CN112468045B - 一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法 - Google Patents

一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，该方法采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号；根据逆变器开关信号和直流母线电压计算出三相电流估计值；在滞环比较器中，其中相电流传感器所对应的相电流的参考值由速度环调节所得，实际值由相电流传感器测量所得，其余两相电流的参考值由该相电流传感器所对应的相电流估计值移相所得，实际值由这两相电流的估计值所替代。本发明永磁同步电机单电流传感器控制方法仅使用一个相电流传感器完成对三相永磁同步电机的控制，电机参数的变化对系统运行没有影响，具有较高的鲁棒性。

Description

一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动与控制技术领域，具体的是一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法。
背景技术
传统的三相永磁同步电机由于三相电流之和为零的约束，因此通常需要两个相电流传感器以完成三相电流采样。传感器故障是永磁同步电机中的一种常见故障，一旦某相的电流传感器发生故障，在传统控制方法下，三相电流采样将无法完成，从而永磁同步电机将无法继续运行。
现在常用的单电流传感器容错控制方法是将电流传感器放置在直流母线上，然后利用一定的电流重构策略完成相电流的重构。然而这种相电流重构策略一方面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，另一方面其需要将电流传感器放置在直流母线上，对于电机运行过程中突发的相电流传感器故障将失效。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，该方法仅使用一个相电流传感器完成对永磁同步电机的控制，电机参数的变化对系统运行没有影响，具有较高的鲁棒性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号；根据逆变器开关信号和直流母线电压计算出三相电流估计值；在滞环比较器中，其中相电流传感器所对应的相电流的参考值由速度环调节所得，实际值由相电流传感器测量所得，其余两相电流的参考值由该相电流传感器所对应的相电流估计值移相所得，实际值由这两相电流的估计值所替代。
优选地，上述控制方法具体包括以下步骤：
S1、由电机的参考速度
Figure BDA0002808322830000021
和实际速度vm通过速度调节器得到q轴参考电流
Figure BDA0002808322830000022
S2、采用id＝0控制，即d轴参考电流为零，根据dq轴参考电流和动子位置θe，通过式(1)计算滞环比较器中A相电流参考值
Figure BDA0002808322830000023
Figure BDA0002808322830000024
式(1)中：
Figure BDA0002808322830000025
为A相电流参考值；
Figure BDA0002808322830000026
为d轴参考电流；θe为动子位置；
Figure BDA0002808322830000027
为q轴参考电流；
S3、根据逆变器开关信号sabc和直流母线电压udc，通过式(2)计算三相电压uabc：
Figure BDA0002808322830000028
式(2)中：ua、ub、uc分别为ABC三相电压，sa、sb、sc分别为ABC三相逆变器开关信号；
S4、根据三相电压uabc和动子位置θe，通过式(3)计算dq轴电压udq∶
Figure BDA0002808322830000029
式(3)中：ud、uq分别为d轴和q轴电压；
S5、根据dq轴电压udq、动子电阻Rs、动子电感Ls、永磁磁链ψf和电角速度ωe，通过式(4)计算dq轴电流估计值
Figure BDA0002808322830000031
Figure BDA0002808322830000032
式(4)中：
Figure BDA0002808322830000033
分别为d轴和q轴电流估计值；
S6、根据dq轴电流估计值
Figure BDA0002808322830000034
和动子位置θe，通过式(5)计算三相电流估计值
Figure BDA0002808322830000035
Figure BDA0002808322830000036
式(5)中：
Figure BDA0002808322830000037
分别为ABC三相电流估计值；
S7、通过相位估计模块和幅值估计模块分别获得A相电流估计值
Figure BDA0002808322830000038
的相位φa和幅值
Figure BDA0002808322830000039
并通过式(6)构造滞环比较器中BC两相电流的参考值
Figure BDA00028083228300000310
Figure BDA00028083228300000311
式(6)中：
Figure BDA00028083228300000312
分别为BC两相电流的移相参考值；
S8、采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号sabc，实现永磁同步电机单电流传感器控制，其中，A相电流的参考值为
Figure BDA00028083228300000313
实际值为ia，由相电流传感器测量所得，BC两相电流的参考值为
Figure BDA00028083228300000314
实际值由估计值
Figure BDA00028083228300000315
所替代。
优选地，步骤S1中速度调节器为比例积分控制器。
优选地，步骤S5中动子电阻、动子电感和永磁磁链均为标称值。
优选地，步骤S7中相位估计模块为一个基于同步旋转坐标系下的锁相环模块，通过输入ABC三相电流的估计值
