CN107943121B - 一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，包括：输出三相电压和电流，分别经坐标变换并结合当前周期电角度得到交直轴电压和电流分量；获取交直轴反电势分量；建立非线性永磁同步电动机数学模型，将交直轴电压和交直轴反电势作为输入，解算下一周期的机械角速度、电角度、电动机转速和交直轴电流，并将交直流电流作为下一周期闭环控制的指令电流；采用电流调节器对指令电流和交直轴电流分量的差值进行调节，将结果经帕克反变换后得到的参考电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出指令电流。本发明能有效模拟非线性反电势情况下各种工况运行特性，且能实现对高次谐波电流所含有的高频信号进行无静差跟踪。

Description

一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，属于电力电子的技术领域。

背景技术

目前，针对永磁同步电机的建模和模拟，往往以理想反电势永磁同步电机为模拟或建模对象。如中国专利《一种永磁同步电机的功率模拟方法》(公开日：2013.12.25、公开号：CN103472391A)首先建立了永磁同步电机在反电势正弦情况下的数学模型，将电机驱动器的输出电压作为永磁同步电机数学模型的输入，计算出此状态下永磁同步电机应有的输出电流，将此电流作为三相全桥变换器的参考电流，并通过滞环控制完成模拟。这种功率模拟方法只能模拟永磁同步电机在反电势正弦时的功率特性，且用滞环控制开关频率不固定，电流谐波含量大。事实上，由于电机设计与制造工艺的限制，永磁同步电机的反电势往往呈现非正弦的特性，其反电势中包含着高次谐波，且电机定子绕组三相不完全对称，会导致三相反电势不对称。现有的永磁同步电动机模拟技术都是基于正弦波理想反电势的线性模型进行各种电机工况的模拟，并未考虑到非线性反电势特性对电机模拟精度的影响，且现有的控制方法无法实现对含有谐波的高频电流信号的无静差跟踪。因此有必要提供一种准确的非线性反电势永磁同步电动机模拟器及控制方法，以实现非线性永磁同步电动机的模拟。

若要实现非线性反电势永磁同步电动机的模拟，需要对电机的数学模型进行修正。以便精确的计算出永磁同步电动机的实时电流。除了需对电机的数学模型进行修正外，还需对闭环控制方法进行改进。当永磁同步电机的反电势波形非正弦时，根据电机数学模型解算出的电流波形也将呈现非正弦的特性，其定子电流包含高频谐波。因此，闭环控制器必须能实现对高频信号的无静差控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，解决现有的永磁同步电动机模拟技术都是基于正弦波理想反电势的线性模型进行各种电机工况的模拟，并未考虑到非线性反电势特性对电机模拟精度的影响，且实现对含有谐波的高频电流信号的无静差跟踪的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，包括以下步骤：

检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表；

在电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机数学模型，并对模型进行离散化处理；

检测电机驱动器输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；根据当前周期的电角度和电动机反电势表中的反电势数据，获取永磁同步电动机当前周期的三相反电势，经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成交直轴反电势分量；

将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为非线性永磁同步电动机数学模型的输入，运用所述模型解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴电流并将其作为下一周期闭环控制的指令电流，并利用模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电动机转速，用于计算下一周期的永磁同步电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度；

检测三相全桥变换器输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；及将上一周期根据模型所解算出的dq轴电流作为当前周期的指令电流，并对当前周期的指令电流和交直轴电流分量的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程、电磁转矩方程、运动方程。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中交直轴反电势分量含有高次谐波，具体为：

其中，θ_e为永磁同步电动机的电角度,n为谐波次数；e_d0、e_q0为永磁同步电动机dq轴反电势的直流分量；

为永磁同步电动机dq轴反电势的高频分量。

本发明还提出一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，包括：电机驱动器、坐标变换模块、反电势建模模块、非线性永磁同步电动机建模模块、电流调节器、三相全桥变换器、SVPWM调制模块；

其中，所述电机驱动器，用于输出三相电压，经坐标变换模块坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；

所述三相全桥变化器，用于输出三相电流，经坐标变换模块坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；

所述反电势建模模块，用于获取当前周期的三相反电势经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成的交直轴反电势分量；

所述非线性永磁同步电动机建模模块，用于建立非线性永磁同步电动机数学模型，及将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为输入，利用所建立的模型解算出永磁同步电动机下一周期的dq轴电流并将此电流作为下一周期的指令电流，且利用所建立的模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电机转速，用于计算下一周期的电机反电势和提供坐标变换所需的电角度；

