CN109802615A - 双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法和设备。该方法首先通过电流无差拍原理计算出电机的参考电压矢量,根据参考电压矢量的位置可确定第一逆变器的电压矢量,通过电机电压矢量与逆变器电压矢量之间的关系可以计算得到第二个逆变器的参考电压矢量。根据第二逆变器参考电压矢量在其六边形内的位置确定两个非零矢量,从而得到第二逆变器候选电压矢量的范围和数目,将所述第二逆变器电压矢量的两两组合,通过计算确定最优的矢量组合。最后将第一逆变器的电压矢量和第二逆变器的电压矢量组合输出。从而有效地抑制绕组开路永磁同步电机电流预测时的零序电流,减小电流脉动,提高稳态性能。降低测试成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域,特别是指一种基于双矢量绕组开路永磁同步 电机电流预测控制方法和设备。
背景技术
双边可控开绕组永磁同步发电机系统(OW-PMSG)因为其容错性能好、 控制方式灵活和多电平调制效果受到越来越多的关注。但是,共直流母线拓 扑结构提供了零序电流通路,使系统中存在了零序电流。零序电流会增加系 统损耗和增大转矩脉动,降低整个系统的效率。因此,要想尽可能地消除零 序电流,需要直接抑制零序电流。
通常电流预测是通过当前电流值通过数学模型预测下一时刻的电流。对 于一个两电平逆变器,有八种开关状态对应八个电压矢量,包括六个非零电 压矢量和两个零电压矢量。因此,双逆变器共有8x8=64种开关状态组合,与 三电平逆变器电压矢量分布相同。由于有些组合形成的电压矢量相同,双逆 变器共有19个不同的电压矢量,其中18个非零矢量和1个零矢量。双逆变 器共有19个不同的电压矢量,要是从这19个电压矢量中通过枚举法选出最 优矢量将增加整个控制算法在实际应用中的计算量。而且传统矢量控制方法 中变频器参数的调节多且复杂,并且共直流母线双边可控开绕组永磁同步发 电机系统中存在的零序电流不易控制,电流脉动高等问题。
发明内容
为了有效地抑制共直流母线拓扑绕组开路永磁同步电机的零序电流,减 小电流脉动,提高稳态性能,同时减少计算量。本发明的目的在于提出一种 基于双矢量绕组开路永磁同步电机的电流预测控制方法和设备。
基于上述目的,本发明提供了一种基于双矢量绕组开路永磁同步电机电 流预测控制方法,其特征在于,包括:
根据电流无差拍控制原理在同步旋转坐标系上计算电机参考电压矢量;
根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度,从 而得到所述电机参考电压矢量的位置,根据所述电机参考电压矢量的位置确 定第一逆变器的电压矢量;
根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二 逆变器的参考电压矢量;
再根据所述第二逆变器的参考电压矢量在其形成的矢量六边形内的位置, 获得至少两个非零矢量,从而确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数 量;
在所述第二逆变器的候选电压矢量中进行电压矢量两两组合;计算在一 个周期内每种组合两个候选电压矢量分别作用时间;
再根据所述时间计算得到预测电流;当所述预测电流目标函数的值最小, 所用的预测电流所对应的电压矢量组合被选为第二逆变器的电压矢量组合;
将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的最优电压矢量组合分 别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方 程式为:
其中,udref,uqref和u0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0 轴上的参考电压矢量;id,iq和i0分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q 轴和0轴上的电流分量;id *,iq *和i0 *分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、 q轴和0轴上的参考电流分量;R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互 感;Ld,Lq分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量,对于凸极电机来 说,Ld=Lq=L;L0=L-2M代表零序电感;ω,θ,Ψf1,Ψf3,k分别为电角速度, 转子位置角,基波转子磁链,转子磁链三次谐波分量和时间点;Ts表示采样 时间。
所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克变换成两相静止坐标 系的参考电压矢量的方程为:
其中,uαref和uβref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电 压矢量;udref和uqref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考 电压矢量;θ为转子位置角。
根据所述电机在静止坐标系上α轴和β轴的参考电压矢量,则电机参考 电压矢量的位置角度的计算公式为:
