CN110212839B - 一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法 - Google Patents

一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，包括：在单电源供电的开绕组电机中，先得出两个逆变器共模电压的表达式，进一步得出漏电流iL回路电压、零序电流i0回路电压与两个共模电压的关系；根据漏电流iL回路和零序i0回路的特征，得到共模电压对这两个回路不产生影响的要求，并选择满足要求的电压矢量组成一个完整的控制系统电压矢量集合；电压矢量集合结合电机预测控制模型、代价函数，求出代价函数最小时的最优电压矢量，并将其施加在逆变器上，对电机进行控制；本发明可以同时消除共模电压对影响效率的零序电流和影响寿命的漏电流的影响，可以增加电机的运行效率和延长电机的寿命。

Description

一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制 方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种可以消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法。
背景技术
在三相电机驱动系统中，当电机由应用PWM技术的逆变器驱动时，电机绕组的中性点存在有共模电压，共模电压通过寄生的容性阻抗产生漏电流,会对轴和轴承造成损坏，影响电机的寿命；如果系统存在有零序通路，共模电压会产生零序电流，导致额外的电机损耗和发热，降低了系统的效率和稳定运行能力。
近年来，开绕组电机由于具有输出功率高、电压矢量多、容错性强等优点，在大功率、大容量场合受到了广泛的关注。但是当接在开绕组电机两端的逆变器共用一个电源供电时，由于零序通路的存在，共模电压会造成零序电流，所以在单电源开绕组系统中必须消除共模电压的影响，才能有效提升系统的效率。
由于共模电压对漏电流和零序电流的影响机理与途径不一样,在单电源开绕组电机中会同时存在这两种影响，目前很少有文献能够用简单且易于实现的方法，同时减少这两方面的影响。
近年来，由于模型预测直接转矩控制具有动态响应快、目标函数配置灵活等优点，被广泛应用于电机驱动领域，所以本发明提出的一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，是一种能够延长电机寿命，提升电机效率的高性能控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，可以同时消除单电源开绕组电机系统中的共模电压对漏电流和零序电流的影响，从而能够延长电机寿命，提升电机效率。本发明所采用的技术方案，详见下文描述：
过程1：在开绕组电机中，由单电源供电的两个逆变器的连接方式，及逆变器中开关管的开关状态，得出两个逆变器共模电压的表达式；
过程2：得出影响电机寿命的漏电流iL回路电压，以及影响电机效率的零序i0回路电压与两个共模电压的关系；
过程3：根据漏电流iL回路和零序i0回路的特征，得到共模电压对这两个回路不产生影响的要求；
过程4：在所有的电压矢量中，选择满足要求的非零和零电压矢量组成一个完整的控制系统矢量集合方案；
过程5：由电机对象的离散数学模型，得到预测控制模型；
过程6：把满足要求的电压矢量集合中的矢量作为下一步的控制矢量，结合当前的电机状态值，逐一代入预测控制模型进行计算，得到各个矢量对应的预测磁链与转矩值；
过程7：根据控制策略及PI控制器得到参考磁链与转矩值；
过程8：把磁链与转矩的预测值和参考值代入代价函数，比较得出代价函数最小时的电压矢量；
过程9：用得到的电压矢量作为下一步的控制矢量施加在逆变器上，对电机进行控制；
过程10：不断重复过程6到过程9，就可以实现电机的正常运行。
本发明与现有技术相比具有的优点是：在单电源供电的开绕组电机中，选择了满足共模电压对漏电流iL回路和零序i0回路不产生影响要求的电压矢量，组成一个完整的控制系统电压矢量集合方案；将得到的电压矢量集合方案，结合模型预测直接转矩控制方法对电机进行控制，就可以同时消除系统中共模电压对零序电流和漏电流的影响，可以增加电机的运行效率和延长电机的寿命。
附图说明
图1单电源开绕组双逆变器电机系统组成框图
图2双逆变器各自的空间电压矢量
图3双逆器合成后的空间电压矢量
图4基于模型预测直接转矩控制的开绕组电机控制系统框图
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明进行具体实施方式的详细说明:
步骤1：在附图1的开绕组电机系统中，由单电源供电的两个逆变器的连接方式，及逆变器中开关管的开关状态，得出两个逆变器供电时电机三相电压的表达式:
Figure GDA0002132329260000021
(Sa1,Sa2,Sb1,Sb2,Sc1,Sc2)∈(0,1)为两个三相逆变器共六个桥臂的开关状态，如Sa1＝0时表示上桥臂开关管Sa11截止，下桥臂开关管Sa12导通，此时ua1＝0；Sa1＝1时则相反，上桥臂开关管Sa11导通，下桥臂开关管Sa12截止，此时ua1＝Vdc；其它桥臂的开关状态类似。此时两个逆变器的共模电压可以表示为：
Figure GDA0002132329260000022
步骤2：得出影响电机寿命的漏电流iL回路电压，以及影响电机效率的零序i0回路电压与两个共模电压的关系：
零序回路的电压可以表示为下式:
Figure GDA0002132329260000023
而绕组上对机壳的共模电压表示为：
Figure GDA0002132329260000024
步骤3：根据漏电流iL回路和零序i0回路的特征，得到共模电压对这两个回路不产生影响的要求：由(3)(4)式可知，要想消除2个逆变器共模电压对系统的影响，一方面，要让CMV1＝CMV2让u0为零；另一方面，对于容性寄生阻抗Zc来说，只要CMV1+CMV2＝常数，也即uL为常数就可以达到要求。
步骤4：在所有的电压矢量中，选择满足要求的非零和零电压矢量组成一个完整的控制系统矢量集合；在开绕组系统中，每个逆变器都有23＝8个矢量，包含6个非零矢量和2个零矢量，两个逆变器各自的矢量可以由式(5)(6)表示，6个非零矢量的大小为
Figure GDA0002132329260000025
矢量的空间分布如附图2所示。
Figure GDA0002132329260000031
Figure GDA0002132329260000032
Us＝Us1-Us2 (7)
由附图1的两个逆变器接法，我们可以知道两个逆变器合成后的矢量可以由式(7)表示，共有26＝64个矢量，包含56个非零矢量和8个零矢量,可以由附图3来表示，其中最外层的大矢量值为
Figure GDA0002132329260000033
次外层的中矢量值为
Figure GDA0002132329260000034
内层的小矢量值为
Figure GDA0002132329260000035
为了同时能够消除共模电压对i0和iL的影响，矢量的选择必需满足使得u0＝0以及uL＝常数，按这个要求经过分析，我们可以得到两种方案如表1所示，在这两种方案中CMV1和CMV2都是相等的,所以根据(3)式可知u0＝0,根据(4)式可知uL＝常数,两种方案都可以消除共模电压对i0和iL的影响。
表1矢量及其共模电压分析
Figure GDA0002132329260000036
步骤5：由电机对象的离散数学模型，得到预测控制模型：
PMSM电机的数学模型可以表示为：
Figure GDA0002132329260000037
PMSM电机的磁链与转矩方程可以表示为:
Figure GDA0002132329260000038
利用前向差分法，对电机模型进行离散，可以得到以下预测控制模型：
Figure GDA0002132329260000041
步骤6：根据需要控制的电机对象，得到电机的d轴电感Ld，q轴电感Lq，电阻RS，转子磁链ψf，电机极对数pn等参数，搭建如附图4所示的控制系统。
步骤7：系统工作时，首先由系统的电流传感器得到当前时刻的三相电流值
Figure GDA0002132329260000042
由系统的速度传感器ω，再经下面各公式计算，最终得到
Figure GDA0002132329260000043
ωr。
Figure GDA0002132329260000044
步骤8：从满足要求的电压矢量集合方案中取出一个矢量(表1中的方案1或方案2)作为下一步的控制矢量uk，结合上一步得到的
Figure GDA0002132329260000045
ωr逐一代入预测控制模型公式(10)得到
Figure GDA0002132329260000046
和
Figure GDA0002132329260000047
再根据式(11)进行计算，得到各个矢量对应的预测磁链ψk+1与转矩值Te k+1；
步骤9：控制系统根据设定的电机速度值ωref和实际的电机速度ω得出差值，差值再经由PI控制器得到参考转矩值Te ref；
步骤10：参考磁链的得到可以有多种不同的策略，这里假设采取id＝0策略，那么根据公式(9)以及id＝0，按以下公式求取ψref：
Figure GDA0002132329260000048
步骤11：把磁链与转矩的预测值和参考值代入代价函数(14)，得到C值；
Figure GDA0002132329260000049
步骤12:重复步骤8到步骤11对满足要求的电压矢量方案中每一个矢量都得到一个C值，比较得出代价函数值C值最小时的电压矢量Vopt；
步骤13：用得到的电压矢量Vopt作为下一步的控制矢量施加在逆变器1和2上，对电机进行控制；
步骤14：重复步骤7到步骤13，就能控制电机按照设定的速度转动；
由以上步骤实施的开绕组单电源控制系统，能够消除共模电压对系统的影响，达到延长电机寿命和提升电机效率的效果。