所述电流调节器，用于将所述交直轴电流分量与当前周期指令电流的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述电流调节器包括串联连接的PI控制器与重复控制器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述交直轴反电势分量含有高次谐波。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，还包括用于检测输出三相电压的电压传感器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，还包括用于检测输出三相电流的电流传感器。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提供的一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，该电动机模拟器能有效的模拟非线性反电势情况下，永磁同步电动机的电流含有高次谐波的各种工况的运行特性，且所提控制方法能实现对高次谐波电流所含有的高频信号进行无静差跟踪。

本发明所述电动机模拟器能有效的模拟非线性反电势情况下，永磁同步电动机的电流含有高次谐波的各种工况的运行特性。对非线性永磁同步电动机结构的优化设计、驱动器的设计及调试和电机特性测试都能起到重要作用。

附图说明

图1是本发明所述的非正弦永磁同步电动机模拟器及控制方法的结构框图。

图2是本发明所述的重复控制器实现框图。

图3是本发明所述的电机非正弦反电势的建模框图。

图4是本发明所述的单位转速下电机反电势表的波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提出一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，包括：电机驱动器、坐标变换模块、反电势建模模块、非线性永磁同步电动机建模模块、电流调节器、三相全桥变换器、空间矢量脉宽SVPWM调制模块。

其中，所述电机驱动器与三相全桥变换器相连；所述电机驱动器的输出三相电压u_a，u_b，u_c可以通过电压传感器测得，经坐标变换模块并结合电角度得到dq坐标系下的交直轴电压分量u_d，u_q；所述反电势建模模块，用于获取在单位转速下的三相反电势e_a，e_b，e_c经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成的交直轴反电势分量e_d，e_q；以及，所述非线性永磁同步电动机建模模块，用于建立非线性永磁同步电动机数学模型，该非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程、电磁转矩方程、运动方程；及将所述交直轴电压分量u_d，u_q和交直轴反电势分量e_d，e_q作为模型的输入，并利用定子电压方程更新下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴指令电流i_d ^*，i_q ^*，并将此电流作为下一周期的指令电流；利用电磁转矩方程和运动方程更新永磁同步电动机的机械角速度ω_m、电角度θ和电动机转速n，用于计算下一周期的电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度，便于电流闭环控制及提供三相静止/两相旋转变换所需的电角度。

并且，三相全桥变换器输出三相电流i_a，i_b，i_c可以通过电流传感器测得，经坐标变换模块并结合当前周期电角度得到dq坐标系下的交直轴电流分量i_d，i_q；所述电流调节器，用于将根据永磁同步电动机数学模型已经解算完成的dq轴电流i_d ^*，i_q ^*作为指令电流，将所述交直轴电流分量i_d，i_q与指令电流i_d ^*，i_q ^*的差值进行闭环控制调节，将控制结果经过帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，SVPWM模块输出逆变器六个开关管的驱动信号，以控制三相全桥变换器，使三相全桥变换器实际输出指令电流i_d ^*，i_q ^*。

本实施例中，所述交直轴反电势分量e_d,e_q含有高次谐波。以及，所述电流调节器包括串联连接的PI控制器与重复控制器，电流调节器由PI控制器和重复控制器串联组成，结合了各自的优点，既能提高系统的响应速度又能提高系统的控制精度。稳态时系统主要由重复控制器调节，暂态过程主要由PI调节器调节。将PI控制器与重复控制器串联连接后的输出作为电压给定通入SVPWM调制模块。

在上述模拟器的基础上，本发明还提出一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，该方法的原理如图1所示，具体包括控制过程如下：

步骤1、检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表。即首先将永磁同步电动机作为发电机运行，在空载发电状态下测量真实永磁同步电机在额定转速下的反电势波形e_a(θ_e)，(θ_e)，e_c(θ_e)，之后将此反电势数据除以电机额定转速得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据e′_a(θ_e)，e′_b(θ_e)，e′_c(θ_e)，并建立单位转速下的电动机反电势表，此反电势表为实际电动机的反电势表，含有高次谐波。

步骤2、在永磁同步电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机数学模型，并对模型进行离散化处理。

首先，所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程、电磁转矩方程、运动方程。

其中，所述定子电压方程，具体为：

其中，L_d，L_q为dq轴等效电感；u_d，u_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电压分量；i_d，i_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；R是永磁同步电动机定子的电阻；e_d，e_q为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ω_e为永磁同步电动机的电角速度。

所述电磁转矩方程，具体为：

其中，P为永磁同步电动机的极对数；L_d，L_q为dq轴等效电感；i_d，i_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；e_d，e_q为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ω_m为永磁同步电动机的机械角速度。

