CN107453664A - 一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法 - Google Patents
一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，该方法将电机转矩控制、定子磁链幅值控制和直流侧电容电压平衡控制三个约束量统一为定子磁链控制，根据采集的直流侧电容电压以及三相电流预测出下一拍定子磁链，通过定子磁链给定和下一拍定子磁链预测值计算评估函数，取使得评估函数最小的电压矢量为最佳电压矢量，令其相对应的开关信号驱动三相四开关逆变器，从而实现对电机的控制。本发明消除了评估函数中两个权重因子的调节工作，极大地降低了控制难度，在保证电机运行性能的情况下，系统实现了对直流侧电容电压平衡的有效控制；基于上述优点使得本发明可以应用于三相四开关逆变器驱动的交流电机调速系统。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法。
背景技术
近年来，三相四开关电压源型逆变器由于其拓扑结构简单、硬件成本低等优点受到国内外众多学者的广泛关注。同时由于其能作为传统三相六开关逆变器驱动系统中，某一相功率开关器件及其驱动电路发生故障时的容错后拓扑结构，因而具有很好的应用前景。另一方面，永磁电机由于具有高功率因数、高转矩惯量比、高效率、结构简单等的优势，目前已被广泛应用到交通、航天、军事、工业等领域。目前针对永磁同步电机的现代控制策略中，模型预测控制由于具有较强的非线性约束处理能力、动态响应快、控制方法简单等特点受到了广泛的重视。
公开号CN105490604A的中国发明专利提出了一种针对三相四开关逆变器交流电机驱动系统的预测转矩控制方法，该方法能在三相四开关直流侧电容电压波动的情况下，实现高性能的磁链和转矩闭环控制，而且还能抑制电容中点电压的漂移。但是，该专利提供的控制方法中评估函数中包含了三个约束量：转矩、磁链幅值、电容中性点电压，导致在控制时需要对两个权重因子进行整定调节。又因为权重因子的调节需要经过大量的工程试验，而且这两个权重因子还存在相互耦合的现象，无疑增大了系统控制的复杂性。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其无需增加额外硬件，通过算法的优化，消除了评估函数中两个权重因子的调节工作，极大地降低了控制难度，在保持电机良好的静态和动态运行性能的情况下，系统实现了对直流侧电容电压平衡的有效控制。
一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：
(1)采集三相四开关逆变器中对应与直流电源正负极相连的电容电压Vc1和Vc2以及电机的三相定子电流ia～ic和转子位置角θr，并对转子位置角θr进行微分得到电机转速ωr；
(2)根据电容电压Vc1和Vc2计算四种基本电压矢量V1～V4，这四种基本电压矢量V1～V4各自对应的开关信号组合(Sb，Sc)分别为：(0，0)、(1，0)、(1，1)、(0，1)，Sb和Sc分别为三相四开关逆变器B相和C相的开关信号；
(3)计算提取电容中点电压的直流偏置量ΔVDC，使其经过比例调节后得到故障相补偿电流Δia，并根据补偿电流Δia计算出对应电机直轴和交轴的磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com；
(4)根据给定的参考电磁转矩Te *以及磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com计算出对应电机直轴和交轴的定子磁链指令值Ψsd *和Ψsq *；
(5)通过预测下一时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链Ψd k+1和Ψq k+1，建立以下评估函数F并计算对应四种基本电压矢量V1～V4下的函数值，取对应函数值最小的基本电压矢量作为电机的控制方案并对其三相四开关逆变器施加控制；
进一步地，所述步骤(2)中根据以下算式计算四种基本电压矢量V1～V4：
其中：j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(3)中根据以下算式计算直流偏置量ΔVDC、故障相补偿电流Δia以及磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com：
Δia＝KpΔVDC
Ψsd_com＝LdΔiacosθr
Ψsq_com＝-LqΔiasinθr
其中：s为拉普拉斯算子，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Kp为比例增益系数。
进一步地，所述步骤(4)中根据以下算式计算定子磁链指令值Ψsd *和Ψsq *：
其中：Ψf为电机的转子永磁体磁链，Np为电机的极对数，Lq为电机的交轴电感。
进一步地，所述步骤(5)中根据以下算式预测下一时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链Ψd k+1和Ψq k+1：
