CN112003545A - 一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统和抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统及抑制方法，属于电机控制技术领域。本发明针对现有的永磁同步电机驱动器存在波形调制、死区效应和开关器件管压降高等因素引起电压波形失真，造成电流波形畸变，导致电机转矩出现脉动。本发明包括速度环PI控制模块，通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；电流环调节模块，电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值；死区前馈补偿模块，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。本发明抑制电机本体和驱动器运行过程中出现的谐波电流，有效降低转矩脉动，实现高精度的转矩输出。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，特别是涉及一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统及抑制方法。
背景技术
随着电机理论、电力电子技术和微型计算机技术的高速发展，交流调速系统逐渐取代了直流调速系统。而永磁同步电机具有输出转矩大、控制精确的优良性能，在电力、煤炭、化工、造纸、纺织等行业中获得了广泛应用。永磁同步电机功率变换部分多采用电力电子器件组成的逆变器，并使用PWM调制技术控制逆变器中开关器件。开关器件开通时有管压降，而且为了防止逆变器中一个桥臂发生直通短路现象，需要在驱动信号中加入死区时间来防止短路发生。由于开关管压降和死区时间的存在，使逆变器实际输出电压不能与给定的电压矢量相等，尤其是在电机转速较低时，由于PWM占空比较小，死区和管压降影响较大，使控制器谐波含量增加，电流波形畸变严重。同时由于电机本体存在齿槽效应、绕组分布及磁路磁饱和等因素会引起电机气隙磁场畸变，驱动器存在波形调制、死区效应和开关器件管压降等因素会引起电压波形失真，它们都会造成电流波形畸变，电流波形畸变会引起电机输出转矩波动，导致系统的动态和稳态性能变差。因此，需要采用相应的控制方法来改善这种情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统及抑制方法，通过改进的重复控制器和死区前馈补偿模块减弱了永磁同步电机控制系统中谐波电流的影响，大大地提高了永磁同步电机控制系统的动态性能和稳态性能。
本发明一方面提供了一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，包括：
速度环PI控制模块，通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
电流环调节模块，包括串联的重复控制器和电流PI模块，电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值；
死区前馈补偿模块，根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。
进一步的，所述重复控制器包括：
时间延时模块，根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
滑动平均模块，用于通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；
增益模块，用以调整重复控制器的相位和增益。
更进一步的，所述增益模块为常数。
进一步的，其特征在于，
所述死区前馈补偿模块输出的电压偏差为：
式中Δψd、Δψq分别为转子磁链在直轴和交轴上的变化量，系统电流采样周期为TS，θS为永磁同步电机在运行时电角速度，ψf为永磁同步电机的转子磁链。
本发明另一方面提供了一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制方法，基于本发明第一方面所述的一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统实现，包括如下步骤：
通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值；
根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。
进一步的，所述重复控制包括如下步骤：
根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；
调整重复控制器的相位和增益。
进一步的，所述电压偏差的获取方法包括如下步骤：
根据死区时间引起的扰动电压和转子位置的关系建立如下关系式：
其中
为系统中交直轴的电压给定值，Vα s、Vβ s为死区时间造成的电压偏差值，Rs、Ls分别为永磁同步电机的相电阻和相电感，p为微分算子，id、iq分别为系统的交直轴电流，ωs、θs分别为永磁同步电机在运行时的电角度和电角速度，ψf为永磁同步电机的转子磁链；
构建转子磁链增量如下：
其中，Δψd、Δψq分别为转子磁链在直轴和交轴上的变化量，系统电流采样周期为Ts，Δid、Δiq分别为一个电流采样周期的旋转坐标系下交直轴电流偏差值；
根据转子磁链的增量和单位反电动势函数估算直流和正交分量中的扰动电压，即得到电压偏差为：
如上所述，与现有技术相比，本申请具有如下效果：
1、本发明的死区前馈补偿模块来计算出系统运行过程中死区时间和管压降产生的电压偏差，对其进行补偿，以消除其影响；本发明的重复控制器与电流环PI模块相串联来降低其他谐波电流影响因素的不确定性的影响；采用重复控制与死区前馈补偿相结合的方法抑制了电机本体和驱动器运行过程中出现的谐波电流，有效降低了转矩脉动，提高了永磁同步电机的运行性能，实现了永磁同步电机较高精度的转矩输出。
