CN110311600A - 一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法的研究，属于永磁同步电动机模型预测电流控制技术领域，其特征在于：该研究采用开绕组永磁同步电动机，它保持永磁同步电动机的定转子结构特点，将绕组的中性点打开，形成开绕组永磁同步电动机，提高转换器的输出电压。模型预测电流控制方法的核心思想是预测系统下一时刻的电流状态量，具有动态响应迅速等优点。把模型预测电流控制方法应用于开绕组永磁同步电动机的电流环控制系统中，根据矢量筛选中dq0轴电流误差值最小的原则，有效抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

Description

一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电动机模型预测电流控制技术领域，具体涉及一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法。

背景技术

永磁同步电动机存在开关频率高，系统效率低，电磁噪声大等问题。而开绕组永磁同步电动机具有高效率、高密度、功率高等优点。所以研究开绕组永磁同步电动机具有其重要意义。但是由于两侧转换器的直流母线电容直接连接，造成该系统存在零序电流。零序电流使该电机性能不稳定，因此，提出一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，抑制零序电流，提高电机的稳态性能。模型预测电流控制方法的核心思想是预测系统下一时刻的电流状态量，通过矢量筛选最小化原则选择期望电压矢量，具有动态响应迅速等优点。本发明为确保多个采样周期内均有良好的控制效果，该系统采用多步预测的控制策略。用模型预测电流控制方法替代系统中的电流环，抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法。具体包括下述步骤：

步骤a.建立开绕组永磁同步电动机的数学模型；

步骤b.计算合成基本空间电压矢量模块；

步骤c.对所述开绕组永磁同步电动机进行电流预测；

步骤d.将k+2时刻的电流预测值带入矢量筛选模块；

步骤e.把矢量筛选最小值的合成基本空间电压矢量的开关状态作用于转换器中，驱动电机系统。

本发明保持永磁同步电动机的定转子结构特点，将定子绕组的中性点打开，形成开绕组永磁同步电动机。开绕组永磁同步电动机由双转换器共同提供电能，减少单个电力电子器件的耐压等级。这种结构可以增加系统的总功率，提高转换器的输出电压，扩展电机的转速范围，使系统具有优良的驱动输出性能。由于开绕组永磁同步电动机各相电机绕组之间的约束关系不再存在，所以电机各相绕组相互独立，提高电机本体的可靠性。但是由于两侧转换器的直流母线电容直接连接，导致三相电流之和不为零，系统产生共模电压，共模电压产生零序电流。把模型预测电流控制方法应用于开绕组永磁同步电动机的电流环控制系统中，根据矢量筛选中dq0轴电流误差值最小的原则，有效抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

本发明的技术方案：

技术方案一

一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，包括DSP控制器、PWM 驱动器模块、可控转换器模块、开绕组永磁同步电动机模块、不可控转换器模块、电流检测模块、交流电压检测模块、直流电压检测模块、速度传感器模块。其中所述的DSP控制器包括矢量筛选模块、合成基本空间电压矢量模块、电流预测模块，所述的直流电压检测模块检测电机的直流母线电压，所述的速度传感器模块检测电机转速，所述的电流检测模块检测电机电流，所述的交流电压检测模块检测电机电压。所述的开绕组永磁同步电动机模块连接不可控转换器模块、可控转换器模块、速度传感器模块、电流检测模块和交流电压检测模块，所述的交流电压检测模块、速度传感器模块和电流检测模块连接开绕组永磁同步电动机模块的输出端和DSP控制器输入端，所述的PWM驱动器模块连接DSP控制器的输出端和可控转换器的输入端，所述的直流电压检测模块连接DSP控制器输入端。

进一步地，所述的可控转换器开关器件选用型号为CM200DY-34A的 IGBT。

进一步地，所述的开绕组永磁同步电动机模块是把永磁同步电动机的绕组中性点打开，因此各相电机绕组之间的约束关系不再存在且相互独立。

进一步地，所述的电压检测模块采用宇波模块CHV-25P霍尔电压传感器，电流检测模块采用CHB-25NP霍尔电流传感器。

技术方案二一种技术方案一所述的开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，包括以下步骤：

开绕组永磁同步电动机的电压方程如下：

利用坐标变换的变换公式将式(1)的三相静止坐标系下的电压方程变换到同步旋转坐标系中，如下:

