身不同的特性决定；

(4)将预测控制器1和预测控制器2得到的预测出的d-q轴电压U_d1 ^*(k)、U_q1 ^*(k)和U_d2 ^*(k)、U_q2 ^*(k)分别经过Park反变换得到电压U_α1 ^*、U_β1 ^*和U_α2 ^*、U_β2 ^*，再送入电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再分别通过逆变器1和逆变器2输出电机的各相电流来控制电机跟随给定信号智能运行；

(5)通过故障诊断器与余度通信功能，对控制系统是否存在开路故障进行诊断与处理，根据开路故障诊断方法，如果诊断出发生开路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的开路故障诊断方法的具体步骤为：

(5.1)将采集到的电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

其中，分别为各相电流对应的电流诊断值，f为电机的运行频率；

(5.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入开路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现开路的表示值，其开路故障诊断方程为：

其中，K_g为各相绕组是否出现开路的表示值，g＝a,b,c,x,y,z；其值为0表示出现开路，为1表示正常；

(5.3)根据处理得到的各相绕组是否出现开路的表示值，代入开路故障处理方程得到开路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其开路故障处理方程为：

其中，S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为0表示应该切除，为1表示不切除。