CN111711397A - 一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法，该系统由两台共直流母线开绕组三相永磁同步电机、三台两电平逆变器以及预测电流控制单元组成。首先对直流母线电压U_dc、两台永磁同步电机的三相电流i_a1(k)、i_b1(k)、i_c1(k)、i_a2(k)、i_b2(k)、i_c2(k)、转子位置角θ_m1(k)、θ_m2(k)、机械旋转角速度ω_m1(k)、ω_m2(k)进行采样；然后预测下一状态的电流i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)；根据无差拍的原则推算出k+1状态电压参考值

构造基于相电压矢量的二维平面空间，通过计算三个有关参考相电压矢量空间位置的参数，来快速确认最优相电压矢量，使得该系统使用预测电流控制时所需要的计算量能够减少计算量，并且保持了原本就较为优秀的稳态性能和动态性能。

Description

一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制 方法

技术领域

本发明是一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

在n台电机构成的驱动系统中，传统的开绕组永磁同步电机将需要2n台逆变器，这将占用巨大的体积并提升成本，可以通过使这些电机的一侧共用一台复用逆变器，使需要的逆变器数目降低为n+1台，但是这些逆变器属于同一控制系统，将会使得电压矢量的数目呈指数式增加，不利于使用预测电流控制。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制系统，用于电力驱动领域。该方法提出相电压矢量的概念，利用开绕组电机三相独立的特点，先从各相选出最优的相电压矢量，再将它们对应的触发信号分配到各逆变器。在保证了两台电机协同控制效果、稳态性能、零序电流抑制性能的同时，极大地减少了计算量。

技术方案：一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统，所述系统包含两台三相开绕组永磁同步电机、三台两电平电压源型逆变器以及预测电流控制单元，三台逆变器采取共直流母线的连接方式，每台开绕组电机都需要从左右两端同时进行供电，将两台电机分别称为电机1、电机2，电机1的左端和电机2的右端各使用一台独立逆变器，而电机1的右端和电机2的左端共用一台复用逆变器，将各自的独立逆变器称为逆变器1、逆变器2，共用的复用逆变器称为逆变器0；通过控制逆变器1和逆变器0的a相桥臂即可控制电机1的a相电压，通过控制逆变器2和逆变器0的a相桥臂即可控制电机2的a相电压，b、c相同理；预测电流控制单元对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样，计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制系统，

本发明还提出一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法，具体实施步骤如下：

(1)首先对直流母线电压U_dc、两台永磁同步电机的三相电流i_a1(k)、i_b1(k)、i_c1(k)、i_a2(k)、i_b2(k)、i_c2(k)、转子位置角θ_m1(k)、θ_m2(k)、机械旋转角速度ω_m1(k)、ω_m2(k)进行采样，并通过坐标变换得到dq0坐标系下的i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)；

其中，P_n为极对数，k表示当前时刻的值，k+1表示下一时刻的值，依此类推；下标1表示为电机1的数值，下标2表示为电机2的数值；

(2)根据当前时刻即k时刻在同步旋转dq0坐标系下的电机相电流i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)，结合当前电机相电压在dq0坐标系下的值u_d1(k)、u_q1(k)、u₀₁(k)、u_d2(k)、u_q2(k)、u₀₂(k)，代入到离散域数学模型中预测在k+1时刻的电机相电流i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)；

其中，F₁(k)、F₂(k)、G、H₁(k)、H₂(k)为矩阵；

其中，T_s为采样周期；R为相电阻；L_d为直轴电感；L_q为交轴电感；L₀为零序电感；ψ_f1为永磁体磁链的基波分量；ψ_f3为永磁体磁链的三次谐波分量；

(3)通过速度调节器分别得到两台永磁电机k+2时刻交轴电流参考值

并将直轴电流参考值

和零序电流参考值

均设为0；

(4)通过无差拍的原则，根据k+2时刻电机相电流参考值

和k+1时刻电机相电流值i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)推导出k+1时刻的电机相电压参考值

其中，G^-1为G矩阵的逆矩阵；

(5)将电机相电压参考值

通过坐标变换得到abc坐标系下的相电压参考值

(6)列出该系统三个逆变器在各相的7种基本相电压矢量(u_m1,u_m2),m＝a，b，c及其桥臂开关状态(S_m1,S_m2,S_m0)，如表1所示；

表1

表中S_mn分别为各逆变器各相桥臂的开关状态，当S_mn＝1时，逆变器n的桥臂m的上桥臂导通；否则，逆变器n的桥臂m的下桥臂导通，m＝a,b,c；n＝1,2,0；u_m1、u_m2分别为电机1、电机2的m相电压，m＝a,b,c。