开绕组永磁同步电动机的转矩方程如下：

T_e＝1.5p(ψ_f×i_q+(L_d-L_q)i_qi_d) (4)

开绕组永磁同步电动机的转速微分方程如下：

dω_e/dt＝pT_e/J-pT_L/J-Bω_e/J (5)

把开绕组永磁同步电动机的电压方程离散化后，按照模型预测原理如式(6)所示形式得到其电流预测方程：

t(k+1)时间点的电流预测方程，如下：

其中：

t(k+2)时间点的电流预测方程，如下：

其中：

矢量筛选方程如下：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明保持永磁同步电动机定转子结构的特点，将定子绕组的中性点打开，形成开绕组永磁同步电动机。该电机结构简单，不仅可以保持开绕组永磁同步电动机的许多优点，还可以提高变换器的输出电压，扩展转速范围，具有优良的驱动输出性能。由于开绕组永磁同步电动机各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组相互独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性。

把模型预测电流控制方法应用于开绕组永磁同步电动机的电流环控制系统中，抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

附图说明：

附图1是本发明的整体结构图。

附图2是模型预测电流控制算法流程图。

附图3是开绕组永磁同步电动机的结构图。

附图4是开绕组永磁同步电动机的零序回路结构图。

附图5是一种开绕组永磁同步电动机模型预测电流控制方法的合成基本空间电压矢量图。

附图6是一种开绕组永磁同步电动机模型预测电流控制方法的合成基本空间电压矢量示意图。

图中：1矢量筛选模块、2可控转换器模块、3不可控转换器模块、4开绕组永磁同步电动机模块、5PWM驱动器模块、6交流电压检测模块、7速度传感器模块、8电流检测模块、9合成基本空间电压矢量模块、10电流预测模块、 11直流电压检测模块。

具体实施方式：

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，包括以下步骤：

步骤a.建立开绕组永磁同步电动机的数学模型；

步骤b.计算合成基本空间电压矢量；

步骤c.对所述开绕组永磁同步电动机进行电流预测；

步骤d.将k+2时刻的电流预测值带入矢量筛选模块；

步骤e.把矢量筛选最小值的合成基本空间电压矢量的开关状态作用在转换器中，驱动电机系统。

具体实施方式二一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，如图1、图2所示，其包括：可控转换器模块2、不可控转换器模块3、电流检测模块8、交流电压检测模块6、速度传感器模块7连接开绕组永磁同步电动机模块4，可控转换器模块 2产生可控电压矢量集合，不可控转换器模块3产生不可控电压矢量集合，可控电压矢量集合和不可控电压矢量集合转化合成基本空间电压矢量模块9驱动开绕组永磁同步电动机模块4，可控转换器模块2和不可控转换器模块3连接开绕组永磁同步电动机模块4，由于两侧转换器具有公共直流母线电压，所以电机产生零序电流。

具体地，为了抑制零序电流，将模型电流预测控制方法引入，电流检测模块8检测开绕组永磁同步电动机模块4的定子三相电流，电流预测模块10的输入端为电流检测模块8、合成基本空间电压矢量模块9、速度传感器7和直流电压检测模块11，把电流预测模块10输入到矢量筛选模块1中，使矢量筛选最小的合成基本空间电压矢量为期望电压矢量，把期望电压矢量的切换状态通过 PWM驱动器模块5模块输入转换器，驱动电机。

具体地，可控转换器模块2由6个开关管IGBT组成；不可控转换器模块 3由6个二极管组成。

具体地可控转换器模块2采用IGBT开关管型号为CM200DY-34A的 IGBT；所述电流检测模块采用宇波模块CHB-25NP霍尔电流传感器；所述的电压检测模块采用宇波模块CHV-25P霍尔电压传感器；DSP控制器的DSP型号为 TI公司生产的TMS320F28335；驱动电路采用美国IR公司生产的IR2110驱动芯片。

