CN107070350B - 一种降低逆变感应电机emi的预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低逆变感应电机EMI的预测控制算法，目的在于，降低逆变感应电机系统电磁干扰，不增加系统硬件体积与成本，实现良好的输出特性，所采用的技术方案为：首先输入参考转速、额定转矩和定子磁链参考值，检测电机输出转速，并与参考转速比较得到转速误差信号，PI控制器接收到转速误差信号并计算参考转矩，然后计算定子磁链与转子磁链估计值，其次计算转矩、定子磁链与EMI预测值，最后通过以上计算在采样周期各个开关状态下的代价函数，取使代价函数最小化的开关状态输出给三相逆变器，三相逆变器驱动感应电机运行，完成降低EMI的预测控制。

Description

一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法

技术领域

本发明属于电力电子电磁干扰研究领域，具体涉及一种降低逆变感应电机EMI的预测控制算法。

背景技术

随着电力电子设备高频化、小型化、集成化发展，装置内部电磁干扰(EMI，Electromagnetic Interference)现象越来越严重。电子、电气设备的电磁兼容性(EMC，Electromagnetic Compatibility)是一项非常重要的质量指标，它不仅关系到设备的正常工作，也关系到电磁环境的保护问题，为此国家3C认证强制要求对设备电磁兼容性进行验证要求。EMC包含EMI与EMS(电磁抗扰度，Electromagnetic Susceptibility)，其中EMI在逆变感应电机系统中主要以传导形式存在，随着设备的运行，EMI会传导到设备的控制驱动侧、电机线圈绝缘层、检测电路等，从而造成电机轴承损坏、控制电路误动作等后果，严重危害了系统的正常运行。

为了抑制逆变感应电机系统EMI，国内外相关学者已提出多种解决办法。已公开的发明专利《一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器的设计方法》提出了一种基于转移函数设计的共模滤波器，可辅助确定滤波器的结构和元件。已公开的发明专利《减轻传导电磁干扰的有源共模EMI滤波器》通过检测和补偿高频共模电流，减轻了传导共模EMI。已公开的发明专利《一种降低PWM脉冲调制信号的电磁干扰电路》可以在重载模式下，调整PWM脉冲调制信号的驱动频率，从而有效的减少电磁干扰。

以上专利中所涉及的无源滤波器、有源滤波器、改进电路结构等方法是目前降低EMI常用有效的方法，但是这些方法都需要增加额外的成本与体积，也不适用于高电压和大电流的系统。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种降低逆变感应电机EMI的预测控制算法，能够有效降低逆变感应电机系统电磁干扰，同时又不增加系统硬件体积与成本，实现良好的输出特性。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)首先输入参考转速ω^*、额定转矩T_n和定子磁链参考值

然后检测电机输出转速ω，并与参考转速ω^*比较，得到转速误差信号e，PI控制器接收到转速误差信号e，并计算参考转矩T^*；

2)计算电机定子磁链估计值

与转子磁链估计值

3)计算定子磁链在k+1采样时刻的预测值

转矩在k+1采样时刻的预测值T^p(k+1)，以及EMI在k+1采样时刻的预测值

4)根据步骤1)～步骤3)得到的数据分别计算采样周期各个开关状态下的代价函数g：

其中，

是电机下一时刻共模EMI预测值，K_ψ和K_CM分别是代价函数中定子磁链和EMI的权重因子；

取使代价函数最小化的开关状态输出给三相逆变器，三相逆变器驱动逆变感应电机运行。

所述步骤1)中PI控制器为离散的抗积分饱和速度控制器，参考转矩T^*的计算如下：

若T^*＜T_n，则

其中|T^*|≤T_n，k_p为比例增益，k_i为积分增益，z为z平面里的离散化水平，T_sw为PI控制器采样周期；

若T^*≥T_n，则T^*＝k_pe，其中|T^*|≤T_n。

所述步骤2)中采用欧拉公式对定子电压方程离散化得到定子磁链估计值

其中，

为定子磁链估计值，T_s为预测控制器采样周期；

定子电压方程为：

其中，v_s为定子电压，R_s为定子电阻，i_s为定子电流，ψ_s为定子磁链；

欧拉公式为：

所述步骤2)中转子磁链估计值

的计算过程如下：

转子磁链方程为：

ψ_r＝i_sL_m+i_rL_r (4)

