CN106253766A - 无刷双馈电机定子电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷双馈电定子电流的控制方法，包括无刷双馈电机控制系统加载修正后的比例积分谐振算式；启动电机至电机运行平稳；将修正后的比例积分谐振算式中的参数修改为电机的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。本发明方法通过在原有的比例积分谐振算法中，在谐振控制部分增加一个零点，从而极大的提高了本发明方法的定子电流控制效果；同时，本发明方法在控制算法中不含微分算法，算法计算速度和响应速度快，动态特性好，而且算法简单，能够适用于多种交流电机的控制，适用性好。

Description

无刷双馈电机定子电流的控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种无刷双馈电定子电流的控制方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，无刷双馈电机因其控制系统成本低廉、电机功率因数可调、可靠性高、机械特性较“硬”等优点，已经逐步开始应用于风力发电、泵类及压缩机等领域，发挥着重要的作用。

但是，由于电机的工艺问题，在电机定子中会产生一些无规律性的齿槽转矩，从而带了无规律的电流谐波。同时变流器的死区效应又会带来大量有规律性的电流谐波，而因为开关管管压降的原因使得这些电流谐波加重，更大程度的影响电机系统正常运行。这些谐波可以通过傅里叶分解成一系列的奇数次谐波，同时又由于电机定子为星型连接，抵消了三的倍数次谐波，所以电机定子中电流谐波主要以非三倍数的奇数次谐波，特别是以5、7次电流谐波为主。

现有的无刷双馈电机控制定子电流谐波抑制主要以L或者LCL等硬件式无源滤波器为主，这样不仅增加了成本和体积，同时在电机转速较高时会增加相位变化时间，影响电机运行，而且LCL无源滤波器还存在谐振频率，若电机运行在谐振频率处时，甚至会烧毁电机。

现有的比例积分谐振算法能够对交流量进行有效的控制，其控制图如图1所示，图中K_p为比例环节，K_i/s为积分环节，而即为谐振环节。但是由于电机运行时，难免会出现转速的波动，转速的波动会带来电流谐波频率的波动，传统的比例积分谐振算法虽然可以控制谐振频率处的交流量，同时可以通过调节ω_c可以扩大谐振频率的带宽，但是考虑到其动态稳定性，ω_c不能取的太大，当电流谐波的频率不处于谐振频率的带宽内，算法并不能起到电流谐波的抑制作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速性好、实用性强、滤波效果好的无刷双馈电定子电流的控制方法。

本发明提供的这种无刷双馈电定子电流的控制方法，包括如下步骤：

S1.无刷双馈电机控制系统加载如下的比例积分谐振算式：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2{\mathrm{\ω}}_c{K}_r{s}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(6\mathrm{\ω}\right)}^2}$

式中K_p为比例环节；K_i/s为积分环节；为谐振环节；ω_c为谐振频率处的带宽；K_r为谐振控制参数，其取值的大小直接影响谐振算法的计算速度；

S2.启动电机至电机运行平稳；

S3.将步骤S1中设置的比例积分谐振算式中的参数ω修改为电机的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。

所述的无刷双馈电定子电流的控制方法，还包括如下步骤：

S4.等待无刷双馈电机的调速命令，并将无刷双馈电机调整至目标转速；

S5.将步骤S3中设置好的参数ω修改为调速后的无刷双馈电机运行的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。

本发明提供的这种无刷双馈电机定子电流的控制方法，通过在原有的比例积分谐振算法中，在谐振控制部分增加一个零点，从而极大的提高了本发明方法的定子电流控制效果；同时，本发明方法在控制算法中不含微分算法，算法计算速度和响应速度快，动态特性好，而且算法简单，能够适用于多种交流电机的控制，适用性好。

附图说明

图1为背景技术的比例积分谐振控制算法示意图。

图2为背景技术的比例积分谐振控制算法电流闭环的伯德图。

图3为背景技术的比例积分谐振控制算法电机的A相定子电流仿真图。

图4为背景技术的比例积分谐振控制算法电机的A相定子电流傅里叶分析图。

图5为背景技术的比例积分谐振控制算法电机在1500r/min转速时定子电流波形图。

图6为本发明方法的比例积分谐振控制算法示意图。

图7为本发明方法的流程图。

图8为本发明的比例积分谐振控制算法电流闭环的伯德图。

图9为本发明的比例积分谐振控制算法电机的A相定子电流仿真图。

图10为本发明的比例积分谐振控制算法电机的A相定子电流傅里叶分析图。

图11为本发明的比例积分谐振控制算法电机在1500r/min转速时定子电流波形图。

具体实施方式

如图2所示为本发明方法的比例积分谐振控制算法示意图：可以看到，本发明方法的核心点就在于在现有的比例积分谐振算法的谐振部分增加了一个零点。

如图3所示为本发明方法的流程图：本发明提供的这种无刷双馈电定子电流的控制方法，包括如下步骤：

S1.无刷双馈电机控制系统加载如下的比例积分谐振算式：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2{\mathrm{\ω}}_c{K}_r{s}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(6\mathrm{\ω}\right)}^2}$

式中K_p为比例环节；K_i/s为积分环节；为谐振环节；ω_c为谐振频率处的带宽；K_r为谐振控制参数，其取值的大小直接影响谐振算法的计算速度；

S2.启动电机至电机运行平稳；

S3.将步骤S1中设置的比例积分谐振算式中的参数ω修改为电机的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制；

S4.等待无刷双馈电机的调速命令，并将无刷双馈电机调整至目标转速；

S5.将步骤S3中设置好的参数ω修改为调速后的无刷双馈电机运行的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。

