CN111224597A - 一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，包括：建立预测模型，将所述预测模型进行离散化，对不同电压矢量作用下的电流预测值及其对应的共模电压大小进行预测计算；设计价值函数，对电流预测值和共模电压进行评价，通过价值函数计算得出每一组电流预测值和共模电压的价值函数值；对所述每一组价值函数值进行比较评价，选择价值函数值最小的一组电流预测值对应的电压矢量作为最优电压矢量，并作用于下一个采样周期；根据所述最优电压矢量和其对应的共模电压大小，计算并优化所述最优电压矢量的作用时间。本发明能够有效抑制零序电流，提高控制系统的稳定性以及提高电能有效利用率。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法。
背景技术
永磁同步电机因其结构简单、噪声低、功率密度高等特点，广泛应用于电动汽车、航空航天、电力传动设备等领域。传统的永磁同步电机绕组有三个端子分别由UVW三相供电，绕组另一端则连接在一起形成中性点。而开绕组永磁同步电机则是将另一端的中性点打开同时由另一台三相逆变器进行供电，而其他结构均保持不变，从而形成开绕组永磁同步电机。根据开绕组永磁同步电机电方式的不同，可分为单电源共直流母线型、混合供电型和隔离双电源供电型，其中共直流母线型因其结构简单、仅需一个电源，节约成本而被广泛研究。
永磁同步电机的控制方法一直以来都是国内外学者的研究热点，在交流调速领域内矢量控制和直接转矩控制被广泛研究和应用。随着控制器的发展，模型预测控制也越来越受到了无数学者的青睐，不断开展广泛研究。模型预测控制又可分为连续型模型预测控制和有限控制集模型预测控制，其中有限控制集模型预测控制具有控制概念简单、动态响应快、多目标约束等优点。同时有限控制集模型预测控制根据控制对象的不同又可分为模型预测电流控制、模型预测转矩控制、模型预测磁链控制。
目前，对开绕组永磁同步电机的控制算法大都是来自传统永磁同步电机控制算法的迁移，控制原理与控制效果基本一致。对于传统永磁同步电机和隔离电源供电的开绕组永磁同步电机，因其不存在零序回路，即使逆变器产生共模电压或反电动势存在三次谐波也并不会产生零序电流。但是，共直流母线供电的系统存在零序回路，零序电流则会产生，零序电流的存在会使得电磁转矩中产生一个六次谐波脉动，不利于调速系统稳定运行，同时会消耗的更多的无功功率，降低能量的利用率。因此，对零序电流的抑制成为一个重要的研究内容。
目前，对开绕组永磁同步电机零序电流抑制的研究基本都是通过控制调制过程来进行抑制零序电流的算法研究。有学者提出使用不含共模电压的电压矢量，以此来抑制零序电流，但是并不能对反电动势三次谐波进行控制补偿，因此控制效果并不理想，而且采用不产生共模电压的电压矢量降低了直流母线的利用率。还有学者提出SPWM调制和PR零序回路控制，或者SVPWM调制和PR零序回路控制。采用PR控制器可以对共模电压和反电动势三次谐波进行补偿控制，可以实现较好的控制性能，但控制结构复杂，计算量较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，能够有效抑制零序电流。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，包括：
步骤(1)：建立预测模型，将所述预测模型进行离散化，对不同电压矢量作用下的t(k+1)时刻的电流预测值和所述电流预测值对应的共模电压大小进行预测计算；
步骤(2)：设计价值函数，对所述t(k+1)时刻的电流预测值和共模电压进行评价，通过所述价值函数计算得出每一组电流预测值和共模电压的价值函数值；
步骤(3)：对所述每一组价值函数值进行比较评价，并选择使得价值函数值最小的一组电流预测值对应的电压矢量作为最优电压矢量，将所述最优电压矢量作用于下一个采样周期；
步骤(4)：根据所述最优电压矢量和所述最优电压矢量对应的共模电压大小，计算并优化所述最优电压矢量的作用时间。
所述步骤(1)具体为：通过对不同电压矢量作用下共模电压进行预测，实现对反电动势三次谐波的追踪；通过对所述t(k+1)时刻的电流预测值和所述电流预测值对应的共模电压大小进行预测，实现对零序回路的预测。
所述步骤(2)还包括：将共模电压作为控制的约束条件加入到所述价值函数中。
所述步骤(3)中，所述电压矢量为同一采样周期内两个有效电压矢量共同作用的结果，所述有效矢量为非零矢量。
所述电压矢量的选择分两次进行，第一次选择的电压矢量为第一个最优电压矢量；在第二次选择第二个最优电压矢量时，将所述第一个最优电压矢量的作用时间考虑在内，同时实现了对第二个最优电压矢量和作用时间的优化。