定子磁链方程为：

ψ_s＝i_sL_s+i_rL_m (5)

其中ψ_r为转子磁链，i_r为定子电流，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，L_s为定子电感；根据公式(3)、(4)和(5)得到转子磁链估计值计算公式为：

所述步骤3)中定子磁链在k+1采样时刻的预测值

的计算公式为：

所述步骤3)中转矩在k+1采样时刻的预测值T^p(k+1)的计算公式为：

p为极对数，

为在k+1采样时刻的定子电流预测值，计算公式为：

其中，

R_σ＝R_s+R_rk_r ²，

所述步骤3)中EMI在k+1采样时刻的预测值

的计算公式为：

其中V_aN、V_bN、V_cN为电机三相的输出相电压。

所述步骤4)中令代价函数中定子磁链的权重因子

T_n代表电机额定转矩，则电机转矩与定子磁链被赋予相同权重。

所述步骤4)中通过改变代价函数中EMI的权重因子K_CM来调节EMI相对于电机输出转矩、定子磁链的影响度，调节K_CM方法为：令开始时K_CM＝0，然后K_CM值不断增大，记录各K_CM值对应的输出转速、定子磁链以及EMI测量值，选择使EMI最小化的值，同时保证较好的电机输出特性。

所述步骤4)中为了快速确定K_CM，在开始时优先确定数量级，令取值为0，0.001，0.01，0.1，1……，然后选择最优的数量级，以新区间一半为单位(0.005，0.05，0.5……)继续确定取值，直到得到满足所需的值。

与现有技术相比，本发明首先输入参考转速、额定转矩和定子磁链参考值，检测电机输出转速，并与参考转速比较得到转速误差信号，PI控制器接收到转速误差信号并计算参考转矩，然后计算定子磁链与转子磁链估计值，其次计算转矩、定子磁链与EMI预测值，最后通过以上计算在采样周期各个开关状态下的代价函数，取使代价函数最小化的开关状态输出给三相逆变器，三相逆变器驱动感应电机运行，完成降低EMI的预测控制，本发明通过计算电机下一采样时刻的输出转矩预测值，以及定子磁链预测值，然后跟踪电机输出转矩参考值与电机定子磁链参考值，同时输出使下一时刻EMI最小的开关状态，来实现电机稳定运行，能够有效降低逆变感应电机系统电磁干扰，不增加系统硬件体积与成本，能够实时检测并减小逆变感应系统每一开关状态EMI，在电机启动、反转等阶段实现良好的输出特性。

进一步，PI控制器为离散的抗积分饱和速度控制器，PI控制器输出包含了饱和块(Saturation)，在仿真电机限制内保持参考转矩幅值，给出这一约束会引起积分饱和现象，通过比较输出参考转矩的绝对值和输出参考转矩的限值，在仿真中采用抗积分饱和的方法解决这一问题，比较器的输出可以取1或0，同时与输入信号相乘送入积分器，参考转矩的值低于限值时，比较器的输出为1，积分器可以正常运行；相反，当输出饱和，积分器的输入为0，从而防止了积分饱和。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构示意图；

图2为本发明的离散的抗积分饱和PI速度控制器；

图3为本发明的电机输出转速曲线；

图4为本发明的电机输出定子电流曲线；

图5为本发明的电机输出EMI频谱图；

图6为本发明的降低EMI预测控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

参见图1的控制系统结构和图6的方法流程，本发明具体包括以下步骤：

1)首先输入参考转速ω^*、输入额定转矩T_n和定子磁链参考值

然后检测电机输出转速ω，与输入参考转速ω^*比较，得到转速误差信号e，PI控制器收到误差信号e，计算参考转矩T^*；

其中PI控制器为离散的抗积分饱和速度控制器，如图2所示，PI控制器中比例增益k_p和积分增益k_i为可调参数，可以根据PI控制器参数常规整定方法来进行设计，PI控制器输出包含了饱和块(Saturation)，可以在仿真电机限制内保持参考转矩幅值，给出这一约束会引起积分饱和现象，通过比较输出参考转矩的绝对值和输出参考转矩的限值，在仿真中采用抗积分饱和的方法可以解决这一问题：比较器的输出可以取1或0，同时与输入信号相乘送入积分器。参考转矩的值低于限值时，比较器的输出为1，积分器可以正常运行；相反，当输出饱和，积分器的输入为0，从而防止了积分饱和，则参考转矩T^*计算如下：

