CN110165952A - 一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法，首先通过母线电压检测模块，实时检测出母线电压大小和波动规律，并计算电压补偿系数；同时，利用母线电压和三相占空比计算输出三相电压并进行Clarke变换和Park变换，得到旋转坐标系下的直轴(direct‑axis，d轴)电压和交轴(quadrature‑axis，q轴)电压；最后根据计算出的电压补偿系数来对d轴电压和q轴电压进行补偿。本发明针对驱动器无母线电解电容场合，母线电压波动会导致三相电流幅值波动、电流谐波增大等问题，提高控制系统的稳态性能，抑制相电流幅值和转矩脉动。

Description

一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿 方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制的技术领域，涉及一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法。

背景内容

永磁同步电机采用永磁体代替励磁绕组，其功率密度高、转矩惯量比大、效率高等优点，因此在伺服系统、家用电器、电动汽车等多个领域内得到广泛应用。永磁同步电机矢量控制需要转子位置信息进行坐标变换，传统方法采用机械式位置传感器来获取转子位置，导致电机成本增加、体积重量增大等问题。同时，为了使母线电压更稳定，传统的做法是采用大容量的电解电容，但是，电解电容寿命受工作温度的影响很大，温度每升高10℃其寿命将降低一半，与增加机械式位置传感器的安装一样，均带来了成本增加、体积重量增大、寿命减短等一系列问题。因此，研究无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法具有重要的应用价值。目前，考虑电机通配性，全速范围无位置传感器控制往往采用恒电流变频方式启动，再切换至无位置传感器闭环控制；在无电解电容的情况下，如果不对电压进行补偿，当驱动器输出大功率时，会导致母线电压下降且产生周期性波动，这种周期性波动无法通过常规电流环控制器进行抑制，因此会造成永磁同步电机的三相电流波动，并导致一定转矩脉动，降低系统控制稳态性能。目前处理电压波动的抑制方法主要有重复控制和谐振PI控制等，虽然他们都有一定的抑制效果，但都存在计算量大，控制复杂而且精度不是很高。因此，对母线电压波动进行简单有效的补偿是很有必要的。

发明内容

为了克服现有无电解电容永磁同步电机控制方法计算量大、控制复杂而且精度不是很高的不足，本发明提供了一种可实现在永磁同步电机驱动器无电解电容的情况下，通过简单有效的电压补偿方法来提高控制系统的稳态性能，抑制相电流幅值和转矩脉动的方法。

本发明为实现上述发明目的采用的技术方案如下：

一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，首先对母线电压进行检测，根据实时检测出的母线电压大小和变化规律来计算电压补偿系数k_{u_comp}，

式中，U_dcreal为理想的母线电压，U_dcmeas为实时检测的母线电压；

步骤2，通过检测得到母线电压和三相占空比计算输出相电压，

式中，d_a、d_b、d_c分别为三相占空比；

再将三相电压投影到静止的α、β正交坐标系上，

将两相静止坐标系中的α、β轴上的值投影在一个以同步速度旋转的正交坐标系上，即可将稳态时α、β轴上的正弦函数值变成一个定值，其矩阵形式如式(1.4)所示，

式中，分别为估计d、q轴电压，为估计位置，最后，将估计d、q轴电压和电流用于龙伯格状态器和锁相环，可以实现位置、速度估计；

步骤3，对旋转坐标系d、q轴上的电压进行必要的补偿，补偿方法如下式，

式中，分别为补偿后的估计d、q轴电压，分别d、q轴电流环的输出电压。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)实现了永磁同步电机在单相或三相无电解电容的情况下，成功地抑制了相电流波动和转矩脉动，使整个系统运行地更加稳定可靠；