其中：Rs为电机的定子电阻，Ψd k和Ψq k分别为当前时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链，ts为控制周期，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Vα和Vβ分别为基本电压矢量的α轴分量和β轴分量即基本电压矢量的实部和虚部，Ψf为电机的转子永磁体磁链。
进一步地，所述定子磁链Ψd k和Ψq k的计算表达式如下：
本发明控制方法以电机定子磁链作为唯一控制对象，将直流侧电容电压平衡控制、电机转矩控制和定子磁链幅值控制三个约束量统一为定子磁链控制，并根据采集的直流侧电容电压以及三相电流预测出下一拍的定子磁链，将定子磁链给定和定子磁链预测值计算评估函数，取使得评估函数最小的电压矢量，令其相对应的开关信号驱动三相四开关逆变器，从而实现对电机的控制。
本发明的优点在于消除了评估函数中两个权重因子的调节工作，极大地降低了控制难度，在保证电机运行性能的情况下，系统实现了对直流侧电容电压平衡的有效控制；基于上述优点使得本发明可以应用于三相四开关逆变器驱动的交流电机调速系统。
附图说明
图1为三相四开关永磁同步电机系统的结构示意图。
图2为本发明三相四开关永磁同步电机系统的磁链控制框图。
图3为本发明磁链给定补偿量的具体计算框图。
图4为采用本发明控制方法的永磁同步电机三相定子电流仿真波形图。
图5为采用本发明控制方法的永磁同步电机电磁转矩仿真波形图。
图6为采用本发明控制方法的永磁同步电机定子磁链圆仿真波形图。
图7为采用本发明控制方法的三相四开关逆变器直流侧上下电容电压仿真波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明三相四开关逆变器永磁同步电机系统包括：永磁同步电机1、三相四开关逆变器2、定子三相电流传感器3-1、电容电压传感器3-2、电机转子光电编码器3-3和系统控制器12。系统控制器12以永磁同步电机1定子磁链作为控制对象，将三相四开关逆变器2直流侧电容电压平衡控制、永磁同步电机1转矩和定子磁链幅值控制三个约束量统一为定子磁链给定，并根据定子三相电流传感器3-1采集的三相电流以及直流侧电容电压传感器3-2采集的直流侧电容电压预测出下一拍的定子磁链，将定子磁链给定和定子磁链预测值计算评估函数，取使得评估函数最小的电压矢量，令其相对应的开关信号驱动三相四开关逆变器2功率开关器件，从而实现对永磁同步电机1的控制。
如图2所示，上述三相四开关永磁同步电机系统的磁链控制方法，包括以下步骤：
(1)信号采集。
利用三相电流传感器3-1采集永磁同步电机1三相定子电流信号ia、ib、ic，利用电容电压传感器3-2采集三相四开关逆变器2直流侧电容电压Vc1、Vc2以及利用光电编码器3-3采集电机转子位置角θr，并将转子位置角经过微分器得到电机转速ωr；
(2)基本电压矢量计算。
利用直流母线电容电压Vc1、Vc2，经过基本电压矢量计算模块4得到V1、V2、V3、V4的当前值；其中，基本电压矢量计算模块4基于以下公式：
(3)磁链给定补偿计算。
定子磁链给定的补偿Ψsd_com、Ψsq_com计算流程如图3所示，包括以下步骤：
a.将直流母线电容电压Vc1、Vc2，电机转速ωr输入自适应陷波器5-1提取得到电容中点电压的直流偏置量ΔVDC；其中，自适应陷波器5-1基于以下公式：
b.将直流偏置量ΔVDC经过比例控制器5-2得到故障相补偿电流Δia；其中，比例控制器5-2基于以下公式：
Δia＝KpΔVDC (3)
c.进一步，将故障相补偿电流Δia经过磁链补偿计算模块5-3得到此时的磁链给定补偿Ψsd_com、Ψsq_com；其中，磁链补偿计算模块5-3基于以下公式：
(4)定子磁链给定计算。
将ω*和ωr之差经过速度PI控制环6得到参考电磁转矩Te *，和磁链给定补偿一起经过定子磁链给定计算模块7得到定子磁链给定Ψsd *、Ψsq *；其中，定子磁链给定计算模块7基于以下公式：
(5)定子磁链估算和定子磁链预测。
a.利用采集得到的三相电流ia、ib、ic经过磁链估算模块8得到定子磁链Ψd k、Ψq k；其中，磁链估算模块8基于以下公式：
b.将定子磁链Ψd k、Ψq k以及基本电压矢量V1、V2、V3、V4输入到定子磁链预测模块9中得到对应(k+1)时刻的预测定子磁链Ψd k+1、Ψq k+1；其中预测模块9基于以下公式：
(6)评估函数计算以及最佳矢量选择。
将磁链预测值和磁链给定值输入评估函数优化模块10，根据下式计算每个电压矢量对应的评估函数Fi，i∈{1,2,3,4}，取使得F最小的电压Vi，i∈{1,2,3,4}，即最佳电压矢量Vopt。
(7)生成开关控制信号。
将选择的最佳电压矢量输入到开关信号生成模块11得到驱动三相四开关逆变器功率开关管的开关信号：Sb、Sc，驱动三相四开关逆变器实现对电机的控制。其中，开关信号生成模块11中，四个基本电压矢量V1、V2、V3、V4各自对应的开关信号(Sb，Sc)组合为：(0，0)、(1，0)、(1，1)、(0，1)，0和1分别表示对应相上桥臂开关管关断和开通(逆变器同一相上、下桥臂开关管的驱动信号互补)。