Claims (3)

1.一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)在单电源供电的开绕组电机中，根据系统特点，得到共模电压对漏电流iL回路和零序i0回路不产生影响的要求，然后选择满足要求的电压矢量，组成2个完整的控制系统电压矢量集合方案，2个矢量集合方案如下表所示；
Figure FDA0003165626670000011
上表中，CMV1和CMV2分别代表逆变器1和逆变器2产生的共模电压；u0＝(CMV1-CMV2)是零序回路电压，uL＝(CMV1+CMV2)/2是绕组对机壳的电压；
2)将得到的电压矢量集合结合电机预测控制模型、代价函数，求出代价函数最小时的最优电压矢量，并将其施加在逆变器上，对电机进行控制，可以同时消除共模电压对影响效率的零序电流和影响寿命的漏电流的影响，增加电机的运行效率和延长电机的寿命。
2.根据权利要求1所述的一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，其特征在于所依据的控制策略可以是id＝0策略，也可以是最大转矩电流MTPA策略，也可以指定参考磁链为常数。
3.根据权利要求1所述的一种消除开绕组电机共模电压影响的模型预测直接转矩控制方法，其特征在于所采用的代价函数为以下公式。
Figure FDA0003165626670000012
式中
Figure FDA0003165626670000013
代表电机的转矩参考值，
Figure FDA0003165626670000014
代表预测得到的下一时刻转矩值；
Figure FDA0003165626670000015
代表电机的磁链参考值，
Figure FDA0003165626670000016
代表预测得到的下一时刻磁链值。
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