CN111478633A - 一种永磁同步电机无差拍预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步电机无差拍预测控制方法,基于可预测铁耗等效电路模型实现,相比于传统的永磁同步电机无差拍预测控制方法,与可预测铁耗的等效电路模型实现了有机结合,可当永磁同步电机空载运行,转速指令为从零阶跃至额定转速时,本方法动态响应更快,经短暂的调节后可准确地跟随指令转速。当永磁同步电机转速稳定后,突加阶跃负载转矩,本方法转矩鲁棒性更优,在电机负载转矩突变后仍可迅速准确地跟随预设转速,而传统方法在转矩突变后便偏离指定转速。基于本方法的系统稳态电流要大于传统方法中的稳态电流,这与电机运行的实际情况更相符,更能准确地分析电机运行的实际特性。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域,尤其涉及一种基于可预测铁耗等效电路模型实现的永磁同步电机无差拍预测控制技术。
背景技术
目前,基于可预测铁耗等效电路模型的永磁同步电机矢量控制方法因计及永磁同步电机的铁心损耗,更接近永磁同步电机运行的实际工况,故可实现永磁同步电机在全工作域损耗最小控制策略,从而显著提高永磁同步电机的运行效率。然而,这种方法存在动态响应慢、转矩脉动大、转矩突变后不能继续准确跟随指令转速、稳态相电流因含有大量高次谐波而正弦性差等诸多问题。
与永磁同步电机矢量控制方法相比,模型预测控制方法可以获得更高的动态响应特性和稳态精度。在各类模型预测控制方法中,无差拍预测控制方法的动态响应速度最快且稳定精度高,但相较传统的永磁同步电机矢量控制方法和其它模型预测控制方法,永磁同步电机无差拍预测控制方法存在抗转矩突变性能差的不足。此外,永磁同步电机模型预测控制方法依赖于永磁同步电机的模型,因此对电机模型精度的要求更高,当电机模型精度不够或电机模型参数失配时,其控制性能将受到影响。因此,如何克服上述现有方法的局限性,对永磁同步电机实现更好预测控制,是本领域中一个亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种永磁同步电机无差拍预测控制方法,基于可预测铁耗等效电路模型实现,所述方法具体包括以下步骤:
步骤三、对所述步骤二中得到的d轴与q轴参考电压进行Park逆变换,得到永磁同步电机在α-β坐标系下的电压分量vα以及vβ;所述电压分量vα以及vβ经SVPWM模块输出逆变器的开关信号,从而使逆变器模块输出abc三相电流ia、ib以及ic以拖动永磁同步电机运行;
步骤四、将利用电流传感器采集的时刻实际三相输入电流ia(k)、ib(k)以及ic(k),再经Clark变换模块和Park变换模块变换,得到d-q轴电流id(k)和iq(k),并对所述无差拍预测控制进行反馈校正;
步骤五、实时采集的k时刻永磁同步电机转子机械角度位置信号θm(k),并分别计算得到转子电角度位置信号θe(k)、电角速度ωe(k);将所述转子电角度位置信号θe(k)分别反馈作为Park变换以及Park逆变换,作为坐标变换的实时参数;将所述电角速度ωe(k)反馈至所述无差拍预测控制进行校正。
进一步地,所述步骤二中建立该永磁同步电机的可预测铁耗等效电路模型,具体采用以下d-q轴电压方程:
其中,Vd以及Vq分别为永磁同步电机d轴以及q轴的端电压;Vod以及Voq分别为d轴以及q轴的磁化支路端电压;id以及iq分别为d轴以及q轴的电流;iod以及ioq分别为d轴以及q轴的磁化支路电流;icd以及icq分别为d轴以及q轴的铁耗电流;Ld以及Lq分别为d轴以及q轴的电感;Rs为定子绕组的内阻;Rc为可变等效铁耗电阻;φf为永磁体磁链的幅值;ωe为电角速度;p为微分算子即p=d/dt。
转矩Te为Iod与Ioq的函数可以表示为:
其中,P为电机转子极数。
进一步地,在表贴式永磁同步电机Ld=Lq=Ls的条件下,Ls为永磁同步电机的同步电感,无差拍预测控制方法的状态空间模型为:
利用欧拉算法将基于预测铁心损耗的永磁同步电机模型做离散化处理,得到电流方程为:
i(k+1)=Ai(k)+Cu(k)+D(k)
式中,各矩阵的定义如下:
为进一步得到预测电压u(k+1),需增加一个预测周期,即:
i(k+2)=Ai(k+1)+Cu(k+1)+D(k+1)
根据无差拍预测控制原理,预测采样得到的电流值应等于当前时刻的电流参考值,即:
i(k+2)=i*(k)
所述步骤二中技术得到k+1时刻的d轴与q轴参考电压,由以下公式计算:
u(k+1)=C-1[i*(k)-A(Ai(k)+Cu(k)+D(k))-D(k+1)]
进一步地,所述步骤五中所述的转子电角度位置信号θe(k),由所述转子机械角度位置信号θm(k)与永磁同步电机的极对数相乘得到;所述电角速度ωe(k)由所述转子电角度位置信号θe(k)经微分运算得到。
上述本发明所提供的方法,相比于传统的永磁同步电机无差拍预测控制方法,实现了与可预测铁耗的等效电路模型有机结合,至少具有以下有益效果:
1、当永磁同步电机空载运行,转速指令为从零阶跃至额定转速时,本方法的动态响应更快,经短暂的调节后可准确地跟随指令转速。
2、当永磁同步电机转速稳定后,突加阶跃负载转矩,本方法转矩鲁棒性更优,在电机负载转矩突变后仍可迅速准确地跟随预设转速,而传统方法在转矩突变后便偏离指定转速。
