CN111092583A - 一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，基于电机模型预测下一周期d‑q轴定子电流，将其作为PI调节器反馈值计算得到定子电压参考值。针对电机参数变化对预测精度的影响，本发明对上述预测模型做了进一步修正，当实际参数与电机参数标称值不一致时，模型中的误差电压项将起到修正电流预测值的效果。本发明无需改变硬件配置或增加额外逻辑器件，成本低、实现简单且易于拓展，削弱了数字延时对电流环调节速度的限制，加快了电流跟踪特性，即使在电机参数变化较大的情况下依然保证较高的控制精度，适合于对动态跟踪要求以及控制精度要求较高的永磁同步电机驱动场合。

Description

一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术的领域，尤其涉及一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)能够实现高精度、高动态性能和大范围的调速，因此在很多电机传动场合得到应用。转子磁场定向控制(FOC)是目前PMSM系统应用最广泛的电机控制策略，同其他策略相比，具有转矩控制精度高的优势。转子磁场定向控制采取级联控制结构，电流环作为系统内环，其优良的跟踪特性及足够高的带宽是保证系统稳定与快速响应的前提。在不考虑d、q轴电流耦合的情况下，PMSM电流环带宽与开关频率、电流环控制算法、电机参数等因素相关。开关频率受开关损耗影响无法设定很高，电机参数与本体设计以及电机运行状态有关，无法主动调整，所以改善控制算法是提升电流环性能的主要手段。

众所周知，控制算法的实现遵循数字系统的工作时序，因此数字系统引入的延时是制约环路带宽的因素之一。数字控制延时主要由A/D采样保持时间、算法计算时间、PWM更新时间等因素构成。为了减小电流环路的延时及其影响，可以采用FPGA对电流采样和PWM占空比更新时序进行改进，以进一步提高电流环带宽，改善控制性能，但是增加了硬件成本和实现难度；如果在一个载波周期内实现双采样双占空比更新的控制策略，可以缩短近一半的数字延时，加快系统的动态响应，但同时增加了开关次数，程序执行时间的裕量被缩短了一半；如果不改变硬件配置，考虑数字延时环节，传统电流PI控制器比例积分系数整定公式可以进一步完善，这将提高整套电机系统的带宽，但提升效果有限；同样的，考虑当前周期施加电压对电流的作用，预测下一周期电压的大小，将预测电压直接施加于当前控制周期，减小了延时的影响，但因忽略了定子电阻压降，预测电压的精度可能会受到影响。采用线性预测和Smith预测方法可以削弱数字延时对电流环路的影响，电流控制性能得到提升，但预测方法存在一定的估计误差。

除了优化PI控制器的设计外，许多学者研究无差拍预测控制方案，借助电机模型直接计算出电压矢量，消除了PI调节器，加快了系统的响度速度。但相比于PI控制，无差拍预测控制对电机参数依赖性高，当电机参数失配时，电流跟踪将出现稳态误差和超调震荡，在电感参数误差较大的情况下甚至会失稳。为了提高鲁棒性，有研究将预测控制与PI控制结合，很大程度消除电流跟踪误差，但引入PI调节器限制了无差拍控制的动态响应速度；也有学者采用自适应观测器补偿电压给定，减小了参数变化对电压计算的影响。

上述方法可以在一定程度上提高电流环性能，但鲜有方案对电流环数字控制延时和系统鲁棒性同时考虑。电机持续工作时，温升和磁路饱和会引起电机定子电阻、定子电感、转子磁链等参数的变化，电流环的动态跟踪和稳态精度因此会受到负面影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，以解决永磁同步电机驱动系统电流环响应速度受数字延时约束大、传统补偿方案的电流跟踪特性受电机参数变化影响大、传统电流环需要改变硬件配置或增加硬件成本等技术问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，所述三相永磁同步电机驱动系统采用三相逆变功率电路驱动三相永磁同步电机，延时补偿方法包括以下步骤：

步骤1)，分别采集永磁同步电机三相定子绕组电流i_A、i_B、i_C、母线电压U_DC、以及当前转子位置角θ_r，并对转子位置角求微分得到转子机械角速度ω_m，将转子机械角速度ω_m乘以电机极对数得到转子电角速度ω_r；

步骤2)，存储上一控制周期计算得到的d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

步骤3)，通过坐标变换按照下式将采集到的电流i_A、i_B、i_C变换至d-q坐标系下，得到对应的d-q轴电流实际值i_d、i_q：

步骤4)，令d轴电流给定值i_d ^*为零，将角速度指令

与转子机械角速度ω_m的差值输入第一PI调节器得到q轴电流的给定值i_q ^*；

步骤5)，将d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q代入电流预测模型中，得到下一个周期d轴电流预测值i_dpre和q轴电流预测值i_qpre，电流预测模型表示如下：

