CN106330039B - 一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，通过对电机交轴电流的精确控制，有效降低电网输入电流的畸变率，对电机直轴电流的精确控制，保证了在直流母线电压低情况下的速度要求；通过直流母线电压的反馈，提高整个系统的稳定性。该系统省去功率因数校正电路，改用小容量的薄膜电容，整个控制系统体积小，降低了成本，但电容上电压的波动给后端的控制带来困难，为此，本发明根据平均转矩得出电机的交直轴参考电流的直流分量，根据母线电压的变化，对交直轴参考电流进行相应的调整，电流控制器采用内模控制器或者重复控制器或者PR控制器，实现电机的交直轴电流对周期给定信号的快速跟踪。

Description

一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制算法，属于电机驱动控制领域。

背景技术

在传统的单相到三相逆变电机驱动系统中，主要由整流二极管、电感、电解质电容以及开关管组成，该系统在家用电器中得到广泛的应用，但是整个系统效率不高，且电流含大量的谐波分量，对电网造成污染；作为储能元件的电感体积大且成本高，电解质电容寿命短，严重制约整个驱动系统的寿命；开关管的开关损耗较大，开关管的电磁干扰问题也比较严重。

传统的单相到三相逆变电机驱动系统因为电解质电容的存在而出现诸多问题，前人提出一种只包含电感、电解质电容以及整流二极管的方法，此方法提高了系统效率，但仍受电解质电容寿命短以及电感体积大的制约，第二种方法是在电路中添加开关器件，这种方法有效的提高了系统的功率因数，且电容上的电压平稳，但是开关损耗较大，并且电磁干扰较强，因此这种方法的应用也受到制约。针对电解质电容出现的问题，有学者提出了仅包含二极管整流器、小容量的薄膜电容以及三相桥式逆变电路的电机驱动系统。小容量的电容并不具有储能作用，薄膜电容的两端电压将随电网电压进行波动，直流母线电压最低电压比较低时，电网输入电流的畸变率较低，但当电机高速运行时，直流母线电压最低电压抬高，此时二极管的导通角减小，此时电网输入电流的畸变率变大，造成电网谐波污染，且整个系统功率因数低。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，实现降低电网电流的畸变率，提高系统的功率因数。

技术方案：一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，包括以下步骤：

(1)，通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机的实际转速ω；再将当前电机转子转速ω通过负反馈，与给定转速ω^*构成转速外环，二者相减得到转速偏差信号Δω，该转速偏差信号经速度调节器后的输出信号作为电机转矩给定值T^**；

(2)，将步骤(1)中的电机转矩给定值T^**经过低通滤波器或进行傅里叶分解，得到转矩给定值T^**的直流分量作为转矩给定值T^*；将当前电机的实际转速ω、直流母线电压V_dc、电网实时电压V_s、电网电流幅值I_in以及小容量薄膜电容电流的幅值I_dc输入到交直轴参考电流发生器，所述交直轴参考电流发生器包括最大转矩电流比模块，得出弱磁控制下的交轴参考电流的直流分量以及直轴参考电流的直流分量交轴电流给定值为直轴电流给定值为其中，θ_q为交轴参考电流修正角度，θ_q根据下式得到：I_dc为小容量薄膜电容电流的幅值，I_in为电网电流的幅值；I_d为直轴参考电流交流分量的幅值，θ_d为直轴参考电流交流分量的修正角度，θ_grid为电网电压相角；

(3)，利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α、β轴电流i_α与i_β，再经αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d；将所述交轴电流i_q与步骤(2)得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴调节电压将所述直轴电流i_d和步骤(2)得到的直轴电流给定值比较后，再经电流调节器得到直轴调节电压

(4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴调节电压信号和直轴调节电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到前馈解耦交轴电压根据公式得到前馈解耦直轴电压其中，ω_re为电机当前的角速度，L_d为同步坐标系下电机直轴电感，L_q为同步坐标系下电机交轴电感，ψ_a为电机永磁磁链；

(5)，将直流母线电压V_dc与电网电压的绝对值|V_s|进行比较，偏差信号经过二阶滤波器，然后分别乘以系数k_vq、k_vd得到交轴电压补偿和直轴电压补偿将所述交轴电压补偿和直轴电压补偿分别与步骤(4)得到的前馈解耦交直轴电压相加，得到交轴的参考电压与直轴的参考电压将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及当前的电机转子位置角θ信号输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下αβ轴两相电压信号和将两相电压信号和以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

