CN108649852A - 一种改进电流环的永磁同步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进电流环的永磁同步电机控制方法，计算确定永磁同步电机q轴电流指令值；将电机定子端三相电流信号转换为旋转两相dq坐标轴系下的电流信号；确定不同开关状态下的电机定子dq轴电流变化率：计算确定零矢量和有效电压矢量的作用时间：确定定子电流预测值：确定使约束函数取得最小值的驱动变换器abc三相开关状态：将得到的开关状态输送至永磁同步电机驱动变换器以驱动永磁同步电机。本发明实现了在较低的开关频率条件下，获得与传统矢量控制相同的稳态性能和更好的动态性能的控制目标，降低了永磁同步电机驱动变换器的损耗，提高了驱动变换器的效率和可靠性。

Description

一种改进电流环的永磁同步电机控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种改进电流环的模型预测永磁同步电机控制方法。

背景技术

随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电机因其功率密度高、驱动能力强、运行可靠等特点得到了广泛的关注。在一些具有高性能要求的领域，如航空、汽车以及轨道交通等领域中，永磁同步电机正发挥着越来越重要的作用。

目前在永磁同步电机控制领域，传统矢量控制方法得到了广泛的应用。矢量控制基于坐标变换，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，从而对电机磁场和电磁转矩进行解耦控制。传统矢量控制方法具有精度高、稳态性能好的优点，但由于存在积分饱和问题，使其动态响应性能较差；且无法考虑永磁同步电机的运行约束等特点，进一步限制了其在高运行性能领域的应用。因此人们提出了引入基于估算电机磁链和转矩的直接转矩控制方法。直接转矩控制方法基于计算得到的电机磁链和转矩，来控制电机定子磁链从而直接控制永磁同步电机的输出转矩，该方法具有良好的动态性能。但转矩波动大，稳态性能较差，虽然可以通过矢量合成的方法改善转矩波动，但相应的增大了永磁同步电机驱动变换器的开关频率，降低了驱动系统的效率。

模型预测控制技术基于系统模型实时计算出所需变量的预测值，并根据预设的指标函数滚动优化出最优解。其具有控制思想简单，控制方式灵活，无需参数整定的特点，且易于考虑系统运行约束。因此在交流系统调速领域，模型预测控制越来越受到人们的重视。目前，国内外学者已对适用于永磁同步电机的模型预测控制技术开展了研究，如已公开的下列文献：

(1)王东文,李崇坚,吴尧,佟宁泽.永磁同步电机的模型预测电流控制器研究[J].电工技术学报,2014,29(S1):73-79.

(2)张永昌,杨海涛,魏香龙.基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制[J].电工技术学报,2016,31(6):66-73.

文献(1)采用电流预测优化控制的方法实现了对电流的前馈和反馈控制，消除了永磁同步电机d轴和q轴电流的非线性耦合，获得了比传统矢量控制更好的动态性能；但此方法增加了控制系统的复杂性和对永磁同步电机定子参数的依赖，同时，此方法将计算得到的电压矢量直接输出，失去了模型预测控制方法易于考虑系统运行约束这一优势。

文献(2)提出以最小化电压矢量跟踪误差代替最小化电流矢量跟踪误差来降低算法的复杂度和计算量。该方法仅需一次预测即可选出最优电压矢量，但由于控制精度较低，无法获得较好的稳态控制效果，且并没有考虑将开关频率纳入约束方程中。

发明内容

针对现有控制技术的不足，本发明的目的在于提供一种改进电流环的模型预测永磁同步电机控制方法。该方法基于三矢量模型预测控制的原理，获得了与传统矢量控制相同的静态效果和更好的动态效果；同时，提出了计及驱动变换器开关频率的约束函数，从而降低了永磁同步电机驱动变换器的开关频率，提高了可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种改进电流环的永磁同步电机控制方法，本方法涉及对永磁同步电机驱动变换器的控制；具体控制步骤如下，

1)采集永磁同步电机定子端三相电流信号i_sabc、电机转速ω及直流母线电压u_dc；

2)将永磁同步电机转速指令值ω^*和对应的反馈量ω之差送至驱动变换器q轴电流指令值计算模块，按照下式确定永磁同步电机q轴电流指令值

式中，k_p和τ_i分别为q轴电流指令值计算模块PI调节器的比例系数和积分时间常数；

3)将电机转速ω积分得到电机转子转角θ，采用转子磁场定向的方法，利用θ将步骤1)采集得到的电机定子端三相电流信号i_sabc经过静止三相abc坐标轴系到旋转两相dq坐标轴系的坐标变换，转换为旋转两相dq坐标轴系下的电流信号i_sd、i_sq；

4)将电压矢量和步骤3)得到的电机电流信号i_sd、i_sq输入电机定子电流变化率计算模块，按照下式确定永磁同步电机驱动变换器不同开关状态下的电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}：

