CN106655947B - 一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性的永磁同步电机控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性的永磁同步电机控制算法，根据直流母线电压与电网电压绝对值的差值大小，调整电机直轴电流给定分量，提高直流母线电压的暂态稳定性，降低电网输入电流的畸变率。使用小容量薄膜电容代替功率因数校正电路，延长整个系统寿命，但薄膜电容容值小，电容电压易受电机反电动势的影响，导致电网输入电流畸变率大等一系列问题，为此，本发明根据直流母线电压与电网电压绝对值的差值来调整直轴电流给定分量，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

一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性的永磁同步电 机控制算法

技术领域

本发明涉及一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性的永磁同步电机控制算法。

背景技术

永磁同步电机具有损耗小、效率高、高功率密度以及高可靠性等优点，广泛应用于家用电器中，永磁同步电机的驱动系统硬件电路主要由整流二极管、功率因数校正电路以及三相电压型逆变器构成，该控制系统需要储能电感、电解质电容，大大增加了驱动系统的体积，电解质电容寿命容易随着周围环境温度的升高而降低，严重制约整个系统的可靠性，而且开关管的损耗较大，整个系统的利用效率低。

传统的永磁同步电机驱动系统因为储能元件的存在而出现诸多问题，有专家学者提出一种只用电解质电容代替功率校正电路的方法，电解质电容能够提供稳定的直流母线电压，但仍受电解质电容寿命短以及电容体积大的制约，以及二极管导通角度小，电网输入电流畸变率高，造成电网谐波污染，第二种方法是在电路中用开关器件代替原来的不可控整流二极管，这种方法不仅降低电网输入电流的畸变率，且直流母线电压平稳，有效的提高了系统的功率因数，但是开关管损耗较大，整个控制系统效率不高，因此这种方法的应用也受到制约。针对以上出现的问题，有学者提出了用小容量的薄膜电容代替传统的功率校正电路。小容量的电容储能少，直流母线电压不稳定，波动很大，在电机转速高电网电压瞬时值低的情况下，电机的反电动势会抬高电容上的电压，此时电容上电压高于电网电压的绝对值，整流二极管关断，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，因此，对于直流母线电压的控制成了降低电网输入电流畸变率的关键。

发明内容

发明目的：根据上述现有技术，提出一种提高小容量直流母线电容电压暂态的稳定性的永磁同步电机控制算法，提高直流母线电压的暂态稳定性，降低电网侧输入电流的畸变率。

技术方案：一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性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，并计算电机转子的实际转速ω；再将电机转子的实际转速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^*；将电机转子的实际转速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其中θ_grid为电网电压相角，θ_q为交轴参考电流修正角度，θ_q根据下式得到：直流母线电压V_dc与电网电压绝对值|V_s|做差值计算得到Δv，Δv经过查找表方式到电机的直轴电流给定调整系数k，系数k值由实验对其进行不断的修正，电机的直轴电流给定值为

(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i₁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)得到交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴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电压

(4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴电压信号和直轴电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到交轴参考电压根据公式得到直轴参考电压其中，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)，将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及电机当前转子位置角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给出六路脉冲调制信号来控制三相电压型逆变器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，由于薄膜电容容值小，储能少，因此直流母线电压易受电机的反电动势的影响，可能会出现直流母线电压高于电网电压绝对值的情况，降低电网输入电流的畸变率，针对此问题，本发明旨在提高不同工况下的直流母线电压暂态稳定性，具有以下优点：

1.系统根据直流母线电压与电网电压绝对值的差值自动调整电机的直轴电流给定分量，提高直流母线电压的暂态稳定性，降低电网输入电流的畸变率；

2.系统中加入直流母线电压的前馈补偿作用，提高了整个系统的稳定性；

3.系统中的电流控制器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；

4.使用小容量薄膜电容代替传统的功率校正电路，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为电机的转速仿真波形；

图7为电机的转速误差波形；

图8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，一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性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，并计算电机转子的实际转速ω。再将电机转子的实际转速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^**经过低通滤波器后得到直流分量作为转矩给定值T^*。将电机转子的实际转速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，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，所以交轴电流给定值为其中θ_grid为电网电压相角，θ_q交轴参考电流偏移角度，θ_q根据下式得到：θ_q由电容电流的幅值以及电网电流的幅值决定。直流母线电压V_dc与电网电压绝对值|V_s|做差值计算得到Δv，Δv经过查找表方式到电机的直轴电流给定调整系数k，系数k值由实验对其进行不断的修正，电机的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。

(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)得到交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压将直轴电流i_d和步骤(2)得到的直轴电流给定值比较后，再经电流调节器得到直轴电压

(4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴电压信号和直轴电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到交轴参考电压根据公式得到直轴参考电压其中，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)，将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及电机当前转子位置角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给出六路脉冲调制信号来控制三相电压型逆变器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，并针对系统当t＝0.2s时突加负载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压给定值，实现直流母线电压暂态稳定性，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，实现了高输入功率因数，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19.90％，证明这种控制方法有效的降低了电网输入电流的畸变率，图6为电机转子的实际转速波形，图7为电机转速误差波形，从图中可以看出转速误差在±20r/min之内。

上述算法的微机控制PWM调速系统硬件结构图如图8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、小容量的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，根据弱磁控制的思想，给出对应最优的电机的交直轴参考电流平均值，检测电网电压以及直流母线电压，输出与两电压差值对应的直轴电流调整系数，该系数乘以之前得到直轴电流直流分量作为直轴电流给定值，交轴电流直流分量乘以电网两倍频的正弦函数得到交轴电流给定值，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，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、相电流以及小容量的薄膜电容上的电压等等，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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性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，并计算电机转子的实际转速ω；再将电机转子的实际转速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^*；将电机转子的实际转速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其中θ_grid为电网电压相角，θ_q为交轴参考电流修正角度，θ_q根据下式得到：直流母线电压V_dc与电网电压绝对值|V_s|做差值计算得到Δv，Δv经过查找表方式到电机的直轴电流给定调整系数k，系数k值由实验对其进行不断的修正，电机的直轴电流给定值为

(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)得到交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴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电压

(4)，将步骤(3)中得到两相旋转坐标系下的交轴电压信号和直轴电压信号输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到交轴参考电压根据公式得到直轴参考电压其中，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)，将得到的交轴参考电压信号和直轴参考电压信号以及电机当前转子位置角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给出六路脉冲调制信号来控制三相电压型逆变器功率管的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的提高小容量直流母线电容电压暂态稳定性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。