CN109995263B - 基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法 - Google Patents

基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法。通过基于电压矢量的滞环控制，将电流误差限制在随坐标轴旋转的正方形内，且考虑三相之间的耦合关系，当电流误差超过滞环宽度时，选择合适的电压矢量使电流误差向其相反方向运行，进而将电流误差限制在正方形内，给出了详细的电压矢量选择方案，使输出电流波形正弦度高。可以减小转矩脉动，同时减小逆变器开关动作次数，降低开关损耗。

Description

基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法
技术领域
本发明属三相电压源逆变器电流控制领域，具体涉及一种在同步旋转坐标系下的滞环电流控制方法。
背景技术
三相电压源逆变器的电流控制是有源电力滤波器、交流电机控制、不间断电源等应用的总体控制结构中重要组成部分，电流控制器的质量直接影响系统的性能。目前对电流的控制主要有预测控制、PI控制及滞环控制。预测控制实现复杂，需要负载参数；PI控制参数调整时间长，不确定因素较多。
滞环控制是一种基于瞬时值反馈的控制技术，将反馈信号与给定信号进行比较，若反馈值大于给定值，则通过逆变器使之减小，反之增大，将偏差限制在一定范围内。滞环控制由于实现简单、稳定好、动态响应快，鲁棒性好等优点得到了广泛应用，但其开关频率在一个工频周期内不固定，开关频率可控性差。
发明内容
为了克服滞环控制的开关频率可控性差并考虑负载三相之间的耦合关系，本发明提供了一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法。通过基于电压矢量的滞环控制，将电流误差限制在随坐标轴旋转的正方形内，且考虑三相之间的耦合关系，当电流误差超过滞环宽度时，选择合适的电压矢量使电流误差向其相反方向运行，进而将电流误差限制在正方形内，给出了详细的电压矢量选择方案，使输出电流波形正弦度高。可以减小转矩脉动，同时减小逆变器开关动作次数，降低开关损耗。
一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：给定滞环宽度Δi*，使电流误差限制在相应范围内，本发明中，Δi*的取值范围为0.1～0.5A，电流误差限制在以Δi*为边长的正方形区域内。
步骤2：由三相电压源逆变器得到8个电压空间矢量，包括6个非零电压矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6和2个零电压矢量V0、V7，V0～V7的开关状态分别为000、100、110、010、011、001、101、111，令V1与α轴方向一致，6个非零电压矢量将空间分为六个扇区，从V1开始，逆时针分别为V1和V2之间为扇区Ⅰ、V2和V3之间为扇区Ⅱ、V3和V4之间为扇区Ⅲ、V4和V5之间为扇区Ⅳ、V5和V6之间为扇区Ⅴ、V6和V1之间为扇区Ⅵ，对于任一时刻的旋转电压矢量
Figure GDA0002761590460000021
根据扇区分布判断得到其所在的扇区。
步骤3：令同步旋转坐标轴d轴与矢量
Figure GDA0002761590460000022
方向一致、q轴与矢量
Figure GDA0002761590460000023
方向一致，其中，
Figure GDA0002761590460000024
为与
Figure GDA0002761590460000025
同一时刻转子磁链的位置，且与
Figure GDA0002761590460000026
垂直；当iδd≥Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd＝1；当iδq≥Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dq＝1；当iδd≤-Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd＝0；当iδq≤-Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dq＝0；当-Δi*/2＜iδd＜Δi*/2或-Δi*/2＜iδq＜Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd或Dq不变，为上一时刻值；其中，iδd为电流误差在d轴上的分量，iδq为电流误差在q轴上的分量，电流误差是指电流实际反馈值与给定电流值之差。
步骤4：根据矢量
Figure GDA0002761590460000027
所在扇区和二电平滞环控制器输出值，判断得到即将动作的电压矢量，具体为：
(1)
Figure GDA0002761590460000028
位于第Ⅰ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V2；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V1；
(2)
Figure GDA0002761590460000029
位于第Ⅱ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V3；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V2；
(3)
Figure GDA00027615904600000210