其中，ω_r是转子电角速度，

是电机定子电阻标称值，

是电机定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值标称值，T_s是控制周期；

步骤6)，将d轴电流给定值i_d ^*减去d轴电流预测值i_dpre得到的差值输入到第二PI调节器输出当前控制周期d轴定子电压给定值

将q轴电流给定值i_q ^*减去q轴电流预测值i_qpre得到的差值输入到第三PI调节器输出当前控制周期q轴定子电压给定值

步骤7)，d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

通过Ipark变换按照下式变换得到静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

步骤8)，将静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

输入空间矢量调制SVPWM环节输出电压矢量施加于三相逆变功率电路补偿电流环固有的数字延时。

本发明还公开了另一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，将所述步骤5)中的电流预测模型采用修正后的电流预测模型替换，所述修正后的电流预测模型的建立方法如下：

步骤A)，令V_dcom(k)为当前控制周期电机参数变化引起的d轴定子误差电压，V_qcom(k)为当前周期电机参数变化导致的q轴定子误差电压，V_dcom(k)、V_qcom(k)的计算步骤如下：

步骤A.1)，令误差电压在一个控制周期内恒定，定义新的状态变量为

得到关于预测电流和误差电压值的状态方程为：

输出方程为：

其中，k代表当前控制周期，k+1代表下一控制周期；i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，x₁(k+1)是下一周期电流状态值，x₂(k+1)是下一周期误差电压状态值；控制变量

是定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值，V_d(k)是当前周期d轴定子电压，V_q(k)是当前周期q轴定子电压，i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，ω_r(k)是当前周期转子电角速度；y(k)是当前周期输出状态值；系数矩阵

T_s是控制周期；

步骤A.2)，引入中间变量Z(k)，通过降阶观测器计算误差电压值，降阶观测器方程为：

其中，

F是观测器反馈增益矩阵，Z(k+1)是下个周期中间变量值；

步骤A.3)，设置反馈增益矩阵为对角阵，要求对角元素满足以下条件使得观测矩阵收敛至稳态值，对角阵为：

增益K需要满足：

步骤A.4)，在

范围内确定增益值K，将反馈增益矩阵F代入降阶观测器方程中，迭代计算求得状态变量x₂(k)，获得d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom；

步骤B)，在永磁同步电机定子电压方程中添加d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom，得到修正后的定子电压方程：

其中，V_d是d轴定子电压，V_q是q轴的定子电压；

步骤C)，对修正后的定子电压方程进行前向欧拉离散化，得到修正后的定子电压离散化方程：

其中，i_dnext是下一周期d轴定子电流，i_qnext是下一周期q轴定子电流；

步骤D)，以d轴定子电流i_d和q轴定子电流i_q作为状态变量，将修正后的定子电压离散化方程逆推得到修正后的电流预测模型：

其中，i_dpre取代步骤C中下一时刻d轴定子电流值i_dnext作为d轴定子电流预测值，i_qpre、取代步骤C中下一时刻q轴定子电流值i_qnext作为q轴定子电流预测值；

当电机参数与标称值相同时，误差电压项为零；当电机参数与标称值不一致时，误差电压项起到对预测电流的修正作用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明公开了一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，其根据永磁同步电机定子电压方程逆推所得电流预测模型，得到下个周期开始时刻的d-q轴定子电流，将预测电流作为PI调节器反馈，削弱了数字延时对电流环动态特性的影响。采用该补偿方案，电流环调节速度更快，电流跟踪性能得到提高。

2、本发明公开了一种永磁同步电机电流预测模型修正方法，相比于传统预测方法，本发明考虑了电机参数变化对电流预测精度的影响，通过电压补偿的方式将误差电压项补充至电流预测方程中。当电机参数实时变化时，误差电压项将起到对预测电流的修正作用，使得电流控制精度提高，系统鲁棒性加强。

3、本发明公开了一种估测电机参数变化造成误差电压的方法，通过将误差电压项设计为新的状态变量，结合修正的电流预测模型建立新的状态空间函数，借助降阶观测器的思路引入反馈增益矩阵调节输出变量与观测变量的误差以加快状态观测的收敛过程。上述方案不借助额外传感器，实现简单，观测精度高，收敛速度快。

4、本发明采用纯算法方式实现，不需要牺牲代码空间资源，不需要增加电机系统的硬件结构，成本低，实现简单，易于拓展，特别适用于较低成本、动态响应快、精度要求高的三相永磁同步电机驱动场合。