(8)仿真结果分析。
仿真所采用的三相四开关永磁同步电机系统参数如表1所示，并采用MATLAB/Simulink对本发明控制方法的进行波形仿真，仿真时的参考转速为500rpm，负载转矩给定为3Nm，控制周期为40μs。
表1
如图4所示，永磁同步电机三相定子电流仿真波形对称，平衡度也较好；如图5所示，电机电磁转矩具有良好的动态响应性能，同时其静态误差在可接受范围内；如图6所示，定子磁链圆为一个标准圆形，实现了对控制目标定子磁链的有效控制。图7为逆变器直流侧上下电容电压的仿真波形，从图7中可以看出，1s时系统加入了磁链给定补偿后，三相四开关逆变器直流侧上下电容电压迅速调节到平均值为Vdc/2的状态，实现了对电容电压的平衡控制。通过仿真实验结果可以看出，本发明提供的三相四开关永磁同步电机系统磁链控制方法具有良好的控制性能，适用于三相四开关逆变器驱动的交流电机调速系统。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：
(1)采集三相四开关逆变器中对应与直流电源正负极相连的电容电压Vc1和Vc2以及电机的三相定子电流ia～ic和转子位置角θr，并对转子位置角θr进行微分得到电机转速ωr；
(2)根据电容电压Vc1和Vc2计算四种基本电压矢量V1～V4，这四种基本电压矢量V1～V4各自对应的开关信号组合(Sb，Sc)分别为：(0，0)、(1，0)、(1，1)、(0，1)，Sb和Sc分别为三相四开关逆变器B相和C相的开关信号；
(3)计算提取电容中点电压的直流偏置量ΔVDC，使其经过比例调节后得到故障相补偿电流Δia，并根据补偿电流Δia计算出对应电机直轴和交轴的磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com；
(4)根据给定的参考电磁转矩Te *以及磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com计算出对应电机直轴和交轴的定子磁链指令值Ψsd *和Ψsq *；
(5)通过预测下一时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链Ψd k+1和Ψq k+1，建立以下评估函数F并计算对应四种基本电压矢量V1～V4下的函数值，取对应函数值最小的基本电压矢量作为电机的控制方案并对其三相四开关逆变器施加控制；
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2.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据以下算式计算四种基本电压矢量V1～V4：
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其中：j为虚数单位。
3.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据以下算式计算直流偏置量ΔVDC、故障相补偿电流Δia以及磁链补偿量Ψsd_com和Ψsq_com：
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Δia＝KpΔVDC
Ψsd_com＝LdΔiacosθr
Ψsq_com＝-LqΔiasinθr
其中：s为拉普拉斯算子，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Kp为比例增益系数。
4.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据以下算式计算定子磁链指令值Ψsd *和Ψsq *：
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其中：Ψf为电机的转子永磁体磁链，Np为电机的极对数，Lq为电机的交轴电感。
5.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中根据以下算式预测下一时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链Ψd k+1和Ψq k+1：
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其中：Rs为电机的定子电阻，Ψd k和Ψq k分别为当前时刻对应电机直轴和交轴的定子磁链，ts为控制周期，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Vα和Vβ分别为基本电压矢量的α轴分量和β轴分量即基本电压矢量的实部和虚部，Ψf为电机的转子永磁体磁链。
6.根据权利要求5所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述定子磁链Ψd k和Ψq k的计算表达式如下：
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