式中，R_s为永磁同步电机定子电阻，L_sd、L_sq为永磁同步电机定子dq轴电感参数，Ψ_f为永磁体磁链，为当前时刻永磁同步电机dq轴定子电流，ω^k是当前时刻的永磁同步电机转速，u_{sd_ij}、u_{sq_ij}为永磁同步电机dq轴定子电压，i＝0,1,2代表零电压矢量和有效电压矢量，j＝1,2…6代表6组电压矢量扇区；

5)将永磁同步电机d轴电流指令值和步骤2)、步骤4)得到的永磁同步电机q轴电流指令值i^* _sq、电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}输送至电压矢量作用时间计算模块，由下式确定零矢量和有效电压矢量的作用时间t_0j、t_1j、t_2j：

式中，T_s为永磁同步电机驱动变换器的控制周期；

6)将步骤5)中计算得到的电压矢量作用时间t_0j、t_1j、t_2j及对应的dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}输入电流预测值计算模块，由下式确定定子电流预测值

7)将永磁同步电机dq轴电流指令值步骤6)得到的电机定子电流预测值及驱动变换器当前控制周期的abc三相开关状态输入电压矢量选择模块，按下式选择使约束函数取得最小值的驱动变换器abc三相开关状态

式中，λ为开关频率的加权因子，为电压矢量决定的下一周期驱动变换器abc三相的开关状态；

8)将步骤7)得到的开关状态输送至永磁同步电机驱动变换器以驱动永磁同步电机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实现了在较低的开关频率条件下，获得与传统矢量控制相同的稳态性能和更好的动态性能的控制目标，降低了永磁同步电机驱动变换器的损耗，提高了驱动变换器的效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明所述控制方法的结构框图。

图2为传统矢量控制与本发明所述方法的仿真对比图。

图3为永磁同步电机负载转矩阶跃条件下，采用传统矢量控制与本发明所述方法的动态响应对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

本发明所述的永磁同步电机模型预测控制系统，其结构框图见图1，它包括的控制对象有：直流链电容1，永磁同步电机驱动变换器2，电压传感器3，电流传感器4，码盘5，转速积分模块6，永磁同步电机7,计算模块8，电压矢量选择模块9，三相静止到两相旋转变换模块10，电压矢量作用时间计算模块11，电流预测模块12。

本发明的具体实施步骤如下：

1)给定电机d轴电流指令值和电机转速指令值ω^*；

2)通过电流传感器4、码盘5、电压传感器3分别采集永磁同步电机定子端三相电流i_sabc、电机转速ω以及直流母线电压u_dc；

3)将步骤1)给定的永磁同步电机转速指令值ω^*和步骤2)采集到的转速反馈量ω输送至计算模块8，按照下式确定永磁同步电机q轴电流指令值

式中，k_p和τ_i分别为电流指令值计算模块PI调节器的比例系数和积分时间常数；

4)将步骤2)采集得到的电机转速信号ω输入转速积分模块6，得到电机转子转角θ；

5)采用转子磁场定向的方法，将步骤2)得到的电机定子电流i_sabc和步骤4)得带的电机转子转角θ输入三相静止到两相旋转变换模块10，得到永磁同步电机定子电流i_sd、i_sq分量；

6)将电压矢量和步骤5)得到的永磁同步电机定子电流i_sd、i_sq分量带入电流预测模块12，按照下式确定永磁同步电机驱动变换器不同开关状态下的电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}：

式中，R_s为永磁同步电机定子电阻，L_sd、L_sq为永磁同步电机定子dq轴电感参数，Ψ_f为永磁体磁链，为当前时刻电机dq轴定子电流，ω^k是当前时刻的永磁同步电机转速，u_{sd_ij}、u_{sq_ij}为永磁同步电机dq轴定子电压，i＝0,1,2代表零电压矢量和有效电压矢量，j＝1,2…6代表6组电压矢量扇区；

7)将步骤1)、3)得到的永磁同步电机定子电流指令值及步骤6)计算得出的电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}输入电压矢量作用时间计算模块11，按照下式确定电压矢量作用时间t_0j、t_1j、t_2j：

式中，T_s为永磁同步电机驱动变换器的控制周期；

8)将步骤7)中计算得到的电压矢量作用时间t_0j、t_1j、t_2j及对应的电压矢量输入电流预测模块12，按照下式确定相应的定子电流预测值

9)将步骤8)、步骤1)、步骤3)中得到的电流预测值永磁同步电机定子电流指令值带入电压矢量选择模块9，按照下式选择使约束函数取得最小值的驱动变换器abc三相的开关状态