其中,θ1为所述电机参考电压矢量的位置角度;uαref和uβref分别表示电 机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量。
将双逆变器电压矢量分布的整个平面划分为六个扇区,根据所述电机参 考电压矢量的位置角度θ1确定所在的扇区;再根据与所述电机参考电压矢 量uref距离最近的非零矢量,确定第一逆变器的电压矢量u1。
根据所述电机参考电压矢量的方程式得到第二逆变器的参考电压矢量的 参数uref2;再结合第一逆变器的电压矢量u1,根据公式uref2=u1-uref,得到 所述第二逆变器的参考电压矢量。
根据第二逆变器的参考电压矢量uref2的位置,确定第二逆变器的候选电 压矢量,包括两个非零矢量和两个零矢量。上述4个矢量,两两组合,共5 种组合方式,得到第二逆变器共有5种电压矢量组合。
所述第二逆变器的电压矢量组合中,两个矢量的作用顺序是:非零矢量 在前,零矢量在后。
预测电流idq0(k+1)与第二逆变器的第一电压矢量和第二电压矢量引起的 电流斜率相关联,同时预测电流idq0(k+1)在一个控制周期结束时跟踪参考电 流i* dq0,因此,:
式中S1表示第二逆变器第一个电压矢量与第一逆变器电压矢量共同作用 引起的电流斜率,S2表示第二逆变器第二个电压矢量与第一逆变器电压矢量 共同作用引起的电流斜率。
所选择的第二逆变器的第一电压矢量为udq0-1,其作用时间为T1,第二逆 变器的第二电压矢量为udq0-2,其作用时间为Ts-T1,第一逆变器的电压矢量为 udq0。
作用时间T1的计算公式为:
如果计算结果超过控制周期Ts,则时间T1和Ts-T1分别设置为Ts和0; 如果计算结果小于0,则时间T1和Ts-T1分别设置为0和Ts。
在确定第二逆变器的两个矢量的作用时间之后,本方法的预测模型表示 为
第二逆变器每一种电压矢量组合相应地都会计算得到一个预测电流,使 公式:
的值最小的预测电流所对应的电压矢量组合被选为第二逆变器最优矢量组合。
一种基于双参考电压的开绕组永磁电机模型预测控制的设备,包括:
电机参考电压矢量模块,根据电流无差拍控制原理在同步旋转坐标系上 计算电机参考电压矢量;
第一逆变器的电压矢量模块,根据所述电机参考电压矢量计算得到所述 电机参考电压矢量的角度,从而得到所述电机参考电压矢量的位置,根据所 述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量;
第二逆变器的参考电压矢量模块,根据所述第一逆变器的电压矢量与所 述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量;
第二逆变器的候选电压矢量模块,再根据第二逆变器的参考电压矢量, 在第二逆变器所有电压矢量形成的矢量六边形内的位置,确定所述第二逆变 器的候选电压矢量范围和数量;
第二逆变器的电压矢量组合模块,从所述第二逆变器的候选电压矢量范 围中进行两两组合,在一个周期内,通过计算获得作用时间和预测电流值, 而代入预测电流值使目标函数值最小的矢量组合,就是确定的第二逆变器电 压矢量;
输出模块,将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量 组合分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
从上面所述,本发明提供的一种基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流 预测控制方法和设备。第二逆变器在一个周期内由两个矢量合成,使得实际 形成的电压矢量更接近参考电压矢量,从而减小电流脉动,提高稳态性能以 及有效地抑制绕组开路永磁同步电机电流预测时的零序电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲, 在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法实施 例流程示意图;
图2为本发明实施例逆变器电压矢量空间分布示意图;
图3为本发明实施例双逆变器电压矢量分布示意图;
图4为本发明实施例双矢量方法第二逆变器的电压矢量分布示意图;
图5为本发明实施例的直流电压测量值、转速、相电流和零序电流示意 图;
图6为本发明实施例dq轴电流示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施 例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
需要说明的是,本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均 是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量,可见“第一”“第 二”仅为了表述的方便,不应理解为对本发明实施例的限定,后续实施例对 此不再一一说明。