所述第一个最优电压矢量对应的作用时间为预先设定的非固定值，将预先设定的作用时间和第二个最优电压矢量的预测选择放在同一个价值函数中进行滚动优化。
所述步骤(1)中，通过前向欧拉公式对所述预测模型进行离散化。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过对一个采样周期内两个有效电压矢量的选择及作用时间计算，从而能够实现控制共模电压的大小来追踪永磁同步电机中反电动势三次谐波的大小，进而有效抑制零序电流，提高控制系统的稳定性以及提高电能有效利用率。
附图说明
图1是本发明实施方式中开绕组永磁同步电机控制系统框图；
图2是本发明实施方式中开绕组系统电压矢量图；
图3是本发明实施方式中算法流程图；
图4是本发明实施方式中算法基本原理图；
图5是本发明实施方式中开绕组永磁同步电机零序回路等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，建立预测模型，将所述预测模型进行离散化，对不同电压矢量作用下的t(k+1)时刻的电流预测值和所述电流预测值对应的共模电压大小进行预测计算；设计价值函数，对所述t(k+1)时刻的电流预测值和共模电压进行评价，通过所述价值函数计算得出每一组电流预测值和共模电压的价值函数值；对所述每一组价值函数值进行比较评价，并选择使得价值函数值最小的一组电流预测值对应的电压矢量作为最优电压矢量，将所述最优电压矢量作用于下一个采样周期；根据所述最优电压矢量和所述最优电压矢量对应的共模电压大小，计算并优化所述最优电压矢量的作用时间。
本发明的实施方式主要应用于开绕组永磁同步电机控制系统，解决在共直流母线型系统中因零序回路存在而产生零序电流的问题，从而提高控制系统的稳定性以及提高电能有效利用率。
如图1所示，为本实施方式的开绕组永磁同步电机控制系统框图，通过预测模型和价值函数滚动优化，实现对电压矢量的实时调节，模型预测控制很重要的一个优点就是可以实现多目标约束，本实施方式设计可行的预测模型和价值函数，通过对不同电压矢量的作用进行在线实时调节，使其产生共模电压的大小始终追踪反电动势三次谐波的变化，从而抑制零序电流。
图2是本发明实施方式的开绕组系统电压矢量图，本实施方式采用的电压矢量均为有效电压矢量，避免了零矢量作用带来的高开关频率问题，图2中，中间六边形上的电压矢量(HJLNQS)方案与采用不产生共模电压的电压矢量相比，本实施方式采用的有效矢量为图2中大六边形(GIKMPR)上的矢量，有效提高了直流母线电压的利用率。
图4是本发明实施方式的基本原理图，V1,V2...Vn表示电压矢量，Ts为采样周期，Topt1为在一个采样时间周期内第一个电压矢量的作用时间。在一个采样周期时间内，首先根据预测模型对电压矢量进行预测并选择最优矢量作为第一个作用的电压矢量Vopt1，在第一矢量预测的基础上再对第二电压矢量Vopt2以及两个电压矢量的作用时间进行预测计算，从而得到可以满足零序电流抑制要求的的合成的电压矢量V*，从而达到抑制开绕组永磁同步电机零序电流的目的。
图3是本发明实施方式的算法流程图，其主要包括：电流预测、价值函数评价、电压矢量选择和作用时间计算与优化。具体实施步骤如下：
步骤一：根据开绕组永磁同步电机的数学模型建立符合控制算法要求的预测模型，在本发明实施方式的方法控制中新的预测模型考虑了不同电压矢量作用下共模电压的大小，即模型在对电流预测的基础上也实现了对共模电压的预测。
步骤二：在本发明实施方式建立的新的预测模型基础上，对下一个采样周期内的电流及共模电压进行预测，并得出预测的电流值及相应的共模电压大小。
步骤三：在预测模型得出预测结果后，将结果传递到价值函数评价环节进行评价。必须指出，因为在预测中需要分别对第一个最优矢量和第二个最优矢量进行预测，则价值函数评价也同样需要两次评价过程。在每次评价过程结束后选择使得价值函数最小的预测值所对应的电压矢量作为最优矢量作用于下一个采样周期。必须指出，因为预测过程中对不同电压矢量作用下的共模电压同样进行了预测，因此在价值函数设计时同样考虑了共模电压的约束，设计价值函数如下：
其中，
表示dq轴电流给定值，
表示dq轴电流预测值。
步骤四：在选择出最优矢量后，将其传递给作用时间优化模块，根据不同的第二矢量以及共模电压的要求对作用时间进行计算优化。必须指出，作用时间的计算与优化与最终电压矢量的确定相关，即在对预测结果进行评价的过程中就已经实现了作用时间的优化。
步骤五：根据最终的电压矢量选择结果以及作用时间的计算与优化输出电压矢量相应的开关信号和占空比，与调制波产生PWM信号控制逆变器动作，进而控制开绕组永磁同步电机。
实现本发明实施方式所作用的系统主要包含四大模块，包括电流预测、电压矢量选择、价值函数评价、作用时间计算这四个主要模块。
