CN111722110B

CN111722110B - 一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器

Info

Publication number: CN111722110B
Application number: CN202010604553.3A
Authority: CN
Inventors: 王志福; 孙庆乐; 孙逢春
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: CN111722110A

Abstract

本发明提供了一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，其基于电压前馈电流反馈控制的接口算法避免了电流环控制冲突问题，提高了系统的稳定性。本发明的模拟器中，电压前馈提高了系统的动态响应速度，电流反馈提高了系统的跟踪精度，因此，电机模拟器能够同时达到高速性和高精度的目标，能够实现不同功率等级电机的特性模拟，测试灵活，通用性好。

Description

一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器

技术领域

本发明涉及电机硬件在环测试技术领域，尤其涉及基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器。

背景技术

永磁同步电机的广泛应用对电驱动测试系统提出了更高的要求，传统机械式测试平台由于测试空间需求大、测试周期长、测试费用高、故障配置难等缺点，无法满足测试需求。电机模拟器是一种利用数字仿真和电力电子器件来模拟真实电机特性的仿真测试技术，通过灵活的配置可以实现对不同电机不同工况的模拟，能够大大缩短测试周期、降低测试成本。

接口控制算法作为电机模拟器控制的核心，是电机模拟器能否精确模拟电机端口特性的关键，包括控制方案和控制算法两部分。目前，控制方案大多采用电流环控制，控制算法普遍采用常规PID控制。但是，由于电机控制器一般采用电流环控制，电机模拟器采用电流环控制将带来控制冲突问题，引起系统振荡，影响系统的稳定性。同时，由于控制过程具有非线性、参数时变的特性，采用常规PID控制无法实现对电机特性的精确模拟。

发明内容

为克服上述本领域中尚存在的技术问题，本发明提供了一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，包括：

电压采集电路、电流采集电路、实时处理器、功率级变换器、耦合滤波电路；

所述模拟器外接装置包括电机控制器，以及与电机控制器连接的左侧直流电源，以及与所述功率级变换器连接的右侧直流电源，能够形成一完整的电驱动测试系统；

其中，所述实时处理器由永磁同步电机模型模块、接口控制算法模块、SVPWM调制模块组成；所述接口控制算法模块由电压前馈环节的接口电路模型模块，电流反馈环节的比较器、模糊PI控制器，以及加法器组成；

电压采集电路和电流采集电路分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机驱动器所输出的三相电压和电流，并输入至所述实时处理器；所采集的电压输入所述永磁同步电机模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的电流比较后，将电流差值输入至所述模糊PI控制器；

所述电机驱动器所输出的三相电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免左、右两电压源型变换器直接并联带来的电流不均衡问题；

所述模糊PI控制器基于所述电流差值计算得到调整电压，并输入所述加法器；所述接口电路模型基于由所述永磁同步电机模型模块输出的期望输出电流，计算并输出期望输出电压并前馈至所述加法器；所述加法器将所述调整电压与所述期望输出电压代数求和输出最终控制电压，并输入至所述SVPWM调制模块；

所述SVPWM调制模块输出调制电压信号，实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器中的永磁同步电机模型模块将输出的电机转速、转角等信息实时反馈回电机控制器。

进一步地，所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。

进一步地，所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。

进一步地，所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统等多种不同的形式实现，从而能够提供较好的设计灵活性。

进一步地，所述接口电路模型是基于三相定子坐标系下接口电路的电压方程，并进行坐标变换得到d-q坐标系下的形式：

所述三相定子坐标系下接口电路的电压方程为：

其中，

式中，u_a、u_b、u_c为三相绕组相电压；i_a、i_b、i_c为三相绕组相电流；v_a、v_b、v_c为功率级变换器侧三相电压；R_f为耦合滤波电路相电阻；L_f为耦合滤波电路相电感；

变换为d-q坐标系下的形式为：

式中，u_d、u_q为三相绕组相电压d、q轴分量；v_d、v_q为功率级变换器侧三相电压d、q轴分量；i_d、i_q为三相绕组相电流d、q轴分量；ω_e为电角速度；

利用坐标变换后的电压方程，来得到电压前馈环节的电压方程及所述期望输出电压：

所述前馈环节中电压具有以下关系：

式中，

为电压前馈环节输出的d、q轴期望电压值；

为电机模型输出的d、q轴期望电流值。

进一步地，所述电流反馈环节模糊PI控制器通过以下方式设计：

以G和T_d分别为功率级变换器的增益和时间常数，其中G为功率级变换器最大输出电压与最大控制电压之比，T_d为功率级变换器PWM调制周期的一半；K_fi和T_fi分别为电流传感器的增益和时间常数；T_f为耦合电路的电气时间常数，T_f＝L_f/R_f；T_id＝K_pd/K_id；

由于耦合电路的时间常数T_f远大于系统中其他环节的时间常数，为获得最大的模拟带宽，电压前馈电流反馈环节的零点设计为消除耦合电路的极点，此时满足以下条件：

T_id＝T_f，

在推导过程中忽略较小的T_dT_fi项，得到系统闭环传递函数为：

对于该二阶系统：

式中，ξ为系统阻尼比；ω_n为系统固有频率；

当阻尼比为ξ＝0.707时，系统性能最优，据此得到d轴的PI控制积分增益为：

因此，d轴的常规PI控制比例增益为：

同理，采用同样的过程可得到q轴电流常规PI控制积分增益。

以电流误差e及误差变化率ec为输入建立模糊控制规则，实现对常规PI控制积分增益的实时整定，得到电流反馈环节调整电压输出值。

本发明所提供基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，其相对于现有技术至少具有以下有益效果：

1、本发明基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器避免了电流环控制冲突问题，提高了系统的稳定性。