进一步的，所述速度调节器采用PI调节器或PID调节器或滑模调节器或神经网络调节器；所述电流调节器采用内模控制器或者重复控制器或者PR调节器。

有益效果：在使用小容量薄膜电容代替传统整流逆变电路中的PFC电路时，系统在处于轻载工况时会出现电网输入电流畸变率高的问题，本发明能够降低整个系统不管处于轻载还是重载时的电网电流畸变率，具有以下优点：

1.利用平均转矩来抑制转速波动对于给定转矩的影响；

2.算法中对于周期性信号的追踪采用内模控制器或重复控制器或PR控制器，提高整个系统对于周期性信号的跟随；

3.系统中增加母线电压反馈，改善逆变器永磁同步电机的阻抗模型，提高了系统的稳定性；

4.整流母线侧改用小容量薄膜电容，缩小了整个系统的体积，降低了系统成本。

附图说明

图1为系统整体控制方法框图；

图2为交直轴电流给定值产生框图；

图3为电机工作在负载1N*m时的直流母线电压仿真波形；

图4为电机工作在负载1N*m时的输入电压和输入电流仿真波形；

图5为电机工作在负载1N*m时的输入电流FFT分析；

图6为本系统硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，包括以下步骤：

(1)，通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机的实际转速ω；再将当前电机转子转速ω通过负反馈，与给定转速ω^*构成转速外环，二者相减得到转速偏差信号Δω，该转速偏差信号经速度调节器后的输出信号作为电机转矩给定值T^**。

(2)，将步骤(1)中的电机转矩给定值T^**经过低通滤波器或进行傅里叶分解，得到转矩给定值T^**，转矩给定值T^**通过低通滤波器得到直流分量作为转矩给定值T^*。将当前电机的实际转速ω、直流母线电压V_dc、电网实时电压V_s、电网电流幅值I_in以及小容量薄膜电容电流的幅值I_dc输入到交直轴参考电流发生器，交直轴参考电流发生器包括最大转矩电流比模块。当前电机的实际转速ω、直流母线电压V_dc以及转矩给定值T^*经过最大转矩电流比模块后得到得出弱磁控制下的交轴参考电流的直流分量以及直轴参考电流的直流分量因直流母线电压频率为电网频率的两倍，从而得到交轴电流给定值为直轴电流给定值为如图2所示；图中PLL为锁相环用于取电网电压相角θ_grid，MTPA为最大转矩电流比模块。其中，θ_q为交轴电流修正角度，θ_q根据下式得到：I_dc为小容量薄膜电容电流的幅值，I_in为电网电流的幅值；I_d为直轴参考电流交流分量的幅值，θ_d为直轴参考电流交流分量的修正角度。

(3)，利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α、β轴电流i_α与i_β，再经αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d。将交轴电流i_q与步骤(2)得到的交轴电流给定值比较后得到Δi_q，经过电流调节器得到交轴调节电压将直轴电流i_d和步骤(2)得到的直轴电流给定值比较后得到Δi_d，再经电流调节器得到直轴调节电压

(4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴调节电压信号和直轴调节电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到前馈解耦交轴电压根据公式得到前馈解耦直轴电压其中，ω_re为电机当前的角速度，L_d为同步坐标系下电机直轴电感，L_q为同步坐标系下电机交轴电感，ψ_a为电机永磁磁链；

(5)，将直流母线电压V_dc与电网电压的绝对值|V_s|进行比较，偏差信号经过二阶滤波器，然后分别乘以系数k_vq、k_vd得到交轴电压补偿和直轴电压补偿将交轴电压补偿和直轴电压补偿分别与步骤(4)得到的前馈解耦交直轴电压相加，得到交轴的参考电压与直轴的参考电压将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及当前的电机转子位置角θ信号输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下αβ轴两相电压信号和将两相电压信号和以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

其中，速度调节器采用PI调节器或PID调节器或滑模调节器或神经网络调节器；所述电流调节器采用内模控制器或者重复控制器或者PR调节器。

根据以上所述的步骤，利用MATLAB/Simulink仿真平台，搭建该仿真模型，并针对系统负载为1N*m时进行仿真，得出相应的仿真波形。图3为永磁同步电机转速稳定时的直流母线电压V_dc波形，直流母线电压紧紧跟随电网电压，图4为电网输入电压波形以及电网输入电流波形，电压与电流的基本实现同相位，提高了输入功率因数，图5为电网输入电流的FFT分析，可以看出，电网输入电流的畸变率为28.89％，证明这种控制方法有效的降低了电网输入电流的畸变率。