电流预测模块是指根据开绕组永磁同步电机数学模型建立电流预测模型，包括永磁同步电机系统建模、模型离散化等。永磁同步电机系统建模是指根据开绕组永磁同步电机的基本结构和数学模型，建立含有反电动势三次谐波的数学模型，并建立符合算法要求的电流预测模型。通过将预测电流系统的离散化，将宏观连续变化的电流离散成的采用周期内不同电压矢量作用下的预测电流值以及共模电压，并将这些预测电流值及共模电压传递给价值函数以及作用时间计算模块。
价值函数模块充分考虑了有限集模型预测控制多目标约束的优点，将零序回路约束加入到价值函数中。根据电流预测模块得到的预测值以及相对应的电压矢量对每一组预测值进行价值函数计算，得到不同预测值相对应的价值函数值，并将得到的每一个价值函数值进行比较，选择价值函数最小的一组预测值所对应的电压矢量作为第一个最优矢量，并将该最优矢量传递给作用时间计算模块。
作用时间是指在第一个最优矢量选定以后对其作用时间的计算，并根据此作用时间进行第二个电压矢量的预测。这里的第一个最优电压矢量作用时间并不是一个固定值，而是一个预先给定值，具体的作用时间将根据对零序电流的抑制要求来进行选择和优化。这个作用时间将包含在第二个有效电压矢量作用后的预测电流中，在对电流的优化选择过程中也实现了作用时间的优化。
如图5所示，为本发明实施方式的开绕组永磁同步电机零序回路等效电路图，通过对零序电流回路进行了等效电路分析，利用有效电压矢量作用产生共模电压追踪永磁同步电机反电动势三次谐波，使零序回路电压之和为零来达到抑制零序电流的效果。
在共模电压追踪永磁同步电机反电动势三次谐波上充分利用模型预测控制高动态响应的优点，实现共模电压的有效追踪，提高控制精度和稳定性。
由此可见，本发明通过共模电压实时追踪反电动势三次谐波的变换，有效抑制了零序电流，并且结构简单，不需要复杂的控制结构以及参数配置，动态响应更好，控制灵活方便，有效提高了系统稳定性，还改善直流母线电压利用率和固定开关频率方面也有着独特的优势，适用于开绕组永磁同步电机控制系统。
Claims (7)
1.一种开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：建立预测模型，将所述预测模型进行离散化，对不同电压矢量作用下的t(k+1)时刻的电流预测值和所述电流预测值对应的共模电压大小进行预测计算；
步骤(2)：设计价值函数，对所述t(k+1)时刻的电流预测值和共模电压进行评价，通过所述价值函数计算得出每一组电流预测值和共模电压的价值函数值；
步骤(3)：对所述每一组价值函数值进行比较评价，并选择使得价值函数值最小的一组电流预测值对应的电压矢量作为最优电压矢量，将所述最优电压矢量作用于下一个采样周期；
步骤(4)：根据所述最优电压矢量和所述最优电压矢量对应的共模电压大小，计算并优化所述最优电压矢量的作用时间。
2.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：通过对不同电压矢量作用下共模电压进行预测，实现对反电动势三次谐波的追踪；通过对所述t(k+1)时刻的电流预测值和所述电流预测值对应的共模电压大小进行预测，实现对零序回路的预测。
3.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：将共模电压作为控制的约束条件加入到所述价值函数中。
4.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述电压矢量为同一采样周期内两个有效电压矢量共同作用的结果，所述有效矢量为非零矢量。
5.根据权利要求4所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述电压矢量的选择分两次进行，第一次选择的电压矢量为第一个最优电压矢量；在第二次选择第二个最优电压矢量时，将所述第一个最优电压矢量的作用时间考虑在内，同时实现了对第二个最优电压矢量和作用时间的优化。
6.根据权利要求5所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述第一个最优电压矢量对应的作用时间为预先设定的非固定值，将预先设定的作用时间和第二个最优电压矢量的预测选择放在同一个价值函数中进行滚动优化。
7.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机的零序电流抑制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过前向欧拉公式对所述预测模型进行离散化。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200602 |