CN112994553A - 一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，用于解决永磁同步电机驱动系统逆变器因开关管故障以及在考虑电容电压补偿时需要引入权重系数的问题，确保永磁同步电机在开关管故障情况下的稳定运行；利用转速PI调节器获得电磁转矩参考值；采用自适应陷波器提取直流分量，并将直流分量注入到相电流中来抑制电容电压偏移；根据参考电压矢量的计算公式得到参考电压矢量，并且根据开关信号得到备选的电压矢量；构造价值函数，选出使得价值函数值最小的电压矢量，本发明实现了永磁同步电机系统逆变器故障下的容错控制，并对直流侧电容分压不均衡进行补偿，消去了权重系数，实现了永磁同步电机的带故障运行。

Description

一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动与控制领域，具体为一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法。

背景技术

由于两电平电压型逆变器驱动的永磁同步电动机具有转矩密度大、效率高等优点，在工业应用中得到了广泛的应用。但是电压源逆变器驱动的永磁同步电机系统中逆变器是容易出现故障的环节，逆变器故障会增加转矩脉动和转速波动，严重影响永磁同步电机驱动系统的运行性能。因此，维持电机系统的稳定运行，提高控制系统的可靠性，对逆变器故障容错运行研究有着非常重要的意义。另外，在某些应用中，低成本的逆变器配置是非常重要的。因此，三相四开关逆变器只需要四个开关，成本低，结构简单，成为传统三相六开关逆变器的替代品。

近年来，有限控制集模型预测控制以其结构简单、对非线性多变量系统控制能力强等优点在电力电子和电机驱动领域得到了广泛的应用。然而，采用模型预测控制三相四开关逆变器时，在考虑直流侧电容电压补偿时价值函数中需要引入权重系数，对权重系数的选取是一个不断调节的过程，运算量大，降低控制效率。

因此，针对三相四开关逆变器永磁同步电机开关管故障以及电容电压不平衡问题，本发明提出了一种三相四开关永磁同步电机驱动系统简化模型预测电压控制方法，避免了权重系数的选取，使得永磁同步电机驱动系统在逆变器发生故障时，可以维持稳定运行。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决永磁同步电机驱动系统逆变器因开关管故障以及在考虑电容电压补偿时需要引入权重系数的问题，而提出一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，该方法包括：

利用转速PI调节器获得电磁转矩参考值；

采用自适应陷波器提取直流分量，并将直流分量注入到相电流中来抑制电容电压的偏移；

通过参考电压矢量的计算公式得到参考电压矢量，并且根据开关信号得到备选的电压矢量；

构造价值函数，选出使得价值函数值最小的电压矢量，进而获取作用于三相四开关逆变器的控制信号，对永磁同步电机系统进行控制。

优选的，采用自适应陷波器提取的直流分量为：

式中：u_c1、u_c2分别为直流侧上下电容的电压，G(s)是自适应陷波器的传递函数，K是比例控制器的参数，ω_e是电角速度；

将直流分量注入到a相电流中，得到的a相电流表示为：i'_a＝i_a+i_a0。

优选的，所述参考电压矢量为：

式中：ψ_sref为αβ轴的参考磁链矢量，ψ_s为αβ轴的实际磁链矢量，R是定子绕组电阻，u_α ^*为参考电压矢量在α轴的电压分量，u_β ^*为参考电压矢量在β轴的电压分量，θ_s为定子磁链角，Δδ为负载角增量，T_s为采样周期。

优选的，根据开关信号得到备选的电压矢量为：

式中：S_b、S_c分别为b相和c相桥臂的开关信号，u_α、u_β分别为备选电压矢量的α轴、β轴的电压分量。

优选的，所述价值函数为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能使电机驱动系统在逆变器发生故障时，电机可以稳定运行，并且对直流侧上下电容电压进行补偿，在价值函数中无需引入权重系数，简化了系统控制的复杂度。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为电机驱动系统简化模型预测电压控制框图。

