CN111756300A - 基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制的死区补偿方法，具体为基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法。解决现有技术死区补偿效果较差的问题。基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法，根据电机运行的频率分为低速区死区补偿策略和高速区死区补偿策略；本发明通过预测电流进行死区补偿，解决了由于数字控制器存在一定延迟，本拍计算的结果到下一拍才进行更新，导致过零点附件死区补偿效果较差的问题。

Description

基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法

技术领域

本发明涉及电机控制的死区补偿方法，具体为基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法。

背景技术

与传统轨道交通技术相比，中低速磁浮列车具有以下特点：列车运行过程中振动和噪声小；列车的转弯半径小、爬坡能力强、克服了粘着限制、列车机械噪声和磨损小以及车辆维护费用降低等特点，因此得到越来越广泛应用。

直线感应电机作为磁浮列车动力源，其逆变器主电路拓扑一般采用桥式电路结构，桥臂的开关器件采用高电压等级的IGBT。由于IGBT本身不是理想器件，存在开通和关断延迟，因此需要给同一桥臂的上下IGBT驱动脉冲中加入一定的死区时间才能保证开关器件的可靠工作；而高压等级的IGBT的开通和关断延迟更为严重，因此为了保证器件可靠工作，需要给上下管的驱动脉冲加入更长的死区时间，加入的死区时间会导致实际输出电压波形和理论电压波形不一致的问题，从而引起了死区效应，死区效应会产生不同频次的谐波电压和电流，影响电机运行，尤其是变频调速系统在低速轻载工况下，死区效应更为恶劣，因此有必要对死区进行补偿。

现有技术通过判断负载电流的极性，通过数字控制方式对开关器件的驱动脉冲进行死区补偿。现有技术主要存在的问题：

1)由于逆变器采用的数字控制方式，数字控制会产生延迟，本拍计算的结果下一拍才会生效，从而导致根据本拍采样电流进行死区补偿具有延迟性，导致电流过零点不能准确进行死区补偿。

2)不考虑开关器件IGBT的导通压降和开关管的开通关断延迟，导致该方法死区补偿不准确。

发明内容

本发明解决现有技术死区补偿效果较差的问题，针对直线感应电机死区补偿控制提出了一种基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法。该方法利用坐标变换和直线感应电机等效模型相结合的方式对电机电流进行预测，通过预测电机电流来进行死区补偿。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法，根据电机运行的频率分为低速区死区补偿策略(额定频率以下)和高速区死区补偿策略(额定频率以上)；

当电机运行低速阶段(额定频率以下)，首先将电机三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到αβ轴电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变化公式得到MT轴电流 i_M和i_T；然后将计算得到的i_M和i_T通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到预测的αβ轴电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，其中坐标变换用到的φ通过φ＝θ+w_sT_s计算得到，其中，φ是下一拍同步旋转角度，θ是本拍电机同步旋转角度，w_s是同步角频率，T_s是采样间隔时间；再通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的变化公式得到预测的电机三相电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}；通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿；

当电机运行高速阶段(额定频率以上)，首先将电机三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到αβ轴电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变化公式得到MT轴电流 i_M和i_T；然后将计算得到的i_M和i_T通过定子电压方程计算得到旋转坐标系下的励磁转矩预测电流i_{M_pre}和i_{T_pre}，i_{M_pre}和i_{T_pre}通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到预测的αβ轴电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，其中坐标变换用到的φ通过φ＝θ+w_sT_s计算得到，其中，φ是下一拍同步旋转角度，θ是本拍电机同步旋转角度，w_s是同步角频率，T_s是采样间隔时间；再通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的变化公式得到预测的电机三相电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}；通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿。

本发明通过预测电流进行死区补偿，解决了由于数字控制器存在一定延迟，本拍计算的结果到下一拍才进行更新，导致过零点附件死区补偿效果较差的问题。

附图说明

图1为低速阶段的电流闭环控制原理图；

图2为本发明采用的主电路拓扑结构图；

图3为i_{A_pre}＞0死区补偿原理图；

图4为i_{A_pre}＜0死区补偿原理图；

图5为高速阶段的电流开环控制原理图；

图6为直线感应电机考虑端部效应的T型等效电路图；

图7为直线感应电机次级磁场定向M轴系等效电路图；

图8为直线感应电机次级磁场定向T轴系等效电路图。

具体实施方式

基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法，根据电机运行的频率分为低速区死区补偿策略(额定频率以下)和高速区死区补偿策略(额定频率以上)；

