CN112087177B - 一种永磁同步电机单电流传感器控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机单电流传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机单电流传感器控制方法，属于电机驱动与控制技术领域，首先对直流母线电流idc进行采样，并利用上一个周期的控制矢量重构出三相电流ia，ib，ic；然后根据每一个候选矢量与电机相电流更新的模式确定每一个重构的相电流的沦陷时间；根据电机离散状态模型计算出每一个候选矢量作用下的预测电流；建立起关于电流跟踪误差与相电流沦陷时间的价值函数，并选取最低价值函数对应的候选矢量作为最优控制矢量，并作用于逆变器，本发明解决了仅使用一个直流母线电流传感器以完成对三相永磁同步电机的控制，可以在仅使用一个电流传感器的情况下获得良好的电机控制性能。

Description

一种永磁同步电机单电流传感器控制方法
技术领域
本发明属于电机驱动与控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机单电流传感器控制方法。
背景技术
传统的三相电机驱动系统常需要两个相电流传感器以完成三相电流采样。同时一个直流母线电流传感器也会被使用以完成过流保护。而较多的电流传感器一方面更容易引起传感器故障的发生，另一方面硬件成本过高，尤其对于一些低成本应用场合。为了降低电流传感器数量，现在常用的方法是只使用一个直流母线电流传感器，然后利用一定的电流重构策略完成相电流的重构。对于传统的占空比调制(PWM)控制策略，比如比例积分控制，无差拍预测控制，在一个周期内有两个相邻的有效电压矢量作用，因此可以通过两次直流母线电流采样重构出相电流。但是这种相电流重构策略存在相电流采样死区问题，在低速区域，相电流重构可能会失败。而对于单电压矢量控制策略，如直接转矩控制，电流滞环控制，模型预测控制，一个周期内只有一个电压矢量作用，那么PWM策略的相电流重构策略失效，因此需要两次不同相电流更新的周期以完成三相电流的重构。模型预测控制(MPC)是一种高性能的电机驱动控制策略。它的优点是结构简单，响应迅速，适用于多目标优化与多约束系统的控制。
发明内容
本发明提出了一种永磁同步电机单电流传感器控制方法，解决了仅使用一个直流母线电流传感器以完成对三相永磁同步电机的控制。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：先对直流母线电流idc进行采样，并利用上一个周期的控制矢量重构出三相电流ia，ib，ic；然后根据每一个候选矢量与电机相电流更新的模式确定每一个重构的相电流的沦陷时间；根据电机离散状态模型计算出每一个候选矢量作用下的预测电流；建立起关于电流跟踪误差与相电流沦陷时间的价值函数，并选取最低价值函数对应的候选矢量作为最优控制矢量，并作用于逆变器；所述方法包括如下步骤：
(1)对直流母线电流idc(k)进行采样，利用上一个周期选择的电压矢量Um(k)计算出相电流更新后的三相电流ia，ib，ic：
Figure GDA0003245808350000021
通过上面表格得出在电压矢量Um(k)作用下更新的三相电流：
Figure GDA0003245808350000022
其中m为电压矢量Um(k-1)的序号，ix(k-1)(x＝a,b,c)为上一个周期的更新的三相电流。N(k)为相编码,表达式如下：
Figure GDA0003245808350000023
(2)计算相电流更新时间Tre_x(k)(x＝a,b,c):
Figure GDA0003245808350000024
其中Tre_x(k-1)是上一个采样周期的相电流更新时间。
(3)根据Tre_x(k)(x＝a,b,c)，计算出重构相电流ix(k)(x＝a,b,c)：
Figure GDA0003245808350000025
(4)根据重构的电机相电流以及转子位置角θe计算两相旋转坐标系下的电流id(k)，iq(k)：
Figure GDA0003245808350000026
Figure GDA0003245808350000031
其中T3s/2r是三相坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵。
(5)根据电机离散模型计算在候选矢量Un(k+1)作用下的电流预测值
Figure GDA0003245808350000032
Figure GDA0003245808350000033
Figure GDA0003245808350000034
[udn(k)uqn(k)]T＝T3s/2rudc[san sbn san]T
其中Rs，Ls，Ts，ψPM，ωe分别是电机定子电阻，定子电感，采样周期，转子永磁体磁和转子电角速度。[san sbn scn]是候选矢量Un(k+1)的具体开关信号。