附图说明

图1为三相永磁同步电机驱动系统组成结构图；

图2为三相永磁同步电机电流环延时补偿方法的控制框图；

图3为电机参数变化引起误差电压观测器框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，其中，驱动系统包括三相逆变功率电路、控制电路、母线电压采样电路、电机三相电流采样电路、电机转子位置采样电路，如图1所示。

如图2所示，延时补偿方法包括以下步骤：

步骤1)，分别采集永磁同步电机三相定子绕组电流i_A、i_B、i_C、母线电压U_DC、以及当前转子位置角θ_r，并对转子位置角求微分得到转子机械角速度ω_m，将转子机械角速度ω_m乘以电机极对数得到转子电角速度ω_r；

步骤2)，存储上一控制周期计算得到的d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

步骤3)，通过坐标变换按照下式将采集到的电流i_A、i_B、i_C变换至d-q坐标系下，得到对应的d-q轴电流实际值i_d、i_q：

步骤4)，令d轴电流给定值i_d ^*为零，将角速度指令

与转子机械角速度ω_m的差值输入第一PI调节器得到q轴电流的给定值i_q ^*；

步骤5)，将d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q代入电流预测模型中，得到下一个周期d轴电流预测值i_dpre和q轴电流预测值i_qpre，电流预测模型表示如下：

其中，ω_r是转子电角速度，

是电机定子电阻标称值，

是电机定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值标称值，T_s是控制周期；

步骤6)，将d轴电流给定值i_d ^*减去d轴电流预测值i_dpre得到的差值输入到第二PI调节器输出当前控制周期d轴定子电压给定值

将q轴电流给定值i_q ^*减去q轴电流预测值i_qpre得到的差值输入到第三PI调节器输出当前控制周期q轴定子电压给定值

步骤7)，d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

通过Ipark变换按照下式变换得到静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

步骤8)，将静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

输入空间矢量调制SVPWM环节输出电压矢量施加于三相逆变功率电路补偿电流环固有的数字延时。

本发明还公开了另一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，将所述步骤5)中的电流预测模型采用修正后的电流预测模型替换，所述修正后的电流预测模型的建立方法如下：

步骤A)，令V_dcom(k)为当前控制周期电机参数变化引起的d轴定子误差电压，V_qcom(k)为当前周期电机参数变化导致的q轴定子误差电压，如图3所示，V_dcom(k)、V_qcom(k)的计算步骤如下：

步骤A.1)，令误差电压在一个控制周期内恒定，定义新的状态变量为

得到关于预测电流和误差电压值的状态方程为：

输出方程为：

其中，k代表当前控制周期，k+1代表下一控制周期；i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，x₁(k+1)是下一周期电流状态值，x₂(k+1)是下一周期误差电压状态值；控制变量

是定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值，V_d(k)是当前周期d轴定子电压，V_q(k)是当前周期q轴定子电压，i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，ω_r(k)是当前周期转子电角速度；y(k)是当前周期输出状态值；系数矩阵

T_s是控制周期；

步骤A.2)，引入中间变量Z(k)，通过降阶观测器计算误差电压值，降阶观测器方程为：

其中，

F是观测器反馈增益矩阵，Z(k+1)是下个周期中间变量值；

步骤A.3)，设置反馈增益矩阵为对角阵，要求对角元素满足以下条件使得观测矩阵收敛至稳态值，对角阵为：

增益K需要满足：

步骤A.4)，在

范围内确定增益值K，将反馈增益矩阵F代入降阶观测器方程中，迭代计算求得状态变量x₂(k)，获得d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom；

步骤B)，在永磁同步电机定子电压方程中添加d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom，得到修正后的定子电压方程：

其中，V_d是d轴定子电压，V_q是q轴的定子电压；

步骤C)，对修正后的定子电压方程进行前向欧拉离散化，得到修正后的定子电压离散化方程：

其中，i_dnext是下一周期d轴定子电流，i_qnext是下一周期q轴定子电流；

步骤D)，以d轴定子电流i_d和q轴定子电流i_q作为状态变量，将修正后的定子电压离散化方程逆推得到修正后的电流预测模型：

其中，i_dpre取代步骤C中下一时刻d轴定子电流值i_dnext作为d轴定子电流预测值，i_qpre、取代步骤C中下一时刻q轴定子电流值i_qnext作为q轴定子电流预测值；

当电机参数与标称值相同时，误差电压项为零；当电机参数与标称值不一致时，误差电压项起到对预测电流的修正作用。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，所述三相永磁同步电机驱动系统采用三相逆变功率电路驱动三相永磁同步电机，其特征在于，延时补偿方法包括以下步骤：

