CN108418491B - 基于简化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
基于简化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简化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，通过引入偏移电压矢量概念，将电压选择的过程在不随电容电压波动而变化的理想电压矢量平面中实现，使评估函数能在正交的理想电压矢量平面中进行扇区判断，避免了复杂的三角函数计算，同时预测计算次数减少，电压矢量选择过程得到简化，系统计算负担降低。本发明的优点在于引入偏移电压矢量的概念，选择最优开关信号时消去电容电压波动的影响，算法的优化使预测计算的次数减少，系统计算负担降低，提高了系统动态响应速度，电机运行可靠。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于简化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
电机系统驱动控制部分常采用三相六开关电压源逆变器，系统长期运行时开关器件难免发生故障造成电机某相绕组开路。缺相运行的电机输出转矩波动大，机械噪音恶化，整体性能降低，因此有必要研究故障运行下的电机控制策略。三相四开关电压源逆变器是在故障拓扑结构基础上将故障相接入两电容之间构成新的拓扑结构以实现电机容错运行，该拓扑优势体现在不需增加额外开关器件，结构简单，硬件成本低。
传统模型预测控制策略利用评估函数评估每个电压矢量的控制效果，并从中选取最优电压矢量，原理简单，选择准确率高，能有效降低电机转矩和磁链脉动。但由于评估函数由转矩误差和磁链误差组成，两者数量等级不一，需进行大量工程试验选择合适的权重因子平衡两者对评估函数的影响，增加了系统复杂性。公开号为CN107453664A的中国发明专利提出了一种优化算法，以磁链表示转矩使评估函数仅与磁链误差有关，从而消除评估函数权重因子影响，但该方法仍需采用遍历法将每个可选矢量代入评估函数选取最优解，系统计算负担大。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于简化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，通过引入偏移电压矢量概念，将电压选择的过程在不随电容电压波动而变化的理想电压矢量平面中实现，使评估函数能在正交的理想电压矢量平面中进行扇区判断，避免了复杂的三角函数计算，同时预测计算次数减少，电压矢量选择过程得到简化，系统计算负担降低。
一种基于简化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)采集电机的三相定子电流ia～ic、转子位置角θr、转速ωr以及三相四开关逆变器中A相上桥臂电容电压VC1和A相下桥臂电容电压VC2；
(2)根据步骤(1)中采集到的信息计算出电机的磁链补偿量以及磁链给定矢量
(3)根据电容电压VC1和VC2确定偏移电压矢量Voffset，进而结合dq坐标系下的磁链给定矢量计算出电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset；
(4)根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset从四组有效电压矢量V1(00)、V2(10)、V3(11)、V4(01)中选择一组作为最佳电压矢量，并对三相四开关逆变器施加最佳电压矢量所对应的开关信号以控制电机系统。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链补偿量
Δia＝KpΔVDC
其中：ΔVDC为直流偏置量，Δia为故障相补偿电流，s为拉普拉斯算子，Kp为设定的比例增益系数，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链给定矢量
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，为电机转矩给定量，j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式确定偏移电压矢量Voffset：
Voffset＝(VC2-VC1)/3+j·0
其中：j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset：
ψs,dq|offset＝ψs,dq0+(cosθr-jsinθr)·Voffset·ts
ψs,αβ|offset＝(cosθr+jsinθr)ψs,dq|offset
其中：ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，ψs,dq0为电机在dq坐标系下的定子磁链矢量，ψs,dq|offset为电机在dq坐标系下的磁链误差矢量,ψs,αβ|offset为电机在αβ坐标系下的磁链误差矢量,为αβ坐标系下的磁链给定矢量，j为虚数单位。
进一步地，所述定子磁链矢量ψs,dq0的表达式如下：
ψs,dq0＝(1-Rsts/Ld)ψd|k+ωrtsψq|k+RsΨfts/Ld+j(-ωrtsψd|k+(1-Rsts/Lq)ψq|k)
其中：Rs为电机的定子电阻，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψd|k和ψq|k分别为电机定子磁链的d轴分量和q轴分量，Ψf为电机的转子永磁体磁链。
进一步地，所述步骤(4)中根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset选择最佳电压矢量的标准如下：
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V1(00)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V2(10)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V3(11)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V4(01)作为最佳电压矢量；