(6)计算相电流沦陷时间Tsunk_x(k+1)(x＝a,b,c):
确定相电流更新模式：
Figure GDA0003245808350000035
其中Nn(k+1)是候选矢量Un(k+1)的相编码。
根据不同模式确定相电流沦陷时间：
Figure GDA0003245808350000036
Figure GDA0003245808350000037
(7)建立模型预测控制的价值函数：
Jn＝Jn1+λJn2 n＝1,...,6
其中
Figure GDA0003245808350000038
Figure GDA0003245808350000041
Figure GDA0003245808350000042
为dq轴参考电流，λ是Jn2的权重系数。
(8)通过计算不同候选矢量Un(k+1)作用下的Jn，选择最小的Jn对应的候选矢量作为最优控制矢量Uop(k+1)，并在下一个周期作用于逆变器。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)在不明显改变永磁同步电机驱动性能的前提下，所提的控制方法仅使用一个直流母线电流传感器，降低了系统地硬件成本；
(2)所提的单电流传感器控制方法利用模型预测控制算法，仅在每个周期采样一次相电流，降低了控制系统的复杂度。
附图说明
图1是永磁同步电机驱动系统结构图；
图2是永磁同步电机单电流传感器控制框图；
图3是永磁同步电机单电流传感器控制策略的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如附图1所示，本发明实施例公开的一种永磁同步电机单电流传感器控制方法，该方法首先对直流母线电流idc进行采样，并利用上一个周期的控制矢量重构出三相电流ia，ib，ic；然后根据每一个候选矢量与电机相电流更新的模式确定每一个重构的相电流的沦陷时间；根据电机离散状态模型计算出每一个候选矢量作用下的预测电流；建立起关于电流跟踪误差与相电流沦陷时间的价值函数，并选取最低价值函数对应的候选矢量作为最优控制矢量，并作用于逆变器。本发明可以在仅使用一个电流传感器的情况下获得良好的电机控制性能；具体的永磁同步电机单电流传感器控制方法包括如下步骤：
(1)对直流母线电流idc(k)进行采样，利用上一个周期选择的电压矢量Um(k)计算出相电流更新后的三相电流ia，ib，ic：
Figure GDA0003245808350000051
通过上面表格得出在电压矢量Um(k)作用下更新的三相电流：
Figure GDA0003245808350000052
其中m为电压矢量Um(k-1)的序号，ix(k-1)(x＝a,b,c)为上一个周期的更新的三相电流。N(k)为相编码,表达式如下：
Figure GDA0003245808350000053
(2)计算相电流更新时间Tre_x(k)(x＝a,b,c):
Figure GDA0003245808350000054
其中Tre_x(k-1)是上一个采样周期的相电流更新时间。
(3)根据Tre_x(k)(x＝a,b,c)，计算出重构相电流ix(k)(x＝a,b,c)：
Figure GDA0003245808350000055
(4)根据重构的电机相电流以及转子位置角θe计算两相旋转坐标系下的电流id(k)，iq(k)：
Figure GDA0003245808350000056
Figure GDA0003245808350000057
其中T3s/2r是三相坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵。
(5)根据电机离散模型计算在候选矢量Un(k+1)作用下的电流预测值
Figure GDA0003245808350000061
Figure GDA0003245808350000062
Figure GDA0003245808350000063
[udn(k)uqn(k)]T＝T3s/2rudc[san sbn san]T
其中Rs，Ls，Ts，ψPM，ωe分别是电机定子电阻，定子电感，采样周期，转子永磁体磁和转子电角速度。[san sbn scn]是候选矢量Un(k+1)的具体开关信号。
(6)计算相电流沦陷时间Tsunk_x(k+1)(x＝a,b,c):
确定相电流更新模式：
Figure GDA0003245808350000064
其中Nn(k+1)是候选矢量Un(k+1)的相编码。
根据不同模式确定相电流沦陷时间：
Figure GDA0003245808350000065
Figure GDA0003245808350000066
(7)建立模型预测控制的价值函数：
Jn＝Jn1+λJn2 n＝1,...,6
其中
Figure GDA0003245808350000067
Figure GDA0003245808350000068