步骤1)，分别采集永磁同步电机三相定子绕组电流i_A、i_B、i_C、母线电压U_DC、以及当前转子位置角θ_r，并对转子位置角求微分得到转子机械角速度ω_m，将转子机械角速度ω_m乘以电机极对数得到转子电角速度ω_r；

步骤2)，存储上一控制周期计算得到的d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

步骤3)，通过坐标变换按照下式将采集到的电流i_A、i_B、i_C变换至d-q坐标系下，得到对应的d-q轴电流实际值i_d、i_q：

步骤4)，令d轴电流给定值i_d ^*为零，将角速度指令

与转子机械角速度ω_m的差值输入第一PI调节器得到q轴电流的给定值i_q ^*；

步骤5)，将d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q代入电流预测模型中，得到下一个周期d轴电流预测值i_dpre和q轴电流预测值i_qpre，电流预测模型表示如下：

其中，ω_r是转子电角速度，

是电机定子电阻标称值，

是电机定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值标称值，T_s是控制周期；

步骤6)，将d轴电流给定值i_d ^*减去d轴电流预测值i_dpre得到的差值输入到第二PI调节器输出当前控制周期d轴定子电压给定值

将q轴电流给定值i_q ^*减去q轴电流预测值i_qpre得到的差值输入到第三PI调节器输出当前控制周期q轴定子电压给定值

步骤7)，d轴定子电压给定值

和q轴定子电压给定值

通过Ipark变换按照下式变换得到静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

步骤8)，将静止坐标系α轴定子电压给定值

和β轴定子电压给定值

输入空间矢量调制SVPWM环节输出电压矢量施加于三相逆变功率电路补偿电流环固有的数字延时。

2.基于权利要求1所述的三相永磁同步电机驱动系统电流环延时补偿方法，其特征在于，所述步骤5)中的电流预测模型采用修正后的电流预测模型替换，所述修正后的电流预测模型的建立方法如下：

步骤A)，令V_dcom(k)为当前控制周期电机参数变化引起的d轴定子误差电压，V_qcom(k)为当前周期电机参数变化导致的q轴定子误差电压，V_dcom(k)、V_qcom(k)的计算步骤如下：

步骤A.1)，令误差电压在一个控制周期内恒定，定义新的状态变量为

得到关于预测电流和误差电压值的状态方程为：

输出方程为：

其中，k代表当前控制周期，k+1代表下一控制周期；i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，x₁(k+1)是下一周期电流状态值，x₂(k+1)是下一周期误差电压状态值；控制变量

是定子电感标称值，

是永磁体磁链幅值，V_d(k)是当前周期d轴定子电压，V_q(k)是当前周期q轴定子电压，i_d(k)是当前周期d轴定子电流，i_q(k)是当前周期q轴定子电流，ω_r(k)是当前周期转子电角速度；y(k)是当前周期输出状态值；系数矩阵

T_s是控制周期；

步骤A.2)，引入中间变量Z(k)，通过降阶观测器计算误差电压值，降阶观测器方程为：

其中，

F是观测器反馈增益矩阵，Z(k+1)是下个周期中间变量值；

步骤A.3)，设置反馈增益矩阵为对角阵，要求对角元素满足以下条件使得观测矩阵收敛至稳态值，对角阵为：

增益K需要满足：

步骤A.4)，在

范围内确定增益值K，将反馈增益矩阵F代入降阶观测器方程中，迭代计算求得状态变量x₂(k)，获得d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom；

步骤B)，在永磁同步电机定子电压方程中添加d轴定子电压误差值V_dcom和q轴定子电压误差值V_qcom，得到修正后的定子电压方程：

其中，V_d是d轴定子电压，V_q是q轴的定子电压；

步骤C)，对修正后的定子电压方程进行前向欧拉离散化，得到修正后的定子电压离散化方程：

其中，i_dnext是下一周期d轴定子电流，i_qnext是下一周期q轴定子电流；

步骤D)，以d轴定子电流i_d和q轴定子电流i_q作为状态变量，将修正后的定子电压离散化方程逆推得到修正后的电流预测模型：

其中，i_dpre取代步骤C中下一时刻d轴定子电流值i_dnext作为d轴定子电流预测值，i_qpre、取代步骤C中下一时刻q轴定子电流值i_qnext作为q轴定子电流预测值；

当电机参数与标称值相同时，误差电压项为零；当电机参数与标称值不一致时，误差电压项起到对预测电流的修正作用。

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