(7)根据下式计算参数X_m、Y_m、Z_m，m＝a，b，c；

N_m＝X_m+Y_m+Z_m

式中，U_dc为直流母线电压；且每个X_m、Y_m、Z_m的值都能够通过距离最短理论从7个基本相电压矢量中筛选出较为适合的几个基本相电压矢量，如表2所示；选择方法如下：U_dc为直流母线电压；且每个X_m、Y_m、Z_m的值都能够通过距离最短理论从7个基本相电压矢量中筛选出备选的几个基本相电压矢量；当X_m为0时，V₄、V₅的电机1相电压也小于-U_dc/2,故它们是备选的最优相电压矢量，而且由于V₈(-U_dc,+U_dc)无法实现，V₃(0,+U_dc)能够在保证电机2相电压为+U_dc的同时，有一个较为接近-U_dc/2的电机1相电压，故V₃能够取代V₈成为了备选最优相电压矢量，即当X_m为0时，可以将V₃、V₄、V₅作为备选最优相电压矢量；当X_m为1时，V₀、V₃、V₆的电机1相电压也小于U_dc/2且大于-U_dc/2,故它们是备选的最优相电压矢量；当X_m为2时，V₁、V₂的电机1相电压也大于U_dc/2,故它们是备选的最优相电压矢量，而且由于V₇(+U_dc,-U_dc)无法实现，V₆(0,-U_dc)能够在保证电机2相电压为-U_dc的同时，有一个较为接近+U_dc/2的电机1相电压，故V₆能够取代V₇成为了备选最优相电压矢量，即当X_m为2时，可以将V₃、V₄、V₅作为备选最优相电压矢量；同理，也可以根据Y_m确定备选最优相电压矢量，当Y_m为1时，V₁、V₅、V₆是备选最优相电压矢量；当Y_m为4时，V₀、V₁、V₄是备选最优相电压矢量；当Y_m为7时，V₂、V₃、V₄是备选最优相电压矢量；有时，还需要通过Z_m来确定备选最优相电压矢量，当Z_m为10时，V₀、V₂、V₃、V₅、V₆是备选最优相电压矢量；当Z_m为0时，V₀、V₁、V₂、V₄、V₅是备选最优相电压矢量。

表2

(a)X_m与较优相电压矢量的对应关系

(b)Y_m与较优相电压矢量的对应关系

(c)Z_m与较优相电压矢量的对应关系

(7)综合考虑X_m、Y_m、Z_m，加和为N_m，选出最优相电压矢量，如表3所示；

表3 N_m与最优相电压矢量及桥臂开关状态的对应关系

并由预测电流控制单元在k+1时刻产生驱动信号控制逆变器桥臂的开关状态，进而控制电机电压；同时，对k+1时刻的电机运行状态进行采样，进入下一个控制循环。

附图说明

图1是半集中式开绕组永磁同步电机拓扑结构；

图2是相电压矢量的分布图及其各区域N_m值；

图3是半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制系统的控制框图；

图4是传统基于相电压误差成本函数遍历控制策略的仿真波形；

图5是传统基于相电压误差成本函数遍历控制策略的谐波分析图；

图6是通过计算参数X_m、Y_m、Z_m快速确定最优相电压矢量控制策略的仿真波形；

图7是通过计算参数X_m、Y_m、Z_m快速确定最优相电压矢量控制策略的谐波分析图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明技术方案进行详细说明；

如附图1所示，本发明实施例公开的一种半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法，其特征在于：所述系统包含两台三相开绕组永磁同步电机、三台两电平电压源型逆变器以及预测电流控制单元，三台逆变器采取共直流母线的连接方式，每台开绕组电机都需要从左右两端同时进行供电，将两台电机分别称为电机1、电机2，电机1的左端和电机2的右端各使用一台独立逆变器，而电机1的右端和电机2的左端共用一台复用逆变器，将各自的独立逆变器称为逆变器1、逆变器2，共用的复用逆变器称为逆变器0；通过控制逆变器1和逆变器0的a相桥臂即可控制电机1的a相电压，通过控制逆变器2和逆变器0的a相桥臂即可控制电机2的a相电压，b、c相同理；预测电流控制单元对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样，计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制系统，具体实施步骤如下：

(1)首先对直流母线电压U_dc、两台永磁同步电机的三相电流i_a1(k)、i_b1(k)、i_c1(k)、i_a2(k)、i_b2(k)、i_c2(k)、转子位置角θ_m1(k)、θ_m2(k)、机械旋转角速度ω_m1(k)、ω_m2(k)进行采样，并通过坐标变换得到dq0坐标系下的i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)；

