CN113131825A - 一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统 - Google Patents

一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统 Download PDF

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CN113131825A CN202110453846.0A CN202110453846A CN113131825A CN 113131825 A CN113131825 A CN 113131825A CN 202110453846 A CN202110453846 A CN 202110453846A CN 113131825 A CN113131825 A CN 113131825A
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Abstract

本发明公开了一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统，本发明将实测电压通过延时环节得到延时处理后的电压方程；通过低通滤波器提取电压方程中的直流量、正弦量以及余弦量并建立包含电机参数的方程组并求解参数辨识值并计算运行于MTPA点的转矩角β M ；在输入电流预测控制环的转矩角β M 中注入高频正弦信号Δβ，并通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)并以此生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。本发明能够解决模块化多绕组永磁电机预测电流控制对于电机参数变化敏感的问题，使电机运行在MTPA点，以及提高模块化多绕组永磁电机的电机效率。

Description

一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统
技术领域
本发明涉及模块化多绕组永磁电机的控制技术，具体涉及一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统。
背景技术
随着电动汽车普及，永磁同步电机的产量规模也逐步扩大。目前，我国新能源乘用车中永磁同步电机占比高达92%，针对电动汽车用电机驱动系统，永磁同步电机能更好地满足其对于性能，功率密度以及环境温度的要求。新型模块化永磁同步电机将永磁同步电机分成物理和电气结构上相互独立的几个模块，当其中的子模块发生故障时，可以切掉故障子模块而控制其余正常子模块降额运行，因此有效提升了永磁电机的容错性和可靠性。通过在电机不同模块之间实现物理隔离和电磁隔离，使得各模块可以照传统三相电机的控制方法进行独立控制，相较于多相电机控制策略简便。同时，相同功率等级下，模块化电机每个子模块的每相绕组通过的电流等级更小，因此可以将功率等级小，但性能更好的功率器件应用到大功率设备上。因此，相较于传统三相永磁同步电机，新型模块化永磁同步电机更适合用作于电动汽车轮毂电机。
模型预测控制利用了现代控制器计算速度快的优势，可以有效降低开关频率，抑制共模电压。与传统PI控制相比，模型预测控制不需要复杂的调参工作，且在相同的稳态性能下，模型预测控制具有更快的响应速度以及更小的速度转矩脉动。电流预测控制是模型预测控制的一种，其通过构造一个级联结构，利用逆变器和电机的离散模型来预测电机的电流，并将预测结果作为电压矢量命令值输出实现最优控制。但是，作为模型预测控制的一种，电流预测控制受制于电机参数的精确程度，电机电气参数的偏差会对控制性能造成影响，严重时甚至会造成电机失控。目前，关于模型预测控制中参数失配问题的研究主要集中于传统三相永磁同步电机，而关于新型模块化永磁电机模型预测控制的鲁棒性研究工作未见文献报道，新型模块化永磁电机缺乏高性能预测控制技术制约了它在电动汽车与重大工程建设中的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对新型模块化多绕组永磁电机参数失配造成电机控制性能下降的问题，提供一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法及系统，本发明旨在解决模块化多绕组永磁电机预测电流控制对于电机参数变化敏感的问题，使电机运行在MTPA点，以及提高模块化多绕组永磁电机的电机效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，包括：
1）获取模块化多绕组永磁电机第k个周期的实测电流i dq (k)和实测电压u dq (k)；
2）将实测电压u dq (k)通过延时环节得到进行一个周期以及半个周期的延时处理，得到延时处理后的电压方程；
3）通过低通滤波器提取出延时处理后电压方程中的直流量、正弦量以及余弦量，并建立包含电机参数的方程组，求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值；
4）基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M ；
5）在输入电流预测控制环的转矩角β M 中注入高频正弦信号Δβ，并通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)，根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
可选地，步骤2）中得到延时处理后的电压方程的函数表达式为：
Figure 264042DEST_PATH_IMAGE001
上式中，ud 1(k), uq 1(k)为实测电压u dq (k)延时一个周期后的dq轴分量，ud 2(k), uq 2(k)为实测电压u dq (k)延时半个周期后的dq轴分量，R为模块化多绕组永磁电机的电阻，id s(k), iq s(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴直流分量，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间，Ld和Lq为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机的电转速。
可选地，步骤3）中建立包含电机参数的方程组的函数表达式为：
Figure 1054DEST_PATH_IMAGE002
上式中，LPF表示低通滤波器，x 1～x 6分别为处理后得到的新的六个方程，ψ f 为模块化多绕组永磁电机的转子磁链。