工作原理可控转换器模块2和不可控转换器模块3连接开绕组永磁同步电动机模块4，可控转换器模块2产生可控电压矢量集合，不可控转换器模块3产生不可控电压矢量集合，可控电压矢量集合和不可控电压矢量集合合成一个期望电压矢量驱动开绕组永磁同步电动机模块4，可控转换器模块2、不可控转换器模块3、电流检测模块8、交流电压检测模块6、速度传感器模块7、连接开绕组永磁同步电动机模块4，PWM驱动器模块5连接可控转换器模块2和DSP控制器。由于双转换器连接公共直流电压，所以电机产生零序电流，为了抑制零序电流，将模型预测电流控制方法引入，直流电压检测模块11检测直流母线电压，电流检测模块 8检测开绕组永磁同步电动机模块4中的三相定子电流，三相定子电流经过变换产生dq轴电流和零序电流，电流预测模块10的输入端为电流检测模块8的dq 轴电流和零序电流，合成基本空间电压矢量模块9，速度传感器7的转速和直流电压检测模块11的电压信号，把电流预测模块10输入到矢量筛选模块1中，使矢量筛选最小的合成基本空间电压矢量为期望电压矢量，把期望电压矢量的切换状态通过PWM驱动器模块5输入转换器，驱动电机，抑制零序电流。

具体实施方式三作为本发明的开绕组永磁同步电动机：

开绕组永磁同步电动机的电压方程：

式中u_a、u_b、u_c表示电机a相、b相和c相端电压，e_a、e_b、e_c表示a相、b相和c相电动势。u_a1、u_b1、u_c1表示可控转换器输出的a相、b相和c相电压，u_a2、 u_b2、u_c2表示不可控转换器输出的a相、b相和c相电压，i_a、i_b、i_c表示定子电流 a相、b相和c相分量，R_s表示定子电阻，M表示互感，L表示自感。用坐标变换的变换公式将式(1)中三相静止坐标系下的电压方程变换到同步旋转坐标系中，如下:

u_d、u_q、u₀分别表示d轴、q轴和0轴上的电压，u₀₁和u₀₂分别表示变换器1和变换器2在PWM脉冲过程中的共模电压,ψ_f、ψ_f3表示永磁体的磁链值和永磁体的磁链的三次谐波分量。θ表示电角度，其中S_x1(x＝a，b，c)＝1,2表示期望电压矢量的可控转换器的切换状态；S_x2(x＝a，b，c)＝1,2表示期望电压矢量的不可控转换器的切换状态。

开绕组永磁同步电动机的转矩方程：

T_e＝1.5p(ψ_f×i_q+(L_d-L_q)i_qi_d) (4)

T_e表示电磁转矩，p表示极对数，L_d、L_q表示电机d轴，q轴电感,i_d、i_q表示电机 d轴、q轴定子电流，ψ_f表示永磁体的磁链值。

开绕组永磁同步电动机的转速微分方程：

dω_e/dt＝pT_e/J-pT_L/J-Bω_e/J (5)

ω_e表示转子电角速度,T_L表示负载转矩，B表示阻尼系数，J表示转动惯量，p表示极对数，d表示微分算子。

电流预测方程：

把开绕组永磁同步电动机的电压方程离散化后，按照模型预测原理如式(6)所示形式得到其电流预测方程：

式中x(k+1)表示k+1时刻的状态变量值，x(k)表示k时刻的状态变量值，u(k)表示 k时刻的控制输入变量值，y(k)表示k时刻的被控输出变量值，A，B分别表示各自变量的系数，E(k)表示k时刻的干扰变量值。

t(k+1)时间点的电流预测方程，如下所示：

其中：

t(k+2)时间点的电流预测方程，如下所示：

其中：

i_d(k+1)、i_q(k+1)和i₀(k+1)表示时间点t(k+1)的d轴、q轴和0轴的电流值，测量得到的电流i_d(k+2)、i_q(k+2)、i₀(k+2)和u_d(k+2)、u_q(k+2)、u₀(k+2)表示时间点t(k+2) 的d轴、q轴和0轴电流值和电压值。再把得到的i_d(k+2)、i_q(k+2)和i₀(k+2)代入矢量筛选g中，T_s为采样时间。

矢量筛选方程：

式中i^* _d、i^* _q、i^* ₀、表示电机d轴、q轴、0轴的期望电流值。

本实施方案的实质是根据矢量筛选中d、q、0轴的电流误差最小，抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