1)低速区死区补偿策略(额定频率以下)

在低速阶段，控制策略采用电流闭环控制，原理如图1所示；通过坐标变换预测电机电流值。

在低速阶段通过坐标变换得到电流预测值进行死区补偿控制，具体过程：

电机电流从三相静止坐标系变换到两相静止坐标的3/2变化公式：

式中,i_A、i_B和i_C分别代表电机三相电流；i_α、i_β分别代表两相静止αβ坐标轴电流。

电机电流从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标的2/2变化公式：

式中,i_α、i_β分别代表αβ坐标轴电流；i_M、i_T分别代表两相旋转MT坐标轴电流；θ是本拍电机同步旋转角度。

下一拍同步旋转角度变为φ，通过本拍电机同步旋转角度θ计算得到φ，计算公式：

φ＝θ+w_sT_s (3)

式中，w_s是同步角频率；T_s是采样间隔时间；φ下一拍同步旋转角度。

再通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到αβ坐标轴预测电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的2/2变化公式为：

式中，i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表αβ坐标轴预测电流。

最后通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式得到三相静止坐标轴预测电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，电机电流从两相静止坐标系变换到三相静止坐标的2/3变化公式：

式中，i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}分别代表电机三相预测电流。

死区补偿模块通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿。具体补偿过程如下：

本发明采用的主电路拓扑结构是三相电压型逆变器如图2所示，A、B和C 分别代表逆变器的三个桥臂，V1和V2对应A桥臂的上下管；V3和V4对应B桥臂的上下管；V5和V6对应C桥臂的上下管。

A相通过判断i_{A_pre}的极性进行死区补偿，V1和V2对应A相桥臂的两个IGBT 器件，通过分析V1和V2的驱动脉冲和输出电压波形，当i_{A_pre}＞0时，死区补偿策略如图3所示，图中V_AO代表A点对于O的电压，是没有加入死区的理论电压波形；V1_pulse和V2_pulse分别为V1和V2的驱动脉冲。

当i_{A_pre}＞0时，增加死区补偿后的V1导通V2关断过程如图3中的b)所示， V1的脉冲与V_AO保持一致，V2的脉冲提前死区时间T_dead关断；V1关断V2导通过程如图3中的c)所示，增加死区补偿后的脉冲是将V1的脉冲与V_AO保持一致，V2的脉冲延迟死区时间T_dead开通。

当i_{A_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。

当i_{A_pre}＜0时，增加死区补偿后的V1导通V2关断过程如图4中的b)所示， V2的脉冲与V_AO保持互补，V1的脉冲延迟死区时间T_dead开通；V1关断V2导通过程如图4中的c)所示，增加死区补偿后的脉冲是将V2的脉冲与V_AO保持互补，V1的脉冲提前死区时间T_dead关断。

B相通过判断i_{B_pre}的极性进行死区补偿，当i_{B_pre}＞0时，补偿原理如图3所示；当i_{B_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。C相通过判断i_{C_pre}的极性进行死区补偿，当i_{C_pre}＞0时，补偿原理如图3所示；当i_{C_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。

2)高速区死区补偿策略(额定频率以上)

在高速阶段，控制策略采用电流开环控制，原理图如图5所示。通过直线感应电机等效模型预测电机电流值。

直线感应电机考虑端部效应的T型等效电路如图6所示。

直线感应电机考虑端部效应的T型等效电路中，L_m，L_sσ，L_rσ，R_s，R_r分别表示速度为零时的励磁电感，初级漏感，次级漏感，初级电阻，次级电阻。次级端部涡流损耗以励磁支路电阻表征，励磁电感也随初级速度v变化。励磁支路电阻与励磁电感的变化规律为R_rf(Q)，L_m(1-f(Q))，其中，