可选地，步骤3）中求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值的函数表达式为：
Figure 524439DEST_PATH_IMAGE003
上式中，
Figure 954283DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 195909DEST_PATH_IMAGE005
为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量的辨识值，
Figure 284081DEST_PATH_IMAGE006
为模块化多绕组永磁电机的转子磁链的辨识值，
Figure 927552DEST_PATH_IMAGE007
为模块化多绕组永磁电机的电阻辨识值。
可选地，步骤4）中基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M 的函数表达式为：
Figure 262719DEST_PATH_IMAGE008
上式中，I s (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的总电流值，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量。
可选地，步骤5）中注入高频正弦信号Δβ的函数表达式为：
Figure 991640DEST_PATH_IMAGE009
上式中，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间。
可选地，步骤5）中通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的函数表达式为：
Figure 70455DEST_PATH_IMAGE010
上式中，u d ref (k+1), u q ref (k+1)分别为下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的dq轴分量，T 1 为预测控制周期，id ref (k+1), iq ref (k+1)分别为下一个周期的参考电流的dq轴分量，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的电转速。
可选地，步骤5）中根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模的步骤包括：将下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)，将两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1) 经SVPWM模块调制后生成PWM脉冲信号，并将PWM脉冲信号输出至模块化多绕组永磁电机的功率单元以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
此外，本发明还提供一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、本发明能够实现模块化多绕组永磁电机实时参数辨识，消除了参数失配对于模块化多绕组永磁电机电流预测的影响。
2、本发明通过利用参数辨识结果，实现了模块化多绕组永磁电机的MTPA控制，提高了电机运行效率。
3、本发明有效利用了模块化电机的固有特性，相较于其他高频信号注入方法，本发明在转速和转矩脉动抑制方面具有明显优势。
附图说明
图1为本发明实施例方法的控制原理示意图。
图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图3为本发明实施例中模块化多绕组永磁电机参数指令电流与实际电流结果图。
图4为本发明实施例中模块化多绕组永磁电机总电流结果图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法包括：
1）获取模块化多绕组永磁电机第k个周期的实测电流i dq (k)和实测电压u dq (k)；
2）将实测电压u dq (k)通过延时环节得到进行一个周期以及半个周期的延时处理，得到延时处理后的电压方程；
3）通过低通滤波器提取出延时处理后电压方程中的直流量、正弦量以及余弦量，并建立包含电机参数的方程组，求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值；
4）基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M ；
5）在输入电流预测控制环的转矩角β M 中注入高频正弦信号Δβ，并通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)，根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
本实施例中，步骤1）中模块化多绕组永磁电机第k个周期的实测电流i dq (k)和实测电压u dq (k)为通过电压和电流坐标变换得到，其变换的函数表达式如下：
Figure 630749DEST_PATH_IMAGE011
上式中，id(k), iq(k)为实测电流i dq (k)的dq轴分量，ud(k), uq(k)为实测电压u dq (k)的dq轴分量，θ e 为电机位置角，ia(k), ib(k), ic(k)分别为模块化多绕组永磁电机第k个周期的ABC相实测电流，ua(k), ub(k), uc(k)分别为模块化多绕组永磁电机第k个周期的ABC相实测电压。
本实施例中，步骤2）中得到延时处理后的电压方程的函数表达式为：
Figure 402396DEST_PATH_IMAGE012
上式中，ud 1(k), uq 1(k)为实测电压u dq (k)延时一个周期后的dq轴分量，ud 2(k), uq 2(k)为实测电压u dq (k)延时半个周期后的dq轴分量，R为模块化多绕组永磁电机的电阻，id s(k), iq s(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴直流分量，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间，Ld和Lq为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机的电转速。上述电压方程推导过程如下：
注入高频正弦信号Δβ后，实测电压u dq (k)可表示为：
Figure 353035DEST_