Figure GDA0003245808350000069
为dq轴参考电流，λ是Jn2的权重系数。
(8)通过计算不同候选矢量Un(k+1)作用下的Jn，选择最小的Jn对应的候选矢量作为最优控制矢量Uop(k+1)，并在下一个周期作用于逆变器。
为了验证本发明的效果，进行了实验。图1是永磁同步电机驱动系统结构图；图2是永磁同步电机单电流传感器控制框图；图3永磁同步电机单电流传感器控制策略应用在初级永磁直线电机的实验结果；图3的实验结果表明本发明提出的永磁同步电机单电流传感器控制方法可以在仅使用一个直流母线电流传感器的基础上拥有良好的电机驱动性能。
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 (4)

1.一种永磁同步电机单电流传感器控制方法，先对直流母线电流idc进行采样，并利用上一个周期的控制矢量重构出三相电流ia，ib，ic；然后根据每一个候选矢量与电机相电流更新的模式确定每一个重构的相电流的沦陷时间；根据电机离散状态模型计算出每一个候选矢量作用下的预测电流；建立起关于电流跟踪误差与相电流沦陷时间的价值函数，并选取最低价值函数对应的候选矢量作为最优控制矢量;其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)对直流母线电流idc(k)进行采样，利用上一个周期选择的电压矢量Um(k)计算出相电流更新后的三相电流ia，ib，ic：
Figure FDA0003245808340000011
通过上面表格得出在电压矢量Um(k)作用下更新的三相电流：
Figure FDA0003245808340000012
其中m为电压矢量Um(k-1)的序号，ix(k-1)(x＝a,b,c)为上一个周期的更新的三相电流;N(k)为相编码,表达式如下：
Figure FDA0003245808340000013
(2)计算相电流更新时间Tre_x(k)(x＝a,b,c):
Figure FDA0003245808340000014
其中Tre_x(k-1)是上一个采样周期的相电流更新时间；
(3)根据Tre_x(k)(x＝a,b,c)，计算出重构相电流ix(k)(x＝a,b,c)：
Figure FDA0003245808340000015
(4)根据重构的电机相电流以及转子位置角θe计算两相旋转坐标系下的电流id(k)，iq(k)：
Figure FDA0003245808340000021
Figure FDA0003245808340000022
其中T3s/2r是三相坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵；
(5)根据电机离散模型计算在候选矢量Un(k+1)作用下的电流预测值
Figure FDA0003245808340000023
Figure FDA0003245808340000024
Figure FDA0003245808340000025
[udn(k) uqn(k)]T＝T3s/2rudc[san sbn san]T
其中Rs，Ls，Ts，ψPM，ωe分别是电机定子电阻，定子电感，采样周期，转子永磁体磁和转子电角速度;[san sbn scn]是候选矢量Un(k+1)的具体开关信号；
(6)计算相电流沦陷时间Tsunk_x(k+1)(x＝a,b,c):
确定相电流更新模式：
Figure FDA0003245808340000026
其中Nn(k+1)是候选矢量Un(k+1)的相编码；
根据不同模式确定相电流沦陷时间：
Case-I：
Figure FDA0003245808340000027
Case-II：
Figure FDA0003245808340000031
(7)建立模型预测控制的价值函数：
Jn＝Jn1+λJn2 n＝1,...,6
其中
Figure FDA0003245808340000032
Figure FDA0003245808340000033
Figure FDA0003245808340000034
为dq轴参考电流，λ是Jn2的权重系数；
(8)通过计算不同候选矢量Un(k+1)作用下的Jn，选择最小的Jn对应的候选矢量作为最优控制矢量Uop(k+1)，并在下一个周期作用于逆变器。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，使用的基本控制方法为模型预测控制。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，仅使用一个直流母线电流传感器。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，价值函数考虑了dq轴电流的跟踪误差和相电流沦陷时间。
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