式中，λ为开关频率的加权因子，为本控制周期驱动变换器abc三相开关状态；S、为电压矢量决定的下一周期驱动变换器abc三相的开关状态；

10)将步骤9)中得到的开关状态输送至永磁同步电机驱动变换器2以驱动永磁同步电机7。

本发明效果说明：

图2为在Matlab/Simulink仿真环境下，采用开关频率为5kHz的传统矢量控制与采用开关频率为2.5kHz的本发明所述控制方法的仿真对比图。其中，图2(a)、2(b)分别为电机负载转矩为5N·m时，采用传统矢量控制方法与本发明所述方法的永磁同步电机定子电流波形，图2(c)、2(d)分别为电机负载转矩为5N·m时，采用传统矢量控制方法与本发明所述方法的永磁同步电机电磁转矩波形，图2(e)、2(f)为实时统计的采用传统矢量控制和本发明所述控制方法的驱动变换器开关频率，图2(g)、2(h)分别为电机负载转矩为5N·m时，采用传统矢量控制与本发明所述控制方法的电机定子电流FFT分析。由图2可得，采用传统矢量控制方法时，永磁同步电机的转矩脉动峰峰值为0.4N·m，定子电流波形精度较高，其THD为1.33％；而采用本发明所述方法时，永磁同步电机转矩脉动峰峰值同样约为0.4N·m，其定子电流THD为1.39％。综上，可以看出采用本发明所述控制方法可获得与传统矢量控制相同的稳态控制效果，且可以大幅降低驱动变换器的开关频率，有效提高了变换器的效率和可靠性。

图3为永磁同步电机负载转矩由5N·m阶跃至10N·m时，采用传统矢量控制与本发明所述控制方法的电机电磁转矩动态响应波形。其中，图3(a)为采用传统矢量控制的响应波形，图3(b)为采用本发明所述方法的响应波形。由图3可得，当采用本发明所述控制方法时，永磁同步电机的动态响应能力有所提高，其电磁转矩响应时间缩短了0.0005s。综上，可以看出采用本发明所述控制方法可获得比传统矢量控制更好的动态性能。

综上所述，本发明所述的一种改进电流环的模型预测永磁同步电机控制方法具有以下优点：1)获得与传统矢量控制方法相同的稳态性能和更好的动态性能，2)能有效减小永磁同步电机驱动变换器的开关频率，提高系统的可靠性和运行效率。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种改进电流环的永磁同步电机控制方法，其特征在于：本方法涉及对永磁同步电机驱动变换器的控制；具体控制步骤如下，

1)采集永磁同步电机定子端三相电流信号i_sabc、电机转速ω及直流母线电压u_dc；

2)将永磁同步电机转速指令值ω^*和对应的反馈量ω之差送至驱动变换器q轴电流指令值计算模块，按照下式确定永磁同步电机q轴电流指令值

式中，k_p和τ_i分别为q轴电流指令值计算模块PI调节器的比例系数和积分时间常数；

3)将电机转速ω积分得到电机转子转角θ，采用转子磁场定向的方法，利用θ将步骤1)采集得到的电机定子端三相电流信号i_sabc经过静止三相abc坐标轴系到旋转两相dq坐标轴系的坐标变换，转换为旋转两相dq坐标轴系下的电流信号i_sd、i_sq；

4)将电压矢量和步骤3)得到的电机电流信号i_sd、i_sq输入电机定子电流变化率计算模块，按照下式确定永磁同步电机驱动变换器不同开关状态下的电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}：

式中，R_s为永磁同步电机定子电阻，L_sd、L_sq为永磁同步电机定子dq轴电感参数，Ψ_f为永磁体磁链，为当前时刻永磁同步电机dq轴定子电流，ω^k是当前时刻的永磁同步电机转速，u_{sd_ij}、u_{sq_ij}为永磁同步电机dq轴定子电压，i＝0,1,2代表零电压矢量和有效电压矢量，j＝1,2…6代表6组电压矢量扇区；

5)将永磁同步电机d轴电流指令值和步骤2)、步骤4)得到的永磁同步电机q轴电流指令值电机定子dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}输送至电压矢量作用时间计算模块，由下式确定零矢量和有效电压矢量的作用时间t_0j、t_1j、t_2j：

式中，T_s为永磁同步电机驱动变换器的控制周期；

6)将步骤5)中计算得到的电压矢量作用时间t_0j、t_1j、t_2j及对应的dq轴电流变化率Δ_{sd_ij}、Δ_{sq_ij}输入电流预测值计算模块，由下式确定定子电流预测值

7)将永磁同步电机dq轴电流指令值步骤6)得到的电机定子电流预测值及驱动变换器当前控制周期的abc三相开关状态输入电压矢量选择模块，按下式选择使约束函数取得最小值的驱动变换器abc三相开关状态

式中，λ为开关频率的加权因子，为电压矢量决定的下一周期驱动变换器abc三相的开关状态；

8)将步骤7)得到的开关状态输送至永磁同步电机驱动变换器以驱动永磁同步电机。