3、基于本方法的系统稳态电流要大于传统方法中的稳态电流,这与电机运行的实际情况更相符,更能准确地分析电机运行的实际特性。
附图说明
图1为本发明所提供方法的整体示意框图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的方法如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤三、对所述步骤二中得到的d轴与q轴参考电压进行Park逆变换,得到永磁同步电机在α-β坐标系下的电压分量vα以及vβ;所述电压分量vα以及vβ经SVPWM模块输出逆变器的开关信号,从而使逆变器模块输出abc三相电流ia、ib以及ic以拖动永磁同步电机运行;
步骤四、将利用电流传感器采集的k时刻实际三相输入电流ia(k)、ib(k)以及ic(k),再经Clark变换模块和Park变换模块变换,得到d-q轴电流id(k)和iq(k),并对所述无差拍预测控制进行反馈校正;
步骤五、实时采集的k时刻永磁同步电机转子机械角度位置信号θm(k),并分别计算得到转子电角度位置信号θe(k)、电角速度ωe(k);将所述转子电角度位置信号θe(k)分别反馈作为Park变换以及Park逆变换,作为坐标变换的实时参数;将所述电角速度ωe(k)反馈至所述无差拍预测控制进行校正。
进一步地,所述步骤二中建立该永磁同步电机的可预测铁耗等效电路模型,具体采用以下d-q轴电压方程:
其中,Vd以及Vq分别为永磁同步电机d轴以及q轴的端电压;Vod以及Voq分别为d轴以及q轴的磁化支路端电压;id以及iq分别为d轴以及q轴的电流;iod以及ioq分别为d轴以及q轴的磁化支路电流;icd以及icq分别为d轴以及q轴的铁耗电流;Ld以及Lq分别为d轴以及q轴的电感;Rs为定子绕组的内阻;Rc为可变等效铁耗电阻;φf为永磁体磁链的幅值;ωe为电角速度;p为微分算子即p=d/dt。
转矩Te为Iod与Ioq的函数可以表示为:
其中,P为电机转子极数。
在本发明的一优选实施例中,永磁同步电机采用表贴式永磁同步电机,其Ld=Lq=Ls,Ls为永磁同步电机的同步电感,无差拍预测控制方法的状态空间模型为:
利用欧拉算法将基于预测铁心损耗的永磁同步电机模型做离散化处理,得到电流方程为:
i(k+1)=Ai(k)+Cu(k)+D(k)
式中,各矩阵的定义如下:
为进一步得到预测电压u(k+1),需增加一个预测周期,即:
i(k+2)=Ai(k+1)+Cu(k+1)+D(k+1)
根据无差拍预测控制原理,预测采样得到的电流值应等于当前时刻的电流参考值,即:
i(k+2)=i*(k)
所述步骤二中技术得到k+1时刻的d轴与q轴参考电压,由以下公式计算:
u(k+1)=C-1[i*(k)-A(Ai(k)+Cu(k)+D(k))-D(k+1)]。
应理解,本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种永磁同步电机无差拍预测控制方法,基于可预测铁耗等效电路模型实现,其特征在于:所述方法具体包括以下步骤:
步骤三、对所述步骤二中得到的d轴与q轴参考电压进行Park逆变换,得到永磁同步电机在α-β坐标系下的电压分量vα以及vβ;所述电压分量vα以及vβ经SVPWM模块输出逆变器的开关信号,从而使逆变器模块输出abc三相电流ia、ib以及ic以拖动永磁同步电机运行;
步骤四、将利用电流传感器采集的k时刻实际三相输入电流ia(k)、ib(k)以及ic(k),再经Clark变换模块和Park变换模块变换,得到d-q轴电流id(k)和iq(k),并对所述无差拍预测控制进行反馈校正;
步骤五、实时采集的k时刻永磁同步电机转子机械角度位置信号θm(k),并分别计算得到转子电角度位置信号θe(k)、电角速度ωe(k);将所述转子电角度位置信号θe(k)分别反馈作为Park变换以及Park逆变换,作为坐标变换的实时参数;将所述电角速度ωe(k)反馈至所述无差拍预测控制进行校正。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于:在表贴式永磁同步电机Ld=Lq=Ls的条件下,Ls为永磁同步电机的同步电感,可无差拍预测控制方法的状态空间模型为:
利用欧拉算法将基于预测铁心损耗的永磁同步电机模型做离散化处理,得到电流方程为:
i(k+1)=Ai(k)+Cu(k)+D(k)
式中,各矩阵的定义如下:
为进一步得到预测电压u(k+1),需增加一个预测周期,即:
i(k+2)=Ai(k+1)+Cu(k+1)+D(k+1)
根据无差拍预测控制原理,预测采样得到的电流值应等于当前时刻的电流参考值,即:
i(k+2)=i*(k)
所述步骤二中技术得到k+1时刻的d轴与q轴电压作为参考电压,由以下公式计算:
u(k+1)=C-1[i*(k)-A(Ai(k)+Cu(k)+D(k))-D(k+1)]。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于:所述步骤五中所述的转子电角度位置信号θe(k),由所述转子机械角度位置信号θm(k)与永磁同步电机的极对数相乘得到;所述电角速度ωe(k)由所述转子电角度位置信号θe(k)经微分运算得到。
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