采用本发明的控制方法时，电流变化稳定,响应速度比传统控制方法迅速。

采用本发明的控制方法时，转速波动小，响应速度比传统控制方法快。

采用本发明的控制方法时，抗负载扰动能力强。

采用本发明的控制方法时，它的零序电流波动在0轴附近，说明模型预测电流控制方法有效抑制了零序电流，电流谐波畸变率低。

开绕组永磁同步电动机可以应用在大功率场合中的优点，它由双转换器共同提供电能，减少单个电力电子器件的耐压等级，这种结构可以增加系统的总功率。模型预测电流控制方法可以抑制系统中的零序电流，提高电流环的响应速度，加倍电机功率，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性。

图1中OW-PMSM表示开绕组永磁同步电动机。

图2中Y表示判断框中的是，N表示判断框中的否,x表示合成基本空间电压的个数，g表示矢量筛选，g_min表示矢量筛选最小值，U_dc(k)表示k时刻的公共直流母线电压,i(k)表示k时刻的电流，i_x(k+2)表示k+2时刻第x合成基本空间电压的电流，ω_e(k)表示k时刻的转速，θ表示电角度，A₁，A₂， E₁，E₂表示模型预测控制预测原理方程的系数矩阵。

图3中U_dc表示直流母线电压；A，B和C表示开绕组永磁同步电动机中性点打开的一侧绕组；A’,B’和C’表示开绕组开绕组永磁同步电动机中性点打开的另一侧绕组；T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆表示可控转换器的IGBT；T₁’，T₂’，T₃’， T₄’，T₅’，T₆’表示不可控转换器的二极管；U_dc表示公共直流母线电压。

图4中R_s表示开绕组永磁同步电动机的电阻；L₀表示电机零轴上的电感；ω_e表示转子电角速度；ψ_f表示定子磁链值；i₀表示零序电流；u₀₁表示可控转换器的电压；u₀₂表示不可控转换器的电压。

图5中A,B,C,D,E,F,O,H,I,K,E,M,S,Q,P,J,H,U,T表示开绕组永磁同步电动机的基本电压矢量表达。

图6中u_i’和u_i表示可控电压矢量集合和不可控电压矢量集合， i＝0,1,2,3,4,5,6,7。该图表示可控电压矢量和不可控电压矢量合成基本空间电压合成矢量的过程。例如u₄和u₁合成O,(本文展示7个基本空间电压合成矢量)一共合成48种空间电压合成矢量,因为存在冗余状态，所以有19种基本空间电压矢量。

Claims (10)

1.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：DSP控制器模块、PWM驱动器模块(5)、可控转换器模块(2)、不可控转换器模块(3)、开绕组永磁同步电动机(OW-PMSM)模块(4)、速度传感器模块(7)、电流检测模块(8)、交流电压检测模块(6)、直流电压检测模块(11),其中所述的DSP控制器包括矢量筛选模块(1)、合成基本空间电压矢量模块(9)、电流预测模块(10),可控转换器模块(2)和不可控转换器模块(3)连接开绕组永磁同步电动机模块(4)，可控转换器模块(2)产生可控电压矢量集合，不可控转换器模块(3)产生不可控电压矢量集合，可控电压矢量集合和不可控电压矢量集合转化合成基本空间电压矢量模块(9)带入开绕组永磁同步电动机模块(4)，由于两侧转换器具有公共直流母线电压，系统产生零序电流，为了抑制零序电流，将模型预测电流控制方法引入，电流检测模块(8)检测开绕组永磁同步电动机模块(4)的定子三相电流，直流电压检测模块(11)检测直流母线电压，速度传感器模块(7)检测电机转速，交流电压检测模块(6)检测电机电压，电流预测模块(10)的输入端为电流检测模块(8)、合成基本空间电压矢量模块(9)、速度传感器模块(7)和直流电压检测模块(11)，把电流预测模块(10)输入到矢量筛选模块(1)中，使矢量筛选最小的合成基本空间电压矢量为期望电压矢量，把期望电压矢量的切换状态通过PWM驱动器模块(5)输入转换器，驱动电机。