所述运动方程，具体为：

其中：

ω_e＝Pω_m

式中，J为永磁同步电动机的转动惯量；Te为永磁同步电动机的电磁转矩；T_L为永磁同步电动机的负载转矩；B为永磁同步电动机的摩擦系数；θ_e为永磁同步电动机的电角度；ω_e为永磁同步电动机的电角速度，ω_m为永磁同步电动机的机械角速度；P为永磁同步电动机的极对数。

然后，将电动机定子电压方程，电磁转矩方程和运动方程做离散化处理，其中，

定子电压离散化方程为：

电磁转矩离散化方程为：

运动方程离散化为：

电动机转速n与机械角速度ω_m的关系为：

式中x(k)和x(k+1)分别表示当前和下一周期的电动机状态量，h为离散化的计算步长，即每一步控制的间隔时间。

步骤3、电动机模拟器启动时刻为离散方程解算的第0周期，第0周期时设定初始值ω_m(0)＝0，ω_e(0)＝0，θ_e(0)＝0，i_d ^*(0)＝0，i_q ^*(0)＝0。

步骤4、检测第0周期时电机驱动器输出三相电压u_a(0)，u_b(0)，u_c(0)，经坐标变换并结合第0周期的电角度θ_e(0)得到交直轴电压分量u_d(0)，u_q(0)；

步骤5、根据第0周期的电角度θ_e(0)，查反电势表e′_a(θ_e)，e′_b(θ_e)，e′_c(θ_e)得到对应的单位转速反电势值，利用永磁同步电动机反电势模块得到第0周期电动机的反电势e_a(0)，e_b(0)，e_c(0)，经坐标变换并结合当前周期的电角度θ_e(0)转换成交直轴反电势分量e_d(0)，e_q(0)。

步骤6、检测第0周期时输出三相电流i_a(0)，i_b(0)，i_c(0)经坐标变换模块并结合电角度θ_e(0)计算得到第0周期的交直轴电流分量i_d(0)，i_q(0)。

步骤7、将步骤3、4、5所得的交直轴电压分量u_d(0)，u_q(0)、交直轴反电势分量e_d(0)，e_q(0)及角度转速代入步骤2建立数学模型中离散的电压方程解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq电流i_d(1)，i_q(1)，将此电流作为下一周期闭环控制的指令电流i_d ^*(1)，i_q ^*(1)，通过电磁转矩方程及运动方程解算出下一周期的机械角速度ω_m(1)、电角度θ_e(1)及电机转速n(1)用于计算下一周期的电动机反电势及进行坐标变换所需的电角度信息。

步骤8、将上一周期根据永磁同步电动机数学模型已经解算完成的dq轴电流作为当前周期的指令电流，本实施例中由于第0周期不存在上一周期的电流，故将当前周期闭环控制的指令电流i_d ^*(0)及i_q ^*(0)作为指令电流与步骤6得到的交直轴电流分量i_d(0)，i_q(0)，进行闭环调节控制，及将控制结果u′_d，u′_q经过帕克反变换后的输出电压u_α，u_β通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出指令电流i_d ^*(1)，i_q ^*(1)。

步骤9、此后进行第1,2...k周期控制时，每步控制周期内均重复步骤4-8，直至结束。

其中，所述步骤5中，电动机交直轴反电势分量e_d，e_q含有高次谐波；

公式中，θ_e为永磁同步电动机的电角度,n为谐波次数；e_d0、e_q0为永磁同步电动机dq轴反电势的直流分量；

为永磁同步电动机dq轴反电势的高频分量。

以及，图2是本发明中重复控制器重复控制的实现框图；其中，r为周期参考信号，y为输出信号。重复控制之所以能提高系统的控制精度，是因为加到被控对象的输入信号除偏差信号外，还叠加了一个“以往周期的控制偏差”，该偏差是上一个周期该时刻的控制偏差。把上一次运行时的偏差反映到现在，和“现在的偏差”一起加到被控对象，这种控制方式，偏差重复被利用。经过几个周期的重复控制之后可以大大提高系统的跟踪精度，改善系统品质。这种控制方式不仅适用于跟踪周期性输入信号，也可抑制周期性干扰。

图3是本发明所述的电动机三相反电势的建模框图。其中e′_a，e′_b，e′_c为通过真实电机测得的非正弦永磁同步电机在单位转速n下的反电势表。将非正弦永磁同步电动机数学模型解算出的电角度θ_e作为反电势建模模块的输入，将θ_e求导得到电动机的电角速度ω_e。ω_e除以电机极对数P得到电机机械角速度ω_m，ω_m乘以30除以π得到实时电动机的机械转速n。n与单位转速下的反电势表相乘得到实时电动机反电势e_a，e_b，e_c。