若T^*＜T_n，则

其中|T^*|≤T_n，T_sw为PI控制器采样周期，z为z平面里的离散化水平；

若T^*≥T_n，则T^*＝k_pe，其中|T^*|≤T_n；

2)对电机定子磁链与转子磁链估计值进行了计算：

定子电压方程如下式所示：

其中v_s为定子电压，R_s为定子电阻，i_s为定子电流，ψ_s为定子磁链；

通过应用如(2)所示的欧拉公式来对(1)离散化，得到定子磁链估计值：

其中

为定子磁链估计值，T_s为预测控制器采样周期；

转子磁链、定子磁链方程如公式(4)、(5)所示：

ψ_r＝i_sL_m+i_rL_r (4)

ψ_s＝i_sL_s+i_rL_m (5)

其中ψ_r为转子磁链，i_r为定子电流，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，L_s为定子电感；通过公式(3)～(5)，得到转子磁链估计值(6)：

3)计算定子磁链、转矩以及EMI在k+1采样时刻的预测值：

通过公式(3)，得到定子磁链在k+1时刻预测值为：

对定子电流等效方程应用欧拉仿真进行离散化，得到定子电流预测值：

其中

R_σ＝R_s+R_rk_r ²，

对转矩方程进行欧拉离散化，得到转矩预测值：

其中，p为极对数，通过公式(7)～(9)，计算转矩预测值；

EMI因子：即每一开关状态对应下一时刻电机的共模电压值，通过公式(10)计算得到：

其中V_aN、V_bN、V_cN为电机三相的输出相电压；

4)定义代价函数g并确定其中各因子权重系数，计算该采样周期各个开关状态下的代价函数，三相两电平逆变器为8个开关状态，取使代价函数最小化的开关状态输出给三相逆变器；

代价函数如下式所示：

其中，

是电机下一时刻共模EMI预测值，K_ψ和K_CM是代价函数中定子磁链和EMI的权重因子，调节权重因子可以改变各因子在代价函数中的相对重要程度，其确定方法如下：

令

T_n代表电机额定转矩，则电机转矩与定子磁链被赋予相同权重；通过改变K_CM来调节EMI相对于电机输出转矩、定子磁链的影响度，调节K_CM方法如下：开始时K_CM＝0，然后该值不断增大，记录各值对应的输出转速、定子磁链以及EMI测量值，选择能使得EMI最小化的值，同时保证较好的电机输出特性；为了快速确定K_CM，可以在开始时优先确定数量级，令取值为0，0.001，0.01，0.1，1……，然后选择最优的数量级，以新区间一半为单位(0.005，0.05，0.5……)继续确定取值，直到得到满足所需的值；

本发明在MATLAB/SIMULINK仿真软件中进行了相关验证，搭建了一台逆变感应电机系统，实现了电机从启动、稳定运行、反转、稳定运行的过程，电机输出转速曲线变化如图3所示，图中横轴表示时间(s)，纵轴表示电机转速(rad/s)，本发明可以实现电机快速启动，平稳运行，快速反转等功能。电机输出定子电流如图4所示，图中横轴表示时间(s)，纵轴表示定子电流(A)，电流变化光滑平稳。电机系统输出的EMI频谱如图5所示，图中横轴表示频率(Hz)，纵轴表示EMI幅值(dBμV)，黑线表示不含EMI抑制因子(K_CM＝0)时频谱图，灰线表示EMI权重系数K_CM为0.005时频谱图，可以看出由于电机的启动与反转，有较大的EMI幅值，当在代价函数中引入抑制因子时，EMI得到大幅度抑制，尤其在高频区域，EMI在1MHz以后频段的峰值从147dBμV降低到134dBμV，在600kHz以后频段的平均值大约降低10dBμV，本发明实现了电机的稳定运行，有效降低逆变感应电机系统电磁干扰，不增加系统硬件体积与成本，实时检测并减小逆变感应系统每一开关状态EMI，在电机启动、反转等阶段实现良好的输出特性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先输入参考转速ω^*、额定转矩T_n和定子磁链参考值