电流预测是通过当前电流值通过数学模型预测下一时刻的电流。本实施 例是一种基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,如图2所示, 对于一个两电平逆变器,有八种开关状态对应八个电压矢量,包括六个非零 电压矢量和两个零电压矢量。因此,双逆变器共有8×8=64种开关状态组合, 与三电平逆变器电压矢量分布相同。两电平逆变器:第一逆变器(INV1)和第 二逆变器(INV2)产生的电压矢量空间分布相同。由于有些组合形成的电压矢 量相同,双逆变器共有19个不同的电压矢量,其中18个非零矢量和1个零 矢量。零矢量位于原点O,其他18个非零矢量分别位于三个六边形ABCDEF, HJLNQS和GIKMPR的顶点,如图3所示,矢量幅值分别为2Udc/3, Udc/3和4Udc/3。具体的方法流程如图1所示,详细如下:
步骤101,根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参 考电压矢量,同步旋转坐标是非静止的坐标系,所以在所述同步旋转坐标系 上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为:
其中,udref,uqref和u0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0 轴上的参考电压矢量;id,iq和i0分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q 轴和0轴上的电流分量;id*,iq*和i0*分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量;R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互 感;Ld,Lq分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量,对于凸极电机来 说,Ld=Lq=L;L0=L-2M代表零序电感;ω,θ,Ψf1,Ψf3,k分别为电角速度,转子位置角,基波转子磁链,转子磁链三次谐波分量和时间点;Ts表示 采样时间。
步骤102,根据上述参考电压矢量,所述电机在d轴和q轴上的参考电 压矢量经克拉克(clark)变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为:
其中,uαref和uβref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电 压矢量;udref和uqref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考 电压矢量;θ转子位置角。
根据上面2个公式计算出电机在α轴和β轴的参考电压,则电机参考电 压矢量的位置角的公式为:
其中,θ1为所述电机参考电压矢量的位置角度;uαref和uβref分别表示电 机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量。
根据上述公式计算得到所述电机参考电压矢量的角度,在如图3中得到 所述电机参考电压矢量的位置,根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一 逆变器的电压矢量。例如,当电机的参考电压矢量uref位于扇区I,如图3所 示,很明显,在包含INV1所有电压矢量的六边形ABCDEF内,非零矢量u1距离参考矢量更近,因此,第一逆变器选择u1(100)。当电机参考电压矢量 分别位于扇区II,III,…VI内,第一逆变器分别选择电压矢量u2(100),u3(010),u4(011),u5(001),u6(101)。由此可知,确定第一逆变器的电压 矢量u1。
步骤103,通过第一个公式得到第二逆变器(INV2)的参考电压矢量uref2, 第二逆变器的参考电压矢量根据uref2=u1-uref得到,u1表示已经确定了的第 一逆变器的电压矢量。
步骤104,根据INV2的参考电压矢量uref2在其六扇区中的位置获得两个 非零矢量,从而确定第二逆变器的候选电压矢量。例如,当INV2的参考电 压矢量uref2在图3所示位置时,包含INV2所有矢量的六边形GHBOFS可按 图4划分成六个扇区。当uref2的位置在图4中所示扇区时,非零矢量AO和 AF以及位于六边形GHBOFS原点的两个零矢量000和111,共四个电压矢量, 作为INV2的候选电压矢量。但是为了使INV2的实际电压矢量与其参考电压 矢量uref2更加接近,INV2的电压矢量由四个候选电压矢量中的其中两个矢量 合成,共有5种组合方式,分别是AO和AF、AO和000、AO和111、AF 和000、AF和111。由于两个零矢量合成仍然为零矢量,故不考虑该种情况。 至于两个矢量的作用次序,本发明规定非零矢量在前,零矢量在后。
步骤105,在一个控制周期内,两个电压矢量的作用时间根据dq0轴电 流的无差拍控制原理计算得到,这意味着预测电流idq0(k+1)在一个控制周期结 束时跟踪参考电流i* dq0,因此,预测电流idq0(k+1)与第二个逆变器的第一电压矢 量和第二电压矢量引起的电流斜率相关,公式为:
其中S1表示第二逆变器第一电压矢量与第一逆变器电压矢量共同作用引 起的电流斜率,S2表示第二逆变器第二电压矢量与第一逆变器电压矢量共同 作用引起的电流斜率。同时,假设所选择的第二逆变器的第一电压矢量为 udq0-2的作用时间为T1,那么第二逆变器的第二电压矢量为udq0-2的作用时间 为Ts-T1,第一个逆变器选择的电压矢量命名为udq0-1。电流斜率S1和S2可表 示为:
根据上述公式,可得到作用时间T1