位于第Ⅲ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V4；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V3；
(4)
Figure GDA00027615904600000211
位于第Ⅳ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V5；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V4；
(5)
Figure GDA00027615904600000212
位于第Ⅴ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V6；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V5；
(6)
Figure GDA00027615904600000213
位于第Ⅵ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V1；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V6；
步骤5：每一个电压矢量对应控制器的1路PWM信号，根据所选择的电压矢量控制器输出对应的PWM驱动信号，控制所对应的逆变器开关管的通断状态，从而控制电机运行。
本发明的有益效果是：由于采用基于电压矢量的滞环控制策略，通过选择合适的电压矢量使电流误差限制在一定的范围内，使得输出电流波形正弦度高，且每次只选择一个电压矢量，可以减小转矩脉动，同时减小逆变器开关动作次数，降低开关损耗。
附图说明
图1是本发明的一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法流程图。
图2是本发明实施例的永磁同步电机滞环电流控制方法的原理框图。
图3是三相电压源逆变器得到的8个电压空间矢量及电流增量
Figure GDA0002761590460000033
的示意图。
图4是电压矢量位于第二扇区时的方法示意图。
图5是二电平滞环控制器示意图。
图6是二电平滞环控制器输出Dd＝1，Dq＝1时的区域示意图。
图7是二电平滞环控制器输出Dd＝1，Dq＝0时的区域示意图。
图8是二电平滞环控制器输出Dd＝0，Dq＝1时的区域示意图。
图9是二电平滞环控制器输出Dd＝0，Dq＝0时的区域示意图。
图10是本发明实施例的三相逆变器电路接电机负载图。
图11是本发明方法在MATLAB/Simulink环境下仿真得到的A相定子绕组电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示，本发明提供了一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法，可以实现对电机瞬时电流的直接控制。图2为永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM)控制框图，由位置环、速度环和电流环三环组成，采用id＝0的控制方法，其中APR、ASR分别为位置控制器和转速控制器，θ和θ*分别为转子实际反馈的位置和参考位置，n和n*分别为转子实际反馈的转速和参考转速，iA、iB、iC为逆变器输出的三相电流值，经过坐标变换转为d轴电流值id和q轴电流值iq，
Figure GDA0002761590460000031
和
Figure GDA0002761590460000032
为参考电流值，Δi*为滞环宽度，Udc为逆变器直流供电电压。
本发明的滞环电流控制方法具体实现过程如下：
步骤1：给定滞环宽度Δi*，使电流误差限制在相应范围内，本发明中，Δi*的取值范围为0.1～0.5A，电流误差限制在以Δi*为边长的正方形区域内。
步骤2：判断电压矢量
Figure GDA0002761590460000041
所在的扇区。
如图3所示，由三相电压源逆变器得到8个电压空间矢量，包括其中6个非零电压矢量(V1、V2、V3、V4、V5、V6)和2个零电压矢量(V0、V7)。V0～V7的开关状态分别为000、100、110、010、011、001、101、111。该6个非零电压矢量将空间分为六个扇区，从V1开始，逆时针分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。
对于任一时刻的旋转电压矢量
Figure GDA0002761590460000042
根据其所处位置可以判断得到其所在扇区。图3中，矢量
Figure GDA0002761590460000043
位于两个相邻有效矢量
Figure GDA0002761590460000044
和
Figure GDA0002761590460000045
之间的任意位置，则其位于第Ⅱ扇区。
步骤3：根据电压矢量
Figure GDA0002761590460000046
所在扇区进行开关表的选择。
图4给出了当电压矢量
Figure GDA0002761590460000047
位于第Ⅱ扇区时，本发明的方法示意图。其中，
Figure GDA0002761590460000048
为某时刻电压空间矢量，
Figure GDA0002761590460000049
为该时刻转子磁链的位置，与
Figure GDA00027615904600000410
垂直，同步旋转坐标轴d、q轴分别与矢量
Figure GDA00027615904600000411
和