图2为定子参考电压矢量图。

具体实施方式

下面将结合实施例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。

请参阅图1-2所示，一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，包括如下步骤：

步骤一：利用转速PI调节器获得电磁转矩参考值；

将转速参考值n^*与实际转速n的差值en输入转速PI控制器，根据式(1)获得电磁转矩参考值T_e ^*为：

式中：K_p和K_i分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益；

步骤二：用自适应陷波器提取直流分量，并将直流分量注入到相电流中来抑制电容电压的偏移；

自适应陷波滤波器，以输入和输出信号的统计特性估计为依据，采取特定算法自动调整滤波器系数，使其达到最佳滤波特性的自适应滤波器，采用自适应陷波器提取的直流分量为：

式中：u_c1、u_c2分别为直流侧上下电容的电压，G(s)是自适应陷波器的传递函数，K是比例控制器的参数，ω_e是电角速度；

将直流分量注入到a相电流中，得到的a相电流表示为：

i′_a＝i_a+i_a0 (3)

根据参考电压矢量的计算公式得到参考电压矢量，并且根据开关信号得到备选的电压矢量；

永磁同步电机的定子电压矢量方程可表示为：

对式(4)进行离散化处理可得：

根据图2的定子参考电压矢量图，利用磁链在αβ轴的分量可以计算出定子参考电压矢量：

式中：ψ_sref为αβ轴的参考磁链矢量，ψ_s为αβ轴的实际磁链矢量，R是定子绕组电阻，u_α ^*为参考电压矢量在α轴的电压分量，u_β ^*为参考电压矢量在β轴的电压分量，θ_s为定子磁链角，Δδ为负载角增量，Ts为采样周期；

将式(3)中的电流进行克拉克变换，然后代入到式(6)中，则所得到的参考电压矢量中已经对电容电压进行了补偿；

三相四开关逆变器的相电压可以表示为：

对式(7)进行克拉克变换可得备选电压矢量为：

步骤4：将参考电压矢量和不同开关信号对应的备选电压矢量带入到价值函数中，计算相对应的函数值；

价值函数为：

选出使得价值函数值最小的电压矢量，进而获取作用于三相四开关逆变器的控制信号，实现永磁同步电机系统控制；

本发明在使用时，利用转速PI调节器获得电磁转矩参考值；采用自适应陷波器提取直流分量，并将直流分量注入到相电流中来抑制电容电压的偏移；通过参考电压矢量的计算公式得到参考电压矢量，并且根据开关信号得到备选的电压矢量；构造价值函数，选出使得价值函数值最小的电压矢量，进而获取作用于三相四开关逆变器的控制信号，对永磁同步电机系统进行控制能使电机系统在逆变器发生故障时，维持电机稳定运行，并且对直流侧上下电容电压差进行了补偿，在价值函数中消去了权重系数，简化了系统控制的复杂度。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，其特征在于，该方法包括：

利用转速PI调节器获得电磁转矩参考值；

采用自适应陷波器提取直流分量，并将直流分量注入到相电流中来抑制电容电压的偏移；

通过参考电压矢量的计算公式得到参考电压矢量，并且根据开关信号得到备选的电压矢量；

构造价值函数，选出使得价值函数值最小的电压矢量，进而获取作用于三相四开关逆变器的控制信号，对永磁同步电机系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，其特征在于，采用自适应陷波器提取的直流分量为：

式中：u_c1、u_c2分别为直流侧上下电容的电压，G(s)是自适应陷波器的传递函数，K是比例控制器的参数，ω_e是电角速度；

将直流分量注入到a相电流中，得到的a相电流表示为：i'_a＝i_a+i_a0。

3.根据权利要求2所述的一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，其特征在于，所述参考电压矢量为：

式中：ψ_sref为αβ轴的参考磁链矢量，ψ_s为αβ轴的实际磁链矢量，R是定子绕组电阻，u_α ^*为参考电压矢量在α轴的电压分量，u_β ^*为参考电压矢量在β轴的电压分量，θ_s为定子磁链角，Δδ为负载角增量，T_s为采样周期。

4.根据权利要求3所述的一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，其特征在于，根据开关信号得到备选的电压矢量为：

式中：S_b、S_c分别为b相和c相桥臂的开关信号，u_α、u_β分别为备选电压矢量的α轴、β轴的电压分量。

5.根据权利要求4所述的一种永磁电机系统简化模型预测电压控制方法，其特征在于，所述价值函数为：

Images