其中，P_n为极对数，k表示当前时刻的值，k+1表示下一时刻的值，依此类推；下标1表示为电机1的数值，下标2表示为电机2的数值；

(2)根据当前时刻即k时刻在同步旋转dq0坐标系下的电机相电流i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)，结合当前电机相电压在dq0坐标系下的值u_d1(k)、u_q1(k)、u₀₁(k)、u_d2(k)、u_q2(k)、u₀₂(k)，代入到离散域数学模型中预测在k+1时刻的电机相电流i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)；

其中，F₁(k)、F₂(k)、G、H₁(k)、H₂(k)为矩阵；

其中，T_s为采样周期；R为相电阻；L_d为直轴电感；L_q为交轴电感；L₀为零序电感；ψ_f1为永磁体磁链的基波分量；ψ_f3为永磁体磁链的三次谐波分量；

(3)通过速度调节器分别得到两台永磁电机k+2时刻交轴电流参考值

并将直轴电流参考值

和零序电流参考值

均设为0；

(4)通过无差拍的原则，根据k+2时刻电机相电流参考值

和k+1时刻电机相电流值i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)推导出k+1时刻的电机相电压参考值

其中，G^-1为G矩阵的逆矩阵；

(5)将电机相电压参考值

通过坐标变换得到abc坐标系下的相电压参考值

(6)列出该系统三个逆变器在各相的7种基本相电压矢量(u_m1,u_m2),m＝a，b，c及其桥臂开关状态(S_m1,S_m2,S_m0)，如表4所示；

表4

表中S_mn分别为各逆变器各相桥臂的开关状态，当S_mn＝1时，逆变器n的桥臂m的上桥臂导通；否则，逆变器n的桥臂m的下桥臂导通，m＝a,b,c；n＝1,2,0；u_m1、u_m2分别为电机1、电机2各的相电压，m＝a,b,c。

(7)根据下式计算参数X_m、Y_m、Z_m，m＝a，b，c；

N_m＝X_m+Y_m+Z_m

式中，U_dc为直流母线电压；且每个X_m、Y_m、Z_m的值都能够通过距离最短理论从7个基本相电压矢量中筛选出较为适合的几个基本相电压矢量，如表5所示；

表5

(a)X_m与较优相电压矢量的对应关系

(b)Y_m与较优相电压矢量的对应关系

(c)Z_m与较优相电压矢量的对应关系

(7)综合考虑X_m、Y_m、Z_m，加和为N_m，选出最优相电压矢量，如表6所示；

表6 N_m与最优相电压矢量及桥臂开关状态的对应关系

并由预测电流控制单元在k+1时刻产生驱动信号控制逆变器桥臂的开关状态，进而控制电机电压；同时，对k+1时刻的电机运行状态进行采样，进入下一个控制循环。

为了验证本发明的效果，进行了仿真验证。图1是半集中式开绕组永磁同步电机拓扑结构，图2是相电压矢量的最优区域扇区划分及其各区域N_m值，图3是半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制系统的控制框图，图4是传统基于相电压误差成本函数遍历控制策略的仿真波形，图5是传统基于相电压误差成本函数遍历控制策略的谐波分析图，图6是通过计算参数X、Y、Z快速确定最优相电压矢量控制策略的仿真波形，图7是通过计算参数X、Y、Z快速确定最优相电压矢量控制策略的谐波分析图。图4-7的仿真结果表明，本发明提出的基于半集中式开绕组永磁同步电机的预测电流控制系统，拥有与传统基于相电压成本函数遍历方法相同的动态性能、稳态性能和零序电流抑制性能，且能够对两台电机进行协同控制。

为了比较使用传统基于相电压成本函数遍历方法和本方法的计算速度，在仿真条件相同，仿真时间均为10s,的情况下，其仿真实际需要时间如表2所示。

表7-计算时间比较

表2的仿真结果表明，本发明提出的基于半集中式开绕组永磁同步电机的预测电流控制系统拥有更高的计算效率。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (2)