以下简要说明本发明方法中提供的比例积分谐振算式的来源：

在5、7次电流谐波注入三相定子后，其算术表达式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{i}}_a^{\′}=I\·cos5\mathrm{\ω}t\·e^{0j}\\ {\stackrel{\→}{i}}_b^{\′}=I\·cos(5\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·e^{\frac{2\mathrm{\π}}{3}j}\\ {\stackrel{\→}{i}}_c^{\′}=I\·\cos (5\mathrm{\ω}t-\frac{4}{3}\mathrm{\π})\·e^{\frac{4\mathrm{\π}}{3}j}\end{array}\right.$

通过数学计算可以发现，三相定子中的5次电流谐波可以转化为一个幅值为交流峰值1.5倍，在坐标系中以5倍速旋转的直流电流，如下式所示，同理7次谐波可以转化为一个幅值为交流峰值1.5倍，在坐标系中以7倍速旋转的直流电流；

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{i}}_s^{\′}={\stackrel{\→}{i}}_a^{\′}+{\stackrel{\→}{i}}_b^{\′}+{\stackrel{\→}{i}}_c^{\′}\\ =I\·cos5\mathrm{\ω}t\·(1+j0)+I\·(-\frac{1}{2}\cos 5\mathrm{\ω}t+\frac{3}{2}\sin 5\mathrm{\ω}t)\·(-\frac{1}{2}+j\frac{3}{2})\\ =I\·(-\frac{1}{2}\cos 5\mathrm{\ω}t-\frac{3}{2}\sin 5\mathrm{\ω}t)\·(-\frac{1}{2}-j\frac{3}{2})\\ =\frac{2}{2}I\·e^{j5\mathrm{\ω}t}\end{array}$

在交流电机控制中，一般采用两相旋转坐标系，5次电流谐波可看作一个反转的6次电流谐波，7次电流谐波可看作一个正转的6次电流谐波；传统比例积分谐振算法如下式所示，通过对于算法伯德图的分析可以发现，算法对其谐振频率6ω处的交流量有很强的控制作用，同时可以通过调节ω_c可以扩大谐振频率的带宽，这是传统PI控制器无法实现的；

$G\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2{\mathrm{\ω}}_c{K}_{r}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(6\mathrm{\ω}\right)}^2}$

由于电机运行时，难免会出现转速的波动，转速的波动会带来电流谐波频率的波动，传统的比例积分谐振算法虽然可以控制谐振频率处的交流量，同时可以通过调节ω_c可以扩大谐振频率的带宽，但是考虑到其动态稳定性，ω_c不能取的太大，当电流谐波的频率不处于谐振频率的带宽内，算法并不能起到电流谐波的抑制作用；

由于交流电机是一个大惯性环节，其数学模型可视为下式所示，通过伯德图分析发现电机的大惯性环节会造成算法在谐振频率处带宽减小，同时在谐振频率带宽内带来45°～135°不等的延迟，电机的电流谐波抑制不完全且在某些频率会产生正反馈；

$M\left(s\right)=\frac{1}{Ls+R}$

电流谐波的频率为6ω，将式带入频域中分析，可以发现在电流谐波的频域中，由于6ωL＞＞R，电机的数学模型可以等效为下式；

$M\left(s\right)=\frac{1}{Ls}$

所以对传统比例积分谐振算法中加入一个零点，消除电机数学模型的影响，将会大大提高算法对于无刷双馈电机控制定子电流谐波的抑制效果，改进后的算法如下式所示；所以无刷双馈电机控制定子电流谐波抑制的总体流程如图7所示，随着电机转速的变化，修改ω即可实现电流谐波抑制。

$G\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2{\mathrm{\ω}}_c{K}_r{s}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(6\mathrm{\ω}\right)}^2}$

如图2～5为背景技术的比例积分谐振控制算法对无刷双馈电机进行控制时，控制算法电流闭环的伯德图、电机的A相定子电流仿真图、电机的A相定子电流傅里叶分析图和电机在1500r/min转速时定子电流波形图；如图8～11为本发明方法的比例积分谐振控制算法对无刷双馈电机进行控制时，控制算法电流闭环的伯德图、电机的A相定子电流仿真图、电机的A相定子电流傅里叶分析图和电机在1500r/min转速时定子电流波形图；从图的对比可以明显看出，本发明方法提供的控制算法的动态性能更好(从伯德图中可以得出)；在仿真情况下，本发明的方法控制效果更佳(图3和图9对比可知，图9中电流在0A附近的波动明显小于图3中的电流)，谐波电流的幅值(总体而言不大于1％)明显小于背景技术(总体而言大于1％)；而在具体应用中，对无刷双馈电机进行控制并测试定子电流波形，可以看到本发明方法的控制效果明显优于现有技术。

Claims (2)

1.一种无刷双馈电定子电流的控制方法，包括如下步骤：

S1.无刷双馈电机控制系统加载如下的比例积分谐振算式：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2{\mathrm{\ω}}_c{K}_r{s}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(6\mathrm{\ω}\right)}^2}$

式中K_p为比例环节；K_i/s为积分环节；为谐振环节；ω_c为谐振频率处的带宽；K_r为谐振控制参数，其取值的大小直接影响谐振算法的计算速度；

S2.启动电机至电机运行平稳；

S3.将步骤S1中设置的比例积分谐振算式中的参数ω修改为电机的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电定子电流的控制方法，其特征在于还包括如下步骤：

S4.等待无刷双馈电机的调速命令，并将无刷双馈电机调整至目标转速；

S5.将步骤S3中设置好的参数ω修改为调速后的无刷双馈电机运行的电角度，并以修改后的比例积分谐振算法对无刷双馈电机的定子电流进行控制。