其中：Δψs,α|offset和Δψs,β|offset分别为偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset的α轴分量和β轴分量，ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，Vdc为逆变器的直流母线电压。
进一步地，所述步骤(4)中的有效电压矢量V1(00)对应的BC两相开关信号分别为0、0，即表示逆变器B相下桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V2(10)对应的BC两相开关信号分别为1、0，即表示逆变器B相上桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V3(11)对应的BC两相开关信号分别为1、1，即表示逆变器B相上桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V4(01)对应的BC两相开关信号分别为0、1，即表示逆变器B相下桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通。
本发明的优点在于引入偏移电压矢量的概念，选择最优开关信号时消去电容电压波动的影响，算法的优化使预测计算的次数减少，系统计算负担降低，提高了系统动态响应速度，电机运行可靠。
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为本发明简化模型预测系统的控制框图。
图3为稳态运行时电机的转速、电磁转矩、磁链幅值和定子电流波形图。
图4为稳定运行时电机α-β轴定子磁链矢量轨迹示意图。
图5为突变速度给定实验波形图。
图6为突变转矩给定实验波形图。
图7为负载干扰下电机的转矩和转速波形图。
图8(a)为比例控制系数K＝0.03情况下逆变器的直流母线电容电压波形图。
图8(b)为比例控制系数K＝0.05情况下逆变器的直流母线电容电压波形图。
图9(a)为采用传统模型预测转矩控制方法的计算时间波形图。
图9(b)为采用模型预测磁链控制方法的计算时间波形图。
图9(c)为采用本发明简化模型预测磁链控方法的计算时间波形图。
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，在三相四开关永磁同步电机系统中，电机的bc两相接正常开关桥臂，a相接直流侧的电容中性点。如图2所示，本发明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)利用编码器测得永磁同步电机1的转子电角度θr并经微分处理模块2得到转子电角速度ωr，利用电流传感器采集三相定子电流Is(ia～ic)，利用电容电压传感器采集直流侧电容电压VC1、VC2。
(2)经磁链补偿器模块3将直流母线电容电压VC1、VC2、电机转速ωr作为输入得到电容中点电压的直流偏置量ΔVdc并经比例控制获得故障相补偿电流Δia再基于公式得到磁链给定补偿具体计算公式如下：
Δia＝KpΔVdc
(3)给定转速ωref与电机转速ωr经PI调节器得到给定转矩将磁链给定补偿与给定转矩作为给定磁链计算模块4输入得到给定磁链具体计算公式如下：
(4)将直流母线电容电压VC1、VC2作为偏移电压矢量计算模块5的输入得到偏移电压矢量Voffset，具体计算公式如下：
Voffset＝(VC2-VC1)/3+j·0
(5)将偏移电压矢量Voffset与三相定子电流Is和电机转速ωr作为计算偏移磁链矢量误差模块6的输入得到偏移磁链误差矢量ΔΨs,αβ|offset，具体计算公式如下：
ψs,dq0＝(1-Rsts/Ld)ψd|k+ωrtsψq|k+Rsψfts/Ld+j(-ωrtsψd|k+(1-Rsts/Lq)ψq|k)
ψs,dq|offset＝ψs,dq0+(cosθr-jsinθr)·Voffset·ts
ψs,αβ|offset＝(cosθr+jsinθr)ψs,dq|offset
(6)将ΔΨs,αβ|offset作为输入根据简化模型预测控制思想选择最佳电压矢量，偏移磁链误差矢量扇区判断和不同扇区下选择的最优电压矢量在表1中罗列出。
表1
(7)将选择的最佳电压矢量输入到开关信号生成模块7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7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)为验证本发明提出的简化模型预测控制在三相四开关逆变器驱动的永磁同步电机系统中的有效性，通过搭建实验平台上进行实验验证研究，试验参数如表2所示。系统的控制周期设置为50μs。
表2
图3所示了电机以500rpm运行的速度稳态运行时的实验波形，波形从上到下分别是电机转速、电磁转矩、磁链幅值和定子电流，可以看出此时电机运行平稳，转矩和磁链幅值脉动小，定子电流也较为正弦。图4所示了电机稳定时，定子磁链矢量在静止坐标系下的运动轨迹，此时定子磁链运行的轨迹是一个标准的磁链圆，可以看出电机可靠运行。
图5所示了简化模型预测磁链控制下电机系统的转速给定突变实验波形，此时速度给定从500rpm到1000rpm阶跃，图6所示了转矩给定发生阶跃时电机系统的实验波形。
图7所示了电机系统的负载干扰实验波形，从转矩和转速的波形上看，当负载发生变化时，电机实际转矩能很好地跟上发生变化的转矩给定；从转速的波形上看，转速在负载发生变化时会有波动，但能马上恢复到给定转速。简化模型预测磁链控制下的电机系统和基于模型预测磁链控制的电机系统的都具有较强的抗干扰性。
图8(a)和图8(b)给出了直流母线电容电压的控制实验波形，由于都采用了自适应滤波器对电容电压进行提取直流量，可以看出与模型预测磁链控制下的电容电压平衡控制的效果一致。在电容电压直流偏置消除后，不会对系统的运行造成干扰，从而电容电压控制效果也比传统模型预测转矩控制要好。