Figure BDA00028083228300000316
来获得A相电流估计值
Figure BDA00028083228300000317
的相位φa。
优选地，步骤S7中幅值估计模块主要为一个PI控制器模块，将A相电流估计值的绝对值
Figure BDA0002808322830000041
与A相估计电流重构值的绝对值
Figure BDA0002808322830000042
作差经PI控制器得到A相电流估计值的幅值
Figure BDA0002808322830000043
本发明的有益效果：
本发明与现有的基于直流母线电流传感器的单电流传感器控制方法相比，无需改变相电流传感器的安装位置，对于电机运行过程中突发的相电流传感器故障仍然有效；与现有的基于状态观测器的单电流传感器控制方法相比，本发明方法不受电机参数变化的影响，鲁棒性高；与现有的单相电流传感器控制方法相比，本发明方法的稳态运行性能更好；同时，在不明显改变永磁同步电机运行性能的前提下，本发明方法仅使用一个相电流传感器，一定程度上降低了系统的硬件成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例中初级永磁直线电机牵引系统的拓扑结构图；
图2是本发明实施例中基于电流移相的初级永磁直线电机单相电流传感器控制方法的结构框图；
图3是本发明实施例中相位估计模块的结构框图；
图4是本发明实施例中幅值估计模块的结构框图；
图5是本发明实施例中基于电流移相的初级永磁直线电机单相电流传感器控制方法的验证结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例的初级永磁直线电机牵引系统的拓扑结构图如图1所示，包括四个三相动子(Mover 1～Mover 4)和四个三桥臂电压源逆变器(VSI)。四个逆变器连接到同一个直流母线，并且分别给四个动子供电。
选取逆变器1和动子1进行分析，正常运行时，安装在AB两相绕组上的电流传感器分别测量AB两相电流，由于三相电流之和为零，因此C相电流也可以得到。现认为运行过程中B相电流传感器发生故障，此时仅A相电流传感器健康，A相电流可以测得而BC两相电流不可得。
如图2所示为本发明实施例公开的一种基于电流移相的永磁同步电机单相电流传感器控制方法。该方法采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号；根据逆变器开关信号和直流母线电压计算出三相电流估计值；在滞环比较器中，健康相电流传感器所对应的相电流的参考值由速度环调节所得，实际值由相电流传感器测量所得，其余两相电流的参考值由健康相电流传感器所对应的相电流估计值移相所得，实际值由这两相电流的估计值所替代。实施例包含的具体步骤如下：
S1、由电机的参考速度
Figure BDA0002808322830000051
和实际速度vm通过速度调节器得到q轴参考电流
Figure BDA0002808322830000052
S2、采用id＝0控制，即d轴参考电流为零，根据dq轴参考电流和动子位置θe，通过式(1)计算滞环比较器中A相电流参考值
Figure BDA0002808322830000061
Figure BDA0002808322830000062
式(1)中：
Figure BDA0002808322830000063
为A相电流参考值；
Figure BDA0002808322830000064
为d轴参考电流；θe为动子位置；
Figure BDA0002808322830000065
为q轴参考电流；
S3、根据逆变器开关信号sabc和直流母线电压udc，通过式(2)计算三相电压uabc：
Figure BDA0002808322830000066
式(2)中：ua、ub、uc分别为ABC三相电压，sa、sb、sc分别为ABC三相逆变器开关信号；
S4、根据三相电压uabc和动子位置θe，通过式(3)计算dq轴电压udq：
Figure BDA0002808322830000067
式(3)中：ud、uq分别为d轴和q轴电压；
S5、根据dq轴电压udq、动子电阻Rs、动子电感Ls、永磁磁链ψf、定子极距τs和速度vm，通过式(4)计算dq轴电流估计值
Figure BDA0002808322830000068
Figure BDA0002808322830000069
式(4)中：
Figure BDA00028083228300000610
分别为d轴和q轴电流估计值；ωe为电角速度，计算表达式为ωe＝2πvm/τs；
S6、根据dq轴电流估计值
Figure BDA00028083228300000611
和动子位置θe，通过式(5)计算三相电流估计值
Figure BDA0002808322830000071
Figure BDA0002808322830000072
式(5)中：
Figure BDA0002808322830000073
分别为ABC三相电流估计值；
S7、通过相位估计模块(如图3所示)和幅值估计模块(如图4所示)分别获得A相电流估计值
Figure BDA0002808322830000074
的相位φa和幅值
Figure BDA0002808322830000075
并通过式(6)构造滞环比较器中BC两相电流的参考值
Figure BDA0002808322830000076
Figure BDA0002808322830000077
式(6)中：
Figure BDA0002808322830000078
分别为BC两相电流的移相参考值；
S8、采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号sabc，实现永磁同步电机单电流传感器控制，其中，A相电流的参考值为
Figure BDA0002808322830000079
实际值为ia，由相电流传感器测量所得，BC两相电流的参考值为
Figure BDA00028083228300000710
实际值由估计值
Figure BDA00028083228300000711
所替代。