2、本发明的模拟器中，电压前馈提高了系统的动态响应速度，电流反馈提高了系统的跟踪精度，因此，电机模拟器能够同时达到高速性和高精度的目标。

3、本发明能够实现不同功率等级电机的特性模拟，测试灵活，通用性好。

附图说明

图1为本发明的基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器系统拓扑结构；

图2为本发明的电压前馈和电流反馈过程的工作流程图；

图3为本发明的接口电路模型等效分析图；

图4为本发明的d轴电流传递函数模拟控制框图。

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。

本发明所提供的一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，如图1、2所示，具体包括：

在本发明的一个优选实施方式中，所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。

在本发明的一个优选实施方式中，所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。

在本发明的一个优选实施方式中，所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统等多种不同的形式实现，从而能够提供较好的设计灵活性。

在本发明的一个优选实施方式中，如图2所示，所述接口电路模型是基于三相定子坐标系下接口电路的电压方程，并进行坐标变换得到d-q坐标系下的形式：

所述三相定子坐标系下接口电路的电压方程为：

其中，

变换为d-q坐标系下的形式为：

所述前馈环节中电压具有以下关系：

式中，

为电压前馈环节输出的d、q轴期望电压值；

为电机模型输出的d、q轴期望电流值。

在本发明的一个优选实施方式中，如图4所示，所述电流反馈环节模糊PI控制器通过以下方式设计：

T_id＝T_f，

对于该二阶系统：

式中，ξ为系统阻尼比；ω_n为系统固有频率；

因此，d轴的常规PI控制比例增益为：

同理，采用同样的过程可得到q轴电流常规PI控制积分增益。

d)以电流误差e及误差变化率ec为输入建立模糊控制规则，实现对常规PI控制参数的实时整定，得到电流反馈环节调整电压输出值。所述模糊控制规则如表1和表2所示：

表1比例增益K_p的模糊规则表

表2积分增益K_i的模糊规则表

e)对电压前馈环节和电流反馈环节输出的电压进行代数求和，得到功率级变换器侧的最终控制电压。

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

1.一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，其特征在于：包括：

电压采集电路和电流采集电路分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机控制器所输出的三相电压和电流，并输入至所述实时处理器；所采集的电压输入所述永磁同步电机模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的电流比较后，将电流差值输入至所述模糊PI控制器；

所述电机控制器所输出的三相电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免左、右两电压源型变换器直接并联带来的电流不均衡问题；

所述模糊PI控制器基于所述电流差值计算得到电流反馈环节调整电压，并输入所述加法器；所述接口电路模型基于由所述永磁同步电机模型模块输出的期望输出电流，计算得到电压前馈环节期望输出电压，并输入所述加法器；具体的，所述接口电路模型是基于三相定子坐标系下接口电路的电压方程，并进行坐标变换得到d-q坐标系下的形式：

所述三相定子坐标系下接口电路的电压方程为：

其中，

变换为d-q坐标系下的形式为：

式中，u_d、u_q为三相绕组相电压d、q轴分量；v_d、v_q为功率级变换器侧三相电压d、q轴分量；i_d、i_q为相绕组相电流d、q轴分量；ω_e为电角速度；

所述前馈环节中电压具有以下关系：

式中，

为电压前馈环节输出的d、q轴期望电压值；

为电机模型输出的d、q轴期望电流值；

所述加法器将所述调整电压与所述期望输出电压代数求和输出最终控制电压，并输入至所述SVPWM调制模块；

所述SVPWM调制模块输出调制电压信号，实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器中的永磁同步电机模型模块将输出的电机转速、转角信息实时反馈回电机控制器。

2.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。

3.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。

4.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统的形式实现。

5.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述电流反馈环节模糊PI控制器通过以下方式设计：

首先设计常规PI控制器，以d轴电流模拟跟踪为例进行分析：

以G和T_d分别表示功率级变换器的增益和时间常数，其中G为功率级变换器最大输出电压与最大控制电压之比，T_d为功率级变换器PWM调制周期的一半；K_fi和T_fi分别表示电流传感器的增益和时间常数；T_f表示耦合电路的电气时间常数，T_f＝L_f/R_f；K_pd和K_id分别表示d轴常规PI控制器的比例和积分增益，T_id＝K_pd/K_id；将电压前馈电流反馈环节的零点设计为消除耦合滤波电路的极点，以获得最大的模拟带宽，可得到：

T_id＝T_f，

忽略较小的T_dT_fi项，则系统闭环传递函数为：

对于该二阶系统：

式中，ξ为系统阻尼比；ω_n为系统固有频率；

当阻尼比为ξ＝0.707时，系统性能最优，此时d轴的常规PI控制积分增益为：

因此，d轴的常规PI控制比例增益为：

q轴的常规PI控制比例与积分增益与d轴具有相同形式，

在完成对常规PI控制器的设计后，以电流误差e及误差变化率ec为输入建立模糊控制规则，实现对常规PI控制积分增益的实时整定，得到电流反馈环节调整电压输出值。