然后检测电机输出转速ω，并与参考转速ω^*比较，得到转速误差信号e，PI控制器接收到转速误差信号e，并计算参考转矩T^*；

2)计算电机定子磁链估计值

与转子磁链估计值

3)计算定子磁链在k+1采样时刻的预测值

转矩在k+1采样时刻的预测值T^p(k+1)，以及电磁干扰EMI在k+1采样时刻的预测值

4)根据步骤1)～步骤3)得到的数据分别计算采样周期各个开关状态下的代价函数g：

其中，

是电机下一时刻共模EMI预测值，K_ψ和K_CM分别是代价函数中定子磁链和EMI的权重因子；

取使代价函数最小化的开关状态输出给三相逆变器，三相逆变器驱动逆变感应电机运行；

所述步骤3)中EMI在k+1采样时刻的预测值

的计算公式为：

其中V_aN、V_bN、V_cN为电机三相的输出相电压；

所述步骤4)中通过改变代价函数中EMI的权重因子K_CM来调节EMI相对于电机输出转矩、定子磁链的影响度，调节K_CM方法为：令开始时K_CM＝0，然后K_CM值不断增大，记录各K_CM值对应的输出转速、定子磁链以及EMI测量值，选择使EMI最小化的值，同时保证较好的电机输出特性；

所述步骤4)中令代价函数中定子磁链的权重因子

T_n代表电机额定转矩，则电机转矩与定子磁链被赋予相同权重；

所述步骤4)中为了快速确定K_CM，在开始时优先确定数量级，令取值为0，0.001，0.01，0.1，1……，然后选择最优的数量级，以新区间一半为单位0.005，0.05，0.5……，继续确定取值，直到得到满足所需的值；

步骤1)中PI控制器为离散的抗积分饱和速度控制器，参考转矩T^*的计算如下：

若T^*＜T_n，则

其中|T^*|≤T_n，k_p为比例增益，k_i为积分增益，z为z平面里的离散化水平，T_sw为PI控制器采样周期；

若T^*≥T_n，则T^*＝k_pe，其中|T^*|≤T_n。

2.根据权利要求1所述的一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法，其特征在于，所述步骤2)中采用欧拉公式对定子电压方程离散化得到定子磁链估计值

其中，

为定子磁链估计值，T_s为预测控制器采样周期；

定子电压方程为：

其中，v_s为定子电压，R_s为定子电阻，i_s为定子电流，ψ_s为定子磁链；

欧拉公式为：

3.根据权利要求2所述的一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法，其特征在于，所述步骤2)中转子磁链估计值

的计算过程如下：

转子磁链方程为：

ψ_r＝i_sL_m+i_rL_r (4)

定子磁链方程为：

ψ_s＝i_sL_s+i_rL_m (5)

其中ψ_r为转子磁链，i_r为定子电流，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，L_s为定子电感；

根据公式(3)、(4)和(5)得到转子磁链估计值计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法，其特征在于，所述步骤3)中定子磁链在k+1采样时刻的预测值

的计算公式为：

T_s为预测控制器采样周期，R_s为定子电阻。

5.根据权利要求1所述的一种降低逆变感应电机EMI的预测控制方法，其特征在于，所述步骤3)中转矩在k+1采样时刻的预测值T^p(k+1)的计算公式为：

p为极对数，

为在k+1采样时刻的定子电流预测值，计算公式为：

其中，

T_s为预测控制器采样周期，R_s为定子电阻，L_m为励磁电感，L_s为定子电感，L_r为转子电感。

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