其中,如果(13)的计算结果超过控制周期Ts,则时间T1和Ts-T1分别设 置为Ts和0;如果计算结果小于0,则时间T1和Ts-T1分别设置为0和Ts。
步骤106,在确定第二逆变器的两个矢量的作用时间之后,预测电流公 式为:
第二逆变器的每一种电压矢量组合相应地都会计算得到一个预测电流, 在同步旋转坐标系上预测的d轴和q轴电流和零序电流,目标函数如下:
其中,id,iq和i0分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的电流分量; id *,iq *和i0 *分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的设置的参考电流分 量;;k+1时刻。
当目标函数的值最小,所用的预测电流所对应的电压矢量组合被选为第 二逆变器的电压矢量组合。
步骤107,将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量 组合分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
一种基于双参考电压的开绕组永磁电机模型预测控制的设备,包括:
电机参考电压矢量模块,根据电流无差拍控制原理在同步旋转坐标系上 计算电机参考电压矢量;
第一逆变器的电压矢量模块,根据所述电机参考电压矢量计算得到所述 电机参考电压矢量的角度,从而得到所述电机参考电压矢量的位置,根据所 述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量;
第二逆变器的参考电压矢量模块,根据所述第一逆变器的电压矢量与所 述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量;
第二逆变器的候选电压矢量模块,再根据第二逆变器的参考电压矢量, 在第二逆变器所有电压矢量形成的矢量六边形内的位置,确定所述第二逆变 器的候选电压矢量范围和数量;
第二逆变器的电压矢量组合模块,从所述第二逆变器的候选电压矢量范 围中进行两两组合,在一个周期内,通过计算获得作用时间和预测电流值, 而代入预测电流值使目标函数值最小的矢量组合,就是确定的第二逆变器电 压矢量;
输出模块,将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量 组合分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
在一个实施例中,搭建了1.25KW功率等级的OW-PMSG系统实验平台, OW-PMSG参数如表1所示,
其中,系统采样频率设置为10KHz。实验条件是给定直流母线电压 u* dc=90V,电机转速为n=500r/min。如图5所示,本发明所述方法下的直流电 压测量值、转速、相电流和零序电流。如图6所示,本发明所述的方法下的 dq轴电流。
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法,并且具有相应的 方法实施例的有益效果,在此不再赘述。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样 的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省 略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,包括:
根据电流无差拍控制原理在同步旋转坐标系上计算电机参考电压矢量;
根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度,从而得到所述电机参考电压矢量的位置,根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量;
根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量;
再根据所述第二逆变器的参考电压矢量在其形成的矢量六边形内的位置,获得至少两个非零矢量,从而确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量;
在所述第二逆变器的候选电压矢量中进行电压矢量两两组合;计算在一个周期内每种组合两个候选电压矢量分别作用时间;
再根据所述时间计算得到预测电流;当所述预测电流目标函数的值最小,所用的预测电流所对应的电压矢量组合被选为第二逆变器的电压矢量组合;
将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量组合分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
2.根据权利要求1所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为:
其中,udref,uqref和u0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电压矢量;id,iq和i0分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q 轴和0轴上的电流分量;id *,iq *和i0 *分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量;R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互感;Ld,Lq分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量,对于凸极电机来说,Ld=Lq=L;L0=L-2M代表零序电感;ω,θ,Ψf1,Ψf3,k分别为电角速度,转子位置角,基波转子磁链,转子磁链三次谐波分量和时间点;Ts表示采样时间。
3.根据权利要求2所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为:
其中,uαref和uβref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量;udref和uqref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考电压矢量;θ为转子位置角。
4.根据权利要求3所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,根据所述电机在静止坐标系上α轴和β轴的参考电压矢量,则电机参考电压矢量的位置角度的计算公式为:
其中,θ1为所述电机参考电压矢量的位置角度;uαref和uβref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量。
5.根据权利要求1所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,将第一逆变器电压矢量分布的整个平面划分为六个扇区,根据所述电机参考电压矢量的位置角度θ1确定所在的扇区;再根据所述电机的第一逆变器的参考电压矢量uref距离最近的非零矢量,确定第一逆变器的电压矢量u1。
6.根据权利要求5所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,根据所述电机参考电压矢量uref和第一逆变器的电压矢量u1,通过公式uref2=u1-uref,得到所述第二逆变器的参考电压矢量。根据第二逆变器参考电压矢量uref2的位置确定第二逆变器的候选电压矢量,包括两个非零矢量和两个零矢量。这四个矢量两两组合可得到五种组合方式,两个矢量的作用顺序是:非零矢量在前,零矢量在后。
7.根据权利要求6所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,预测电流idq0(k+1)与第二逆变器的第一电压矢量和第二电压矢量引起的电流斜率相关联,同时预测电流idq0(k+1)在一个控制周期结束时跟踪参考电流i* dq0,因此,:
式中S1表示第二逆变器第一个电压矢量引起的电流斜率,S2表示第二逆变器第二个电压矢量引起的电流斜率。
所选择的第二逆变器的第一电压矢量为udq0-1,其作用时间为T1,第二逆变器的第二电压矢量为udq0-2,其作用时间为Ts-T1,第一逆变器的电压矢量为udq0。
8.根据权利要求8所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,作用时间T1的计算公式为:
如果计算结果超过控制周期Ts,则时间T1和Ts-T1分别设置为Ts和0;如果计算结果小于0,则时间T1和Ts-T1分别设置为0和Ts。
9.根据权利要求8所述的基于双矢量绕组开路永磁同步电机电流预测控制方法,其特征在于,在确定第二逆变器的两个矢量的作用时间之后,本方法的预测模型表示为
每一种电压矢量组合相应地都会计算得到一个预测电流,使公式:
的值最小的预测电流所对应的电压矢量组合被选为最优矢量。
10.一种基于双参考电压的开绕组永磁电机模型预测控制的设备,包括:
电机参考电压矢量模块,根据电流无差拍控制原理在同步旋转坐标系上计算电机参考电压矢量;
第一逆变器的电压矢量模块,根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度,从而得到所述电机参考电压矢量的位置,根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量;
第二逆变器的参考电压矢量模块,根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量;
第二逆变器的候选电压矢量模块,再根据第二逆变器的参考电压矢量,在第二逆变器所有电压矢量形成的矢量六边形内的位置,确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量;
第二逆变器的电压矢量组合模块,从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中进行两两组合,在一个周期内,通过计算获得作用时间和预测电流值,而代入预测电流值使目标函数值最小的矢量组合,就是确定的第二逆变器电压矢量;
输出模块,将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量组合分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。
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