式中，D是初级有效长度；v是初级速度；转子电感L_r＝L_rσ+L_m。

按次级磁场定向MT轴系等效电路如图7、8所示。

直线感应电机的磁链方程如下：

式中，ψ_M、ψ_T是定子M轴和T轴磁链；i_M、i_T是定子M轴和T轴电流；ψ_m是转子M 轴磁链；i_m、i_t是转子M轴和T轴电流；等效互感L'_m＝L_m(1-f(Q))；等效定子电感 L'_s＝L_sσ+L_m(1-f(Q))；等效转子电感L'_r＝L_rσ+L_m(1-f(Q))。(在MT轴坐标系下，转子磁链在M轴的分量为ψ_m，在T轴的分量为ψ_t，由于控制是按照转子磁场定向进行控制，使转子磁链和M轴重合，导致ψ_t为0，因此得到式8最后一项等号左侧等于0。)

由于电机速度较高，电阻上的压降可以忽略，省略电阻压降的定子电压方程如下：

式中,u_M、u_T分别代表省略电阻压降的MT坐标轴电压；w_s代表定子角频率； p代表微分；

将电机三相电流三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标的变化公式得到i_M和i_T。

励磁电流变化率通过本拍励磁电流i_M和预测值i_{M_pre}得到，如公式(11)所示；同理转矩电流变化率计算公式如(12)所示。

式中,i_{M_pre}、i_{T_pre}分别代表MT坐标轴预测电流；i_M、i_T代表本拍MT坐标轴电流；T_s是采样间隔时间。

将式(11)和(12)带入式(9)和(10)可得

通过上式得到励磁电流预测值i_{M_pre}和转矩电流预测值i_{T_pre}，将计算得到的 i_{M_pre}和i_{T_pre}经过坐标变换后得到电机的电流值。

下一拍同步旋转角度变为φ，通过本拍电机同步旋转角度θ计算得到φ，计算公式：

φ＝θ+w_sT_s (15)

式中，w_s是同步角频率；θ是本拍电机同步旋转角度；φ下一拍同步旋转角度。

再通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到αβ坐标轴预测电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式为：

式中，i_{M_pre}、i_{T_pre}分别代表MT坐标轴预测电流；i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表αβ坐标轴预测电流。

最后通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式得到三相静止坐标轴预测电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，电机电流从两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式：

式中，i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}分别代表电机三相预测电流。

死区补偿模块通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿。A相通过判断i_{A_pre}的极性进行死区补偿，当i_{A_pre}＞0时，补偿原理如图3所示；当i_{A_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。B相通过判断i_{B_pre}的极性进行死区补偿，当i_{B_pre}＞0时，补偿原理如图3所示；当i_{B_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。C相通过判断i_{C_pre}的极性进行死区补偿，当i_{C_pre}＞0时，补偿原理如图3所示；当i_{C_pre}＜0时，补偿原理如图4所示。

Claims (2)

1.一种基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法，其特征在于，根据电机运行的频率分为低速区死区补偿策略和高速区死区补偿策略；

当电机运行低速阶段，首先将电机三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到αβ轴电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变化公式得到MT轴电流i_M和i_T；然后将计算得到的i_M和i_T通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到预测的αβ轴电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，其中坐标变换用到的φ通过φ＝θ+w_sT_s计算得到，其中，φ是下一拍同步旋转角度，θ是本拍电机同步旋转角度，w_s是同步角频率，T_s是采样间隔时间；再通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的变化公式得到预测的电机三相电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}；通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿；

当电机运行高速阶段，首先将电机三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到αβ轴电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变化公式得到MT轴电流i_M和i_T；然后将计算得到的i_M和i_T通过定子电压方程计算得到旋转坐标系下的励磁转矩预测电流i_{M_pre}和i_{T_pre}，i_{M_pre}和i_{T_pre}通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变化公式得到预测的αβ轴电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，其中坐标变换用到的φ通过φ＝θ+w_sT_s计算得到，其中，φ是下一拍同步旋转角度，θ是本拍电机同步旋转角度，w_s是同步角频率，T_s是采样间隔时间；再通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的变化公式得到预测的电机三相电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}；通过计算得到的i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}进行死区补偿。