Figure GDA00027615904600000412
方向一致，
Figure GDA00027615904600000413
为电流给定值，
Figure GDA00027615904600000414
为电流实际反馈值，
Figure GDA00027615904600000415
为实际值与给定值之差，其在d轴的分量为iδd，在q轴的分量为iδq。由于采用id＝0控制方式，此时，
Figure GDA00027615904600000416
与q轴同相，进而与电压矢量
Figure GDA00027615904600000417
同相。电流滞环宽度为Δi*，位于d、q坐标系中表现为以Δi*为边长的正方形，如图4中阴影部分所示。
对于某一时刻的旋转电压矢量
Figure GDA00027615904600000418
电流控制器利用四个变换矢量(包括两个零矢量)以改变瞬时电流的方向，瞬时电流改变依据公式(1)，该公式由公式(2)推导得出。
Figure GDA00027615904600000419
Figure GDA00027615904600000420
其中，n为0～7的任意整数；
Figure GDA00027615904600000421
表示在电压矢量
Figure GDA00027615904600000422
作用下的电流增量；
Figure GDA00027615904600000423
表示将要动作的电压矢量；
Figure GDA00027615904600000424
表示给定时刻旋转电压矢量；
Figure GDA00027615904600000425
表示负载电流；L为电机每相的等效电感；R为电机每相的等效电阻；ΔT为电压矢量
Figure GDA00027615904600000426
的有效时间间隔。
图5为本发明采用的滞环控制器，是一个输入为电流误差iδ，输出为D，滞环宽度为Δi*的二电平滞环控制器，当电流误差到达滞环的上限时，即d轴：iδd≥Δi*/2、q轴：iδq≥Δi*/2，此时输出D＝1；当电流误差到达滞环的下限时，即d轴：iδd≤-Δi*/2、q轴：iδq≤-Δi*/2，此时输出D＝0；当电流误差在滞环宽度内，即d轴：-Δi*/2＜iδd＜Δi*/2、q轴：-Δi*/2＜iδq＜Δi*/2，此时输出不变，为上一时刻值。据此，电压矢量的选择有以下4种情况，其中Dd、Dq分别表示d轴、q轴的滞环输出值：
当输出Dd＝1，Dq＝1时，即d、q轴误差电流都到达滞环上限，此时，电流误差矢量
Figure GDA0002761590460000051
的端点位于图6所示的右上角阴影区域内，为了使电流回到滞环区域内，需选择矢量V0或V7使
Figure GDA0002761590460000052
大致向左下角方向运行。
当输出Dd＝1，Dq＝0时，即d轴误差电流到达滞环上限，q轴到达滞环下限，此时，电流误差矢量
Figure GDA0002761590460000053
的端点位于图7所示的右下角阴影区域内，为了使电流回到滞环区域内，需选择矢量V3使
Figure GDA0002761590460000054
大致向左上角方向运行。
当输出Dd＝0，Dq＝1时，即d轴误差电流到达滞环下限，q轴到达滞环上限，此时，电流误差矢量
Figure GDA0002761590460000055
的端点位于图8所示的左上角阴影区域内，为了使电流回到滞环区域内，需选择矢量V0或V7使
Figure GDA0002761590460000056
大致向右下角方向运行。
当输出Dd＝0，Dq＝0时，即d、q轴误差电流都到达滞环下限，此时，电流误差矢量
Figure GDA0002761590460000057
的端点位于图9所示的左下角阴影区域内，为了使电流回到滞环区域内，需选择矢量V2使
Figure GDA0002761590460000058
大致向右上角方向运行。
则可以得到的开关表，如表1所示，其中VX表示V0或者V7。
表1
Figure GDA0002761590460000059
位于第Ⅱ扇区时开关表
Figure GDA00027615904600000510
同理，当
Figure GDA00027615904600000511
位于Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区时开关表如表2～6所示。
表2
Figure GDA00027615904600000512
位于第Ⅰ扇区时开关表
Figure GDA00027615904600000513
表3
Figure GDA0002761590460000061
位于第Ⅲ扇区时开关表
Figure GDA0002761590460000062
表4
Figure GDA0002761590460000063
位于第Ⅳ扇区时开关表
Figure GDA0002761590460000064
表5
Figure GDA0002761590460000065
位于第Ⅴ扇区时开关表
Figure GDA0002761590460000066
表6
Figure GDA0002761590460000067
位于第Ⅵ扇区时开关表
Figure GDA0002761590460000068
步骤4：每一个电压矢量对应控制器的1路PWM信号，根据所选择的电压矢量控制器输出对应的PWM驱动信号，如图10所示，控制器输出的6路PWM驱动信号分别控制逆变器6个开关管S1～S6的开通和关断，进而控制电机运行。