图9(a)～图9(c)分别给出了传统模型预测转矩控制，模型预测磁链控制以及简化模型预测磁链控制三种控制方法的计算时间tcal，tcal包括状态量预测计算和电压矢量选择过程。从波形上可以看出，本发明提出的简化模型预测磁链控制算法在计算时间上明显少于传统模型预测转矩控制和模型预测磁链控制，这也意味着，当采用本发明提出的简化模型预测磁链控制算法，在条件允许的情况下，系统的采样频率允许有更高的提升空间。
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 (7)
1.一种基于简化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)采集电机的三相定子电流ia～ic、转子位置角θr、转速ωr以及三相四开关逆变器中A相上桥臂电容电压VC1和A相下桥臂电容电压VC2；
(2)根据步骤(1)中采集到的信息计算出电机的磁链补偿量以及磁链给定矢量
(3)根据电容电压VC1和VC2确定偏移电压矢量Voffset，进而结合dq坐标系下的磁链给定矢量通过以下公式计算出电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset；
ψs,dq|offset＝ψs,dq0+(cosθr-jsinθr)·Voffset·ts
ψs,αβ|offset＝(cosθr+jsinθr)ψs,dq|offset
其中：ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，ψs,dq0为电机在dq坐标系下的定子磁链矢量，ψs,dq|offset为电机在dq坐标系下的磁链误差矢量,ψs,αβ|offset为电机在αβ坐标系下的磁链误差矢量,为αβ坐标系下的磁链给定矢量，j为虚数单位；
(4)根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset从四组有效电压矢量V1(00)、V2(10)、V3(11)、V4(01)中选择一组作为最佳电压矢量，并对三相四开关逆变器施加最佳电压矢量所对应的开关信号以控制电机系统。
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)中通过以下公式计算电机的磁链补偿量
Δia＝KpΔVDC
其中：ΔVDC为直流偏置量，Δia为故障相补偿电流，s为拉普拉斯算子，Kp为设定的比例增益系数，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，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(2)中通过以下公式计算电机的磁链给定矢量
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，为电机转矩给定量，j为虚数单位。
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(3)中通过以下公式确定偏移电压矢量Voffset：
Voffset＝(VC2-VC1)/3+j·0
其中：j为虚数单位。
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：所述定子磁链矢量ψs,dq0的表达式如下：
ψs,dq0＝(1-Rsts/Ld)ψd|k+ωrtsψq|k+RsΨfts/Ld+j(-ωrtsψd|k+(1-Rsts/Lq)ψq|k)
其中：Rs为电机的定子电阻，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψd|k和ψq|k分别为电机定子磁链的d轴分量和q轴分量，Ψf为电机的转子永磁体磁链。
6.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)中根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset选择最佳电压矢量的标准如下：
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V1(00)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V2(10)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V3(11)作为最佳电压矢量；
当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V4(01)作为最佳电压矢量；
其中：Δψs,α|offset和Δψs,β|offset分别为偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset的α轴分量和β轴分量，ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，Vdc为逆变器的直流母线电压。
7.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)中的有效电压矢量V1(00)对应的BC两相开关信号分别为0、0，即表示逆变器B相下桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V2(10)对应的BC两相开关信号分别为1、0，即表示逆变器B相上桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V3(11)对应的BC两相开关信号分别为1、1，即表示逆变器B相上桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V4(01)对应的BC两相开关信号分别为0、1，即表示逆变器B相下桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通。
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