图4是本发明所述的单位转速下电动机反电势表的波形图，从图中可以得到在单位转速下电动机从电角度0到360度时的反电势信息e′_a、e′_b、e′_c，e′_a、e′_b、e′_c基波为正弦波，其上还叠加了高次谐波。

综上，本发明电动机模拟器及控制方法，能有效的模拟非线性反电势情况下，永磁同步电动机的电流含有高次谐波的各种工况的运行特性，且所提控制方法能实现对高次谐波电流所含有的高频信号进行无静差跟踪，对非线性永磁同步电动机结构的优化设计、驱动器的设计及调试和电机特性测试都能起到重要作用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表；

在永磁同步电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机的数学模型，并对模型进行离散化处理；其中，所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程，具体为：

其中，L_d，L_q为dq轴等效电感；u_d，u_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电压分量；i_d，i_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；R是永磁同步电动机定子的电阻；e_d，e_q为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ω_e为永磁同步电动机电动机的电角速度；

所述非线性永磁同步电动机数学模型包括电磁转矩方程，具体为：

其中，P为永磁同步电动机的极对数；ω_m为永磁同步电动机的机械角速度；

所述非线性永磁同步电动机数学模型包括运动方程，具体为：

其中：

ω_e＝Pω_m

式中，J为永磁同步电动机的转动惯量；Te为永磁同步电动机的电磁转矩；T_L为永磁同步电动机的负载转矩；B为永磁同步电动机的摩擦系数；θ_e为永磁同步电动机的电角度；

检测电机驱动器输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；根据当前周期的电角度和电动机反电势表中的反电势数据，获取永磁同步电动机当前周期的三相反电势，经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成交直轴反电势分量；

将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为非线性永磁同步电动机数学模型的输入，运用所述模型解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴电流并将其作为下一周期闭环控制的指令电流，并利用模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电动机转速，用于计算下一周期的永磁同步电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度；

检测三相全桥变换器输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；及将上一周期根据模型所解算出的dq轴电流作为当前周期的指令电流，并对当前周期的指令电流和交直轴电流分量的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。

2.根据权利要求1所述一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于：所述方法中交直轴反电势分量含有高次谐波，具体为：

其中，e_d，e_q为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；θ_e为永磁同步电动机的电角度；n为谐波次数；e_d0、e_q0为永磁同步电动机dq轴反电势的直流分量；

为永磁同步电动机dq轴反电势的高频分量。

3.一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，其特征在于，包括：电机驱动器、坐标变换模块、反电势建模模块、非线性永磁同步电动机建模模块、电流调节器、三相全桥变换器、SVPWM调制模块；

其中，所述电机驱动器，用于输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；

所述三相全桥变换器，用于输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；

所述反电势建模模块，用于获取当前周期的三相反电势经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成的交直轴反电势分量；

所述非线性永磁同步电动机建模模块，用于建立非线性永磁同步电动机数学模型，及将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为输入，利用所建立的模型解算出永磁同步电动机下一周期的dq轴电流并将此电流作为下一周期的指令电流，且利用所建立的模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电机转速，用于计算下一周期的电机反电势和提供坐标变换所需的电角度；其中，所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程，具体为：

其中，L_d，L_q为dq轴等效电感；u_d，u_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电压分量；i_d，i_q分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；R是永磁同步电动机定子的电阻；e_d，e_q为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ω_e为永磁同步电动机电动机的电角速度；

所述非线性永磁同步电动机数学模型包括电磁转矩方程，具体为：

其中，P为永磁同步电动机的极对数；ω_m为永磁同步电动机的机械角速度；

所述非线性永磁同步电动机数学模型包括运动方程，具体为：

其中：

ω_e＝Pω_m

式中，J为永磁同步电动机的转动惯量；Te为永磁同步电动机的电磁转矩；T_L为永磁同步电动机的负载转矩；B为永磁同步电动机的摩擦系数；θ_e为永磁同步电动机的电角度；

所述电流调节器，用于将所述交直轴电流分量与当前周期指令电流的差值进行闭环控制调节，其输出结果经过帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。

4.根据权利要求3所述考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，其特征在于，所述电流调节器包括串联连接的PI控制器与重复控制器。

5.根据权利要求3所述考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，其特征在于，所述交直轴反电势分量含有高次谐波。

6.根据权利要求3所述考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，其特征在于，还包括用于检测输出三相电压的电压传感器。

7.根据权利要求3所述考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，其特征在于，还包括用于检测输出三相电流的电流传感器。

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