2、减小了逆变器输出的电压和给定电压之间的偏差。
3、本发明所提出的方案不需要额外的硬件电路检测电流极性，可靠性更高，稳定性好，成本低。
附图说明
图1为本发明具体实施例谐波电流抑制系统的总体结构框图；
图2为本发明具体实施例的重复控制器结构图；
图3为本发明具体实施例的谐波电流抑制方法的整体流程图；
图4为本发明具体实施例的主程序流程图；
图5为本发明具体实施例的中断子程序流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例的一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，包括：
坐标变换模块，将永磁同步电机三相电流iA、iB、iC经过Clark变换以及Park变换转换成交直轴电流id、iq；
速度环PI控制模块，通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
电流环调节模块，包括d轴电流调节模块和q轴电流电流调节模块，d轴电流调节模块包括串联的重复控制器和d轴电流PI模块，q轴电流电流调节模块包括串联的重复控制器和q轴电流PI模块，电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值，经过重复控制器处理过的电流再经由电流PI模块调节构成永磁同步电机控制系统的电流内环，有效的减少电流的谐波含量；
积分模块，输出永磁同步电机的电角速度θs；
由于造成电流波形畸变的因素比较多，在利用系统控制器抑制电流谐波时，会给算法设计带来较大困难，难以保证谐波抑制效果。鉴于死区效应和管压降造成的电压波形失真具有可估算性和进一步减弱系统中死区时间和开关管压降对系统的影响，本实施例的控制装置包括死区前馈补偿模块，根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，根据磁链增量的矢量运算和估算的反电动势构成了扰动电压观测器，可以计算出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处，通过补偿消除统运行过程中死区时间和管压降产生的电压偏差的影响；
三相逆变换，经过补偿的交流流电压给定值经过三相坐标逆变换得到电机控制信号。
永磁同步电机，为表面是永磁同步电动机(SPMSM)。
如图2所示，本实施例所述重复控制器包括：
时间延时模块，根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
所示时间延时模块传递函数为：
式中ωr为永磁同步电机运行时的电角速度，系统可以根据电机的转速实时的改变重复控制器的延时时间。
滑动平均模块，用于通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；在s域下的传递函数可表示为：
式中q为滑动平均模块中的样本数，Ts为系统电流采样周期。滑动平均模块的输入输出关系表示为：
其中y(n)为输出，x(n)为输入。
式中fs为系统的采样频率，fb为系统的调制波频率，rd为将这两者做除法后舍入到最接近的整数的函数。
增益模块，用以调整重复控制器的相位和增益，本实施例中的增益模块为常数。
重复控制器中的增益模块用来调整电流环的相位和增益裕度，而且电流误差也直接输入到输出端，以便在包括或不包括重复控制器时不影响电机控制。其增益用Kd(q)来表示。当需要停用RRC时，Kd(q)应设置为零，使重复控制器停止运行，并且可以暂停延迟过程。
通常，滑动平均滤波器中的q不需要根据不同的工作条件进行调整，唯一的关键参数是Kd(q)，它影响电流谐波相关频率下的开环增益和重复控制器的学习速率，Kd(q)越高，干扰频率下的开环增益越大，重复控制器的学习速度越快，Kd(q)越低，系统的稳定裕度越好。与q轴相比，电流谐波的高频分量在d轴上具有较大的幅值。因此，为了获得更好的稳定性，选择kd大于kq。此外，随着电机转速的提高，由于阻抗的增加，电流谐波幅值变小。因此，Kd(q)应与电机转速成反比调整，如果不需要高级瞬态性能，则可以将Kd(q)设置为整个速度范围的低值。此外，数字系统的采样时间也会影响补偿性能由于精度有限，干扰周期和延迟时间之间的差异变得明显，为了解决这个问题，在高速下采用较高的采样周期。
本实施例的重复控制器是将传统的重复控制器进行改进其时间延时模块根据电机的转速确定，并且在重复控制器中加入了滑动平均模块，起到了滤波作用，重复控制器的增益和系统的电流采样周期相关，通过重复控制器和电流PI串联的方式减小了电流的谐波含量。本实施例另一方面提供了一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制方法，基于本实施例第一方面所述的一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动
器谐波电流抑制系统实现，如图4所示，包括如下步骤：
S1、将永磁同步电机三相电流iA、iB、iC经过Clark变换以及Park变换转换成交直轴电流id、iq；永磁同步电机三相电流iA、iB、iC经过Clark变换，成为在两相静止的αβ坐标系上的电流iα、iβ，可表示为：
iα、iβ再经过Park变换得到在两相旋转的dq坐标系上的电流id、iq。将得到的id、iq作为重复控制器的输入。
S2、通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
S3、电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值，具体包括如下步骤：
根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；