2.根据权利要求1所述的基于电流预测的适用于直线感应电机控制的死区补偿方法，其特征在于，

1)低速区死区补偿策略

在低速阶段通过坐标变换得到电流预测值进行死区补偿控制，具体过程：

电机电流从三相静止坐标系变换到两相静止坐标的3/2变化公式：

式中,i_A、i_B和i_C分别代表电机三相电流；i_α、i_β分别代表两相静止αβ坐标轴电流；

电机电流从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标的2/2变化公式：

式中,i_α、i_β分别代表αβ坐标轴电流；i_M、i_T分别代表两相旋转MT坐标轴电流；θ是本拍电机同步旋转角度；

下一拍同步旋转角度变为φ，通过本拍电机同步旋转角度θ计算得到φ，计算公式：

φ＝θ+w_sT_s (3)

式中，w_s是同步角频率；T_s是采样间隔时间；φ下一拍同步旋转角度；

再通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到αβ坐标轴预测电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的2/2变化公式为：

式中，i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表αβ坐标轴预测电流；

最后通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式得到三相静止坐标轴预测电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，电机电流从两相静止坐标系变换到三相静止坐标的2/3变化公式：

式中，i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}分别代表电机三相预测电流；

2)高速区死区补偿策略

直线感应电机考虑端部效应的T型等效电路中，L_m，L_sσ，L_rσ，R_s，R_r分别表示速度为零时的励磁电感，初级漏感，次级漏感，初级电阻，次级电阻；次级端部涡流损耗以励磁支路电阻表征，励磁电感也随初级速度v变化；励磁支路电阻与励磁电感的变化规律为R_rf(Q)，L_m(1-f(Q))，其中，

式中，D是初级有效长度；v是初级速度；转子电感L_r＝L_rσ+L_m；

直线感应电机的磁链方程如下：

式中，ψ_M、ψ_T是定子M轴和T轴磁链；i_M、i_T是定子M轴和T轴电流；ψ_m是转子M轴磁链；i_m、i_t是转子M轴和T轴电流；等效互感L'_m＝L_m(1-f(Q))；等效定子电感L'_s＝L_sσ+L_m(1-f(Q))；等效转子电感L'_r＝L_rσ+L_m(1-f(Q))；

由于电机速度较高，电阻上的压降可以忽略，省略电阻压降的定子电压方程如下：

式中,u_M、u_T分别代表省略电阻压降的MT坐标轴电压；w_s代表定子角频率；p代表微分；

将电机三相电流三相电流i_A、i_B和i_C通过三相静止坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到i_α和i_β，再将i_α和i_β通过两相静止坐标系变换到两相旋转坐标的变化公式得到i_M和i_T；

励磁电流变化率通过本拍励磁电流i_M和预测值i_{M_pre}得到，如公式(11)所示；同理转矩电流变化率计算公式如(12)所示；

式中,i_{M_pre}、i_{T_pre}分别代表MT坐标轴预测电流；i_M、i_T代表本拍MT坐标轴电流；T_s是采样间隔时间；

将式(11)和(12)带入式(9)和(10)可得

通过上式得到励磁电流预测值i_{M_pre}和转矩电流预测值i_{T_pre}；

下一拍同步旋转角度变为φ，通过本拍电机同步旋转角度θ计算得到φ，计算公式：

φ＝θ+w_sT_s (15)

式中，w_s是同步角频率；θ是本拍电机同步旋转角度；φ下一拍同步旋转角度；

再通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式得到αβ坐标轴预测电流i_{α_pre}和i_{β_pre}，两相旋转坐标系变换到两相静止坐标的变化公式为：

式中，i_{M_pre}、i_{T_pre}分别代表MT坐标轴预测电流；i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表αβ坐标轴预测电流；

最后通过两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式得到三相静止坐标轴预测电流i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，电机电流从两相静止坐标系变换到三相静止坐标的变化公式：

式中，i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}分别代表电机三相预测电流。

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