上述算法的微机控制PWM调速系统硬件结构图如图6所示，整个调速系统的硬件电路由内嵌式永磁同步电机、逆变器、小容量薄膜电容与二极管整流器构成，电机的实时转速由IPMSM自带的FBS检测，经过脉冲整形，通过单片机的数字测速模块给中央处理器，电机的给定速度由键盘给出，通过单片机的I/O模块给中央处理器，利用电机的实时速度与给定速度的差值，经过一个PI环节，得出电机的输出额定转矩幅值，通过低通滤波器得到给定转矩的平均值，根据最大转矩电流比的思想，给出对应最优的电机的交直轴参考电流平均值，通过电流互感器实时测得电机三相相电流，经过单片机的A/D模块，将电机的相电流的实时数据输送给中央处理器，经过Clarke变化，将三相静止坐标系上的三相电流转换为两相静止坐标系上的αβ轴电流i_α与i_β，再经过一个Park变换，将两相静止坐标系下的αβ轴电流i_α与i_β变换为同步旋转速度下的dq轴下的交直轴电流，与上述给定的交直轴参考电流构成反馈闭环，二者相减的信号再经过一个内模控制器或重复控制器或PR控制器，再经过电压的前馈补偿，分别加上直流母线电压与电网电压绝对值相差的补偿量，得到电机在旋转坐标系下的交直轴参考电压，经过Clarke逆变换，将所得在两相静止坐标系下的αβ轴电压u_α与u_β信号给到SVPWM模块，SVPWM给出六路PWM波，六路PWM波经过光耦隔离电路，再经过驱动电路，控制逆变器的功率管的开通与关断，带动电机旋转。

为防止电路过压过流以及整个系统发热严重烧毁系统，系统中加入电压过压保护电路、电路过流保护电路以及温度检测电路，对电压、电流以及温度进行分析比较，若发生故障，立即通知单片机，避免故障进一步扩大，其中，检测回路中的电压、电流以及温度信号由A/D转换通道变为数字量进入单片机，显示单元显示当前电机的转速、相电压、相电流以及小电容上的电压等等，电源供电电路转变为不同的电压等级，给故障保护电路、驱动电路、光耦隔离电路、调理电路以及单片机供电保证其正常工作。

以上两个实例仅作为本发明的参考方式，需要指出的是，只要不脱离本发明的原理的前提下，所作出的改进方案都在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)，通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机的实际转速ω；再将当前电机转子转速ω通过负反馈，与给定转速ω^*构成转速外环，二者相减得到转速偏差信号Δω，该转速偏差信号经速度调节器后的输出信号作为电机转矩给定值T^**；

(2)，将步骤(1)中的电机转矩给定值T^**经过低通滤波器或进行傅里叶分解，得到转矩给定值T^**的直流分量作为转矩给定值T^*；将当前电机的实际转速ω、直流母线电压V_dc、电网实时电压V_s、电网电流幅值I_in以及小容量薄膜电容电流的幅值I_dc输入到交直轴参考电流发生器，所述交直轴参考电流发生器包括最大转矩电流比模块，得出弱磁控制下的交轴参考电流的直流分量以及直轴参考电流的直流分量交轴电流给定值为直轴电流给定值为其中，θ_q为交轴参考电流修正角度，θ_q根据下式得到：I_dc为小容量薄膜电容电流的幅值，I_in为电网电流的幅值；I_d为直轴参考电流交流分量的幅值，θ_d为直轴参考电流交流分量的修正角度，θ_grid为电网电压相角；

(3)，利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α、β轴电流i_α与i_β，再经αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d；将所述交轴电流i_q与步骤(2)得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴调节电压将所述直轴电流i_d和步骤(2)得到的直轴电流给定值比较后，再经电流调节器得到直轴调节电压

4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴调节电压信号和直轴调节电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到前馈解耦交轴电压根据公式得到前馈解耦直轴电压其中，ω_re为电机当前的角速度，L_d为同步坐标系下电机直轴电感，L_q为同步坐标系下电机交轴电感，ψ_a为电机永磁磁链；

(5)，将直流母线电压V_dc与电网电压的绝对值|V_s|进行比较，偏差信号经过二阶滤波器，然后分别乘以系数k_vq、k_vd得到交轴电压补偿和直轴电压补偿将所述交轴电压补偿和直轴电压补偿分别与步骤(4)得到的前馈解耦交直轴电压相加，得到交轴的参考电压与直轴的参考电压将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及当前的电机转子位置角θ信号输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下αβ轴两相电压信号和将两相电压信号和以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的小容量薄膜电容变频器系统的永磁同步电机控制算法，其特征在于：所述速度调节器采用PI调节器或PID调节器或滑模调节器或神经网络调节器；所述电流调节器采用内模控制器或者重复控制器或者PR调节器。