调整重复控制器的相位和增益。
本实施例的电流环调节使用重复控制器和电流PI控制器串联的方式来进行谐波电流抑制，并且又加入了死区前馈补偿模块进一步消除了死区时间对永磁同步电机运行时的死区效应进行补偿。
S4根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。
具体的，所述电压偏差的获取方法包括如下步骤：
S41、根据死区时间引起的扰动电压和转子位置的关系建立如下关系式：
其中
为系统中交直轴的电压给定值，Vα s、Vβ s为死区时间造成的电压偏差值，Rs、Ls分别为永磁同步电机的相电阻和相电感，p为微分算子，id、iq分别为系统的交直轴电流，ωs、θs分别为永磁同步电机在运行时的电角度和电角速度，ψf为永磁同步电机的转子磁链；
S42、构建转子磁链增量如下：
其中，Δψd、Δψq分别为转子磁链在直轴和交轴上的变化量，系统电流采样周期为Ts，Δid、Δiq分别为一个电流采样周期的旋转坐标系下交直轴电流偏差值；
S43、根据转子磁链的增量和单位反电动势函数估算直流和正交分量中的扰动电压，即得到电压偏差为：
将得到的电压偏差补偿到系统中，大大减小了死区效应的影响。
图4是本发明的主程序流程图。主程序主要包括系统、外设等初始化部分和主循环部分。图4a为初始化程序流程图，在程序开始后，依次经过系统初始化、中断向量初始化，功能模块初始化，全局变量及控制参数初始化，最后进入主循环中，在主循环中一直循环。图4b为主循环流程图，系统运行时，如果有中断申请则进入中断子程序，如果没有中断申请，指针将停留在主程序中的循环语句中等待，进入主循环后要判断工作模式是否改变，若工作模式没有改变则进行通讯模块设置、中断使能操作，若工作模式改变，则需要等待中断标志位清零。
图5是本发明的中断子程序流程图。当程序进入中断子程序后首先要清中断标志保护现场，经过电流采样、坐标变换后，直接进入d轴和q轴的重复控制器和PI调节器。然后再经过死区前馈补偿模块后，依次进入反Park变换、空间矢量PWM计算环节、PWM寄存器更新，最后运行中断返回，中断子程序结束。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，其特征在于，包括：
速度环PI控制模块，通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
电流环调节模块，包括串联的重复控制器和电流PI模块，电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值；
死区前馈补偿模块，根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。
2.根据权利要求1所述一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，其特征在于，所述重复控制器包括：
时间延时模块，根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
滑动平均模块，用于通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；
增益模块，用以调整重复控制器的相位和增益。
3.根据权利要求2所述一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，其特征在于，所述增益模块为常数。
4.根据权利要求1所述一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统，其特征在于，
所述死区前馈补偿模块输出的电压偏差为：
式中Δψd、Δψq分别为转子磁链在直轴和交轴上的变化量，系统电流采样周期为TS，θS为永磁同步电机在运行时电角速度，ψf为永磁同步电机的转子磁链。
5.一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制方法，基于权利要求1-4任意权利要求所述的一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制系统实现，其特征在于，包括如下步骤：
通过速度给定值和速度反馈值得到电流给定值；
电流给定值根据重复控制和电流PI控制得到系统交直轴的电压给定值；
根据所述电压给定值、转子位置、两相旋转坐标系下交直轴电流、电机的相电阻和电机的相电感，得到出系统运行过程中的电压偏差，所述电压偏差补偿至电流PI控制输出的电压信号处。
6.根据权利要求5所述一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制方法，其特征在于，所述重复控制包括如下步骤：
根据转子电角速度自适应地确定时间延时模块的延迟时间；
通过保持重复控制器的增益，并且在死区补偿过程中又足够大的带宽来保证控制系统的稳定性；
调整重复控制器的相位和增益。
7.根据权利要求5所述一种基于重复控制和前馈补偿的永磁同步电机驱动器谐波电流抑制方法，其特征在于，所述电压偏差的获取方法包括如下步骤：
根据死区时间引起的扰动电压和转子位置的关系建立如下关系式：
其中
为系统中交直轴的电压给定值，Vα s、Vβ s为死区时间造成的电压偏差值，Rs、Ls分别为永磁同步电机的相电阻和相电感，p为微分算子，id、iq分别为系统的交直轴电流，ωs、θs分别为永磁同步电机在运行时的电角度和电角速度，ψf为永磁同步电机的转子磁链；
构建转子磁链增量如下：
其中，Δψd、Δψq分别为转子磁链在直轴和交轴上的变化量，系统电流采样周期为Ts，Δid、Δiq分别为一个电流采样周期的旋转坐标系下交直轴电流偏差值；
根据转子磁链的增量和单位反电动势函数估算直流和正交分量中的扰动电压，即得到电压偏差为：
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