在MATLAB/Simulink环境下，采用本发明的滞环控制方法进行仿真试验，条件为0.2s时给负载转矩10Nm，转速给定为1000r/min，仿真时间为1s。仿真结果如图11所示，可以看出，电流波形正弦度高，具有快速的动态响应，符合控制要求，说明本发明控制方法有效。在相同仿真条件下，比较传统滞环控制方法和本发明的基于同步旋转坐标系的滞环控制方法的开关次数，对于A相桥臂来说，结果如表7所示，可以看出本发明方法能够减少逆变器开关动作次数，使开关损耗降低。
表7 A相桥臂开关次数比较结果
控制方法 传统滞环 本发明滞环
开关次数 3.573×10<sup>5</sup> 1.694×10<sup>5</sup>

Claims (1)

1.一种基于同步旋转坐标系的滞环电流控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：给定滞环宽度Δi*，使电流误差限制在相应范围内，Δi*的取值范围为0.1～0.5A，电流误差限制在以Δi*为边长的正方形区域内；
步骤2：由三相电压源逆变器得到8个电压空间矢量，包括6个非零电压矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6和2个零电压矢量V0、V7，V0～V7的开关状态分别为000、100、110、010、011、001、101、111，令V1与α轴方向一致，6个非零电压矢量将空间分为六个扇区，从V1开始，逆时针分别为V1和V2之间为扇区Ⅰ、V2和V3之间为扇区Ⅱ、V3和V4之间为扇区Ⅲ、V4和V5之间为扇区Ⅳ、V5和V6之间为扇区V、V6和V1之间为扇区Ⅵ，对于任一时刻的旋转电压矢量
Figure FDA0002903070570000011
根据扇区分布判断得到其所在的扇区；
步骤3：令同步旋转坐标轴d轴与矢量
Figure FDA0002903070570000012
方向一致、q轴与矢量
Figure FDA0002903070570000013
方向一致，其中，
Figure FDA0002903070570000014
为与
Figure FDA0002903070570000015
同一时刻转子磁链的位置，且与
Figure FDA0002903070570000016
垂直；当iδd≥Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd＝1；当iδq≥Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dq＝1；当iδd≤-Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd＝0；当iδq≤-Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dq＝0；当-Δi*/2＜iδd＜Δi*/2或-Δi*/2＜iδq＜Δi*/2时，二电平滞环控制器输出Dd或Dq不变，为上一时刻值；其中，iδd为电流误差在d轴上的分量，iδq为电流误差在q轴上的分量，电流误差是指电流实际反馈值与给定电流值之差；
步骤4：根据矢量
Figure FDA0002903070570000017
所在扇区和二电平滞环控制器输出值，判断得到即将动作的电压矢量，具体为：
(1)
Figure FDA0002903070570000018
位于第Ⅰ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V2；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V1；
(2)
Figure FDA0002903070570000019
位于第Ⅱ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V3；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V2；
(3)
Figure FDA00029030705700000110
位于第Ⅲ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V4；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V3；
(4)
Figure FDA0002903070570000021
位于第Ⅳ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V5；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V4；
(5)
Figure FDA0002903070570000022
位于第V扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V6；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V5；
(6)
Figure FDA0002903070570000023
位于第Ⅵ扇区时：当二电平滞环控制器输出Dd＝1、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝1、Dq＝0时，选择电压矢量V1；当Dd＝0、Dq＝1时，选择电压矢量V0或V7；当Dd＝0、Dq＝0时，选择电压矢量V6；
步骤5：每一个电压矢量对应控制器的1路PWM信号，根据所选择的电压矢量控制器输出对应的PWM驱动信号，控制所对应的逆变器开关管的通断状态，从而控制电机运行。
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