2.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：所述的开绕组永磁同步电动机模块(4)是一种新型电机，把永磁同步电动机绕组中性点打开之后，由于传统各相电机绕组之间的约束关系不再存在，所以各相绕组之间相互独立，这种结构可以在一定程度上提高电机本体的可靠性；开绕组永磁同步电动机通过双转换器的结构形式提高输出电压，扩展转速范围，双转换器的调制特点尤其适合大功率电机驱动系统，具有优良的驱动输出性能。

3.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：把模型预测电流控制方法应用于开绕组永磁同步电动机的电流环控制系统中，根据矢量筛选模块(1)中dq0轴电流误差值最小的原则，有效抑制开绕组永磁同步电动机的零序电流。

4.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：具体包括下述步骤：

步骤a.建立开绕组永磁同步电动机的数学模型；

步骤b.计算合成基本空间电压矢量模块；

步骤c.对所述开绕组永磁同步电动机进行电流预测；

步骤d.将k+2时刻的电流预测值带入矢量筛选模块；

步骤e.把矢量筛选最小值的合成基本空间电压矢量的开关状态作用于转换器中，驱动电机系统。

5.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：开绕组永磁同步电动机的电压方程：

式中u_a、u_b、u_c表示电机的a相、b相和c相端电压，e_a、e_b、e_c表示电机的a相，b相和c相电动势，u_a1、u_b1、u_c1表示可控转换器的a相、b相和c相电压，u_a2、u_b2、u_c2表示不可控转换器输的a相、b相和c相电压，i_a、i_b、i_c表示电机定子电流的a相、b相和c相分量，R_s表示定子电阻，M表示互感，L表示自感；用坐标变换的变换公式将式(1)的三相静止坐标系下电压方程变换到同步旋转坐标系中，如下:

式中u_d、u_q、u₀分别表示d轴、q轴和0轴上的电压，u₀₁和u₀₂分别表示可控转换器和不可控转换器在PWM脉冲过程中的共模电压,ψ_f、ψ_f3表示永磁体的磁链值和永磁体磁链的三次谐波分量，θ表示电角度，其中S_x1(x＝a，b，c)＝1,2表示合成基本空间电压矢量的可控转换器切换状态；S_x2(x＝a，b，c)＝1,2表示合成基本空间电压矢量的不可控转换器切换状态。

6.开绕组永磁同步电动机的转矩方程：

T_e＝1.5p(ψ_f×i_q+(L_d-L_q)i_qi_d) (4)

式中T_e表示电磁转矩，p表示极对数，L_d、L_q表示电机的d轴、q轴电感,i_d、i_q表示电机的d轴、q轴定子电流。

7.开绕组永磁同步电动机的转速微分方程：

dω_e/dt＝pT_e/J-pT_L/J-Bω_e/J (5)

式中ω_e表示转子电角速度,T_L表示负载转矩，B表示阻尼系数，J表示转动惯量，p表示极对数，d表示微分算子。

8.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：把开绕组永磁同步电动机的电压方程离散化后，按照模型预测原理如式(6)所示形式得到其电流预测方程：

9.式中x(k+1)表示k+1时刻的状态变量值，x(k)表示k时刻的状态变量值，u(k)表示k时刻的控制输入变量值，y(k)表示k时刻的被控输出变量值，A，B分别表示各自变量的系数，E(k)表示k时刻的干扰变量值。

t(k+1)时间点的电流预测方程，如下所示：

其中：

t(k+2)时间点的电流预测方程，如下：

其中：

式中i_d(k+1)、i_q(k+1)和i₀(k+1)表示时间点t(k+1)的d轴、q轴和0轴电流值，测量得到的电流i_d(k+2)、i_q(k+2)、i₀(k+2)和u_d(k+2)、u_q(k+2)、u₀(k+2)表示时间点t(k+2)的d轴、q轴和0 轴的电流值和电压值，再把得到的i_d(k+2)、i_q(k+2)和i₀(k+2)代入矢量筛选g中，T_s为采样时间。

10.根据权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法，其特征在于：

矢量筛选方程：

式中i^* _d、i^* _q、i^* ₀、表示电机d轴、q轴、0轴的期望电流值。