1.一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述系统包含两台三相开绕组永磁同步电机、三台两电平电压源型逆变器以及预测电流控制单元，三台逆变器采取共直流母线的连接方式，每台开绕组电机都从左右两端同时进行供电，将两台电机分别称为电机1、电机2，电机1的左端和电机2的右端各使用一台独立逆变器，而电机1的右端和电机2的左端共用一台复用逆变器，将各自的独立逆变器称为逆变器1、逆变器2，共用的复用逆变器称为逆变器0；通过控制逆变器1和逆变器0的a相桥臂即可控制电机1的a相电压，通过控制逆变器2和逆变器0的a相桥臂即可控制电机2的a相电压，b、c相同理；预测电流控制单元对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样，计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)首先对直流母线电压U_dc、两台永磁同步电机的三相电流i_a1(k)、i_b1(k)、i_c1(k)、i_a2(k)、i_b2(k)、i_c2(k)、转子位置角θ_m1(k)、θ_m2(k)、机械旋转角速度ω_m1(k)、ω_m2(k)进行采样，并通过坐标变换得到dq0坐标系下的i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)；

其中，P_n为极对数，k表示当前时刻的值，k+1表示下一时刻的值，依此类推；下标1表示为电机1的数值，下标2表示为电机2的数值；

(2)根据当前时刻即k时刻在同步旋转dq0坐标系下的电机相电流i_d1(k)、i_q1(k)、i₀₁(k)、i_d2(k)、i_q2(k)、i₀₂(k)，结合当前电机相电压在dq0坐标系下的值u_d1(k)、u_q1(k)、u₀₁(k)、u_d2(k)、u_q2(k)、u₀₂(k)，代入到离散域数学模型中预测在k+1时刻的电机相电流i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)；

其中，F₁(k)、F₂(k)、G、H₁(k)、H₂(k)为矩阵；

其中，T_s为采样周期；R为相电阻；L_d为直轴电感；L_q为交轴电感；L₀为零序电感；ψ_f1为永磁体磁链的基波分量；ψ_f3为永磁体磁链的三次谐波分量；

(3)通过速度调节器分别得到两台永磁电机k+2时刻交轴电流参考值

并将直轴电流参考值

和零序电流参考值

均设为0；

(4)通过无差拍的原则，根据k+2时刻电机相电流参考值

和k+1时刻电机相电流值i_d1(k+1)、i_q1(k+1)、i₀₁(k+1)、i_d2(k+1)、i_q2(k+1)、i₀₂(k+1)推导出k+1时刻的电机相电压参考值

其中，G^-1为G矩阵的逆矩阵；

(5)将电机相电压参考值

通过坐标变换得到abc坐标系下的相电压参考值

(6)根据各桥臂的开关状态可以确定基本电压矢量，S_mn分别为各逆变器各相桥臂的开关状态，当S_mn＝1时，逆变器n的桥臂m的上桥臂导通；否则，逆变器n的桥臂m的下桥臂导通，m＝a,b,c；n＝1,2,0；u_m1、u_m2分别为电机1、电机2m相的相电压，m＝a,b,c；列出该系统三个逆变器在各相的7种基本相电压矢量(u_m1,u_m2)及其对应桥臂开关状态(S_m1,S_m2,S_m0)：当m相桥臂开关状态为(0,0,0)时，该相输出V₀(0,0)、当m相桥臂开关状态为(1,0,0)时，该相输出V₁(U_dc,0)、当m相桥臂开关状态为(1,1,0)时，该相输出V₂(U_dc,U_dc)、当m相桥臂开关状态为(0,1,0)时，该相输出V₃(0,U_dc)、当m相桥臂开关状态为(0,1,1)时，该相输出V₄(-U_dc,0)、当m相桥臂开关状态为(0,0,1)时，该相输出V₅(-U_dc,-U_dc)、当m相桥臂开关状态为(1,0,1)时，该相输出V₆(0,-U_dc)；同时，基本电压矢量V₇(+U_dc,-U_dc)、V₈(-U_dc,+U_dc)是无法实现的，因为当两台电机的同相电压极性相反时，它们分别要求逆变器0的该相桥臂开关状态为0和1，存在矛盾；

(7)根据下式计算参数X_m、Y_m、Z_m，m＝a，b，c；

根据X_m、Y_m、Z_m的取值以及取值所要满足的条件匹配上述基本相电压矢量(u_m1,u_m2)，得到每个X_m、Y_m、Z_m的取值所对应的基本相电压矢量(u_m1,u_m2)的备选集合；

(8)首先考虑X_m、Y_m，确认它们各自的备选集合的交集，如果交集只有一个，则该矢量即为最优相电压矢量；如果交集有两个，则继续寻找X_m、Y_m、Z_m的交集筛选出最优相电压矢量，并由预测电流控制单元在k+1时刻产生最优相电压矢量所对应的驱动信号控制逆变器桥臂的开关状态，进而控制电机电压；同时，对k+1时刻的电机运行状态进行采样，进入下一个控制循环。

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