(2)母线电压波动补偿方案计算量小，易于实现，很好地体现了新方法的工程化与实用化；

(3)无电解电容驱动器降低了系统成本，使驱动器体积更小、寿命更长、应用范围更广。

附图说明

图1是本发明所提的单相或三相无电解电容永磁同步电机无位置传感器控制母线电压波动补偿方法控制框图。

图2是本发明理论推导过程中所使用的坐标示意图。

图3是本发明中d、q轴上的电压补偿示意图。

图4是单相电输入未应用本发明所提的母线电压波动补偿法时相电流和母线电压波形。

图5是单相电输入应用本发明所提的母线电压波动补偿法时相电流和母线电压波形。

图6是三相电输入未应用本发明所提的母线电压波动补偿法时相电流和母线电压波形。

图7是三相电输入应用本发明所提的母线电压波动补偿法时相电流和母线电压波形。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种无电解电容永磁同步电机无位置传感器控制电压补偿方法，可实现在永磁同步电机驱动器无母线电解电容时具有更好的稳态性能，包括以下步骤：

步骤1，对母线电压进行检测，根据实时检测出的母线电压大小和变化规律来计算电压补偿系数k_{u_comp}，

式中，U_dcreal为理想的母线电压，U_dcmeas为实时检测的母线电压；

步骤2，通过检测得到母线电压和三相占空比计算输出相电压，

式中，d_a、d_b、d_c分别为三相占空比；

再将三相电压投影到静止的α、β正交坐标系上，

将两相静止坐标系中的α、β轴上的值投影在一个以同步速度旋转的正交坐标系上，即可将稳态时α、β轴上的正弦函数值变成一个定值，其矩阵形式如式(1.4)所示，

式中，分别为估计d、q轴电压，为估计位置。最后，将估计d、q轴电压和电流用于龙伯格状态器和锁相环，可以实现位置、速度估计；

步骤3，若不对母线电压波动进行一定的补偿，对旋转坐标系下的d、q轴上的电压也会有相应的波动，这对系统而言相当于给了一个周期性的扰动，当驱动器输出大功率时，会导致母线电压下降且产生周期性波动，这种周期性波动无法通过常规电流环控制器进行抑制，因此会造成永磁同步电机的三相电流波动，并导致一定转矩脉动，降低系统控制稳态性能。为了实现对母线电压波动的补偿，需要对估计同步旋转坐标系d、q轴PI控制器输出电压进行补偿，补偿方法如下式，

式中，分别为补偿后的估计d、q轴电压，分别d、q轴电流环的输出电压。

参照图2，展示了原理推导过程中相关变量的空间示意和三种坐标系的位置关系。

参照图3，指出了d、q轴上相电压的补偿方法，具体方法如前文具体实施方法所述。

参照图4和图5，分别为单相电220V输入时未应用本发明电压补偿方法和应用本发明电压补偿方法时的相电流和母线电压波形。从图中5中相电流包络线可以看出，相电流得到了明显的改善，幅值更加稳定。

参照图6和图7，分别为三相电380V输入时未应用本发明电压补偿方法和应用本发明电压补偿方法时的相电流和母线电压波形。从图中7中相电流包络线可以看出，相电流得到了明显的改善，幅值更加稳定。

Claims (1)

1.一种无电解电容永磁同步电机矢量控制母线电压波动补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，首先对母线电压进行检测，根据实时检测出的母线电压大小和变化规律来计算电压补偿系数k_{u_comp}，

式中，U_dcreal为理想的母线电压，U_dcmeas为实时检测的母线电压；

步骤2，通过检测得到母线电压和三相占空比计算输出相电压，

式中，d_a、d_b、d_c分别为三相占空比；

再将三相电压投影到静止的α、β正交坐标系上，

将两相静止坐标系中的α、β轴上的值投影在一个以同步速度旋转的正交坐标系上，即可将稳态时α、β轴上的正弦函数值变成一个定值，其矩阵形式如式(1.4)所示，

式中，分别为估计d、q轴电压，为估计位置，最后，将估计d、q轴电压和电流用于龙伯格状态器和锁相环，可以实现位置、速度估计；

步骤3，对旋转坐标系d、q轴上的电压进行必要的补偿，补偿方法如下式，

式中，分别为补偿后的估计d、q轴电压，分别d、q轴电流环的输出电压。