为了验证本发明的效果，进行了实验。实验中采用dSPACE DS1103控制器对一台初级永磁直线电机进行控制，电机的参考速度设置为0.2m/s，仅A相电流传感器的测量值参与控制，而B相电流传感器的测量值只是用来当作参考比较，并没有参与实际的电机控制，另外，为了验证鲁棒性实验中分别针对电阻、电感和磁链设置了参数变化。实验结果如图5所示，图中，第一列对应无参数变化(即参数为标称值)，第二列对应电阻变化，第三列对应电感变化，第四列对应磁链变化；第一行的波形是速度波形，第二行的波形是三相电流波形，第三行的波形是B相电流估计值和B相移相参考电流值，第四行的波形是B相电流值和B相初始参考电流值，第五行的波形是d轴(直轴)电流，第六行的波形是q轴(交轴)电流的实际值和参考值。图5的实验结果表明本发明提出的基于电流移相的初级永磁直线电机单相电流传感器控制方法仅在使用一个相电流传感器的基础上，在不同的电机参数条件(电阻变化、电感变化、磁链变化)下均具有良好的运行性能和较高的鲁棒性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，其特征在于，采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号；根据逆变器开关信号和直流母线电压计算出三相电流估计值；在滞环比较器中，其中相电流传感器所对应的相电流的参考值由速度环调节所得，实际值由相电流传感器测量所得，其余两相电流的参考值由该相电流传感器所对应的相电流估计值移相所得，实际值由这两相电流的估计值所替代；
所述控制方法具体包括以下步骤：
S1、由电机的参考速度
Figure FDA0003504696580000011
和实际速度vm通过速度调节器得到q轴参考电流
Figure FDA0003504696580000012
S2、采用id＝0控制，即d轴参考电流为零，根据dq轴参考电流和动子位置θe，通过式(1)计算滞环比较器中A相电流参考值
Figure FDA0003504696580000013
Figure FDA0003504696580000014
式(1)中：
Figure FDA0003504696580000015
为A相电流参考值；
Figure FDA0003504696580000016
为d轴参考电流；θe为动子位置；
Figure FDA0003504696580000017
为q轴参考电流；
S3、根据逆变器开关信号sabc和直流母线电压udc，通过式(2)计算三相电压uabc：
Figure FDA0003504696580000018
式(2)中：ua、ub、uc分别为ABC三相电压，sa、sb、sc分别为ABC三相逆变器开关信号；
S4、根据三相电压uabc和动子位置θe，通过式(3)计算dq轴电压udq：
Figure FDA0003504696580000019
式(3)中：ud、uq分别为d轴和q轴电压；
S5、根据dq轴电压udq、动子电阻Rs、动子电感Ls、永磁磁链ψf和电角速度ωe，通过式(4)计算dq轴电流估计值
Figure FDA0003504696580000021
Figure FDA0003504696580000022
式(4)中：
Figure FDA0003504696580000023
分别为d轴和q轴电流估计值；
S6、根据dq轴电流估计值
Figure FDA0003504696580000024
和动子位置θe，通过式(5)计算三相电流估计值
Figure FDA0003504696580000025
Figure FDA0003504696580000026
式(5)中：
Figure FDA0003504696580000027
分别为ABC三相电流估计值；
S7、通过相位估计模块和幅值估计模块分别获得A相电流估计值
Figure FDA0003504696580000028
的相位φa和幅值
Figure FDA0003504696580000029
并通过式(6)构造滞环比较器中BC两相电流的参考值
Figure FDA00035046965800000210
Figure FDA00035046965800000211
式(6)中：
Figure FDA00035046965800000212
分别为BC两相电流的移相参考值；
S8、采用滞环电流控制产生逆变器的开关信号sabc，实现永磁同步电机单电流传感器控制，其中，A相电流的参考值为
Figure FDA00035046965800000213
实际值为ia，由相电流传感器测量所得，BC两相电流的参考值为
Figure FDA00035046965800000214
实际值由估计值
Figure FDA00035046965800000215
所替代。
2.根据权利要求1所述的基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S1中速度调节器为比例积分控制器。
3.根据权利要求1所述的基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S5中动子电阻、动子电感和永磁磁链均为标称值。
4.根据权利要求1所述的基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S7中相位估计模块为一个基于同步旋转坐标系下的锁相环模块，通过输入ABC三相电流的估计值
Figure FDA0003504696580000031
来获得A相电流估计值
Figure FDA0003504696580000032
的相位φa。
5.根据权利要求1所述的基于电流移相的永磁同步电机单电流传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S7中幅值估计模块主要为一个PI控制器模块，将A相电流估计值的绝对值
Figure FDA0003504696580000033
与A相估计电流重构值的绝对值
Figure FDA0003504696580000034
作差经PI控制器得到A相电流估计值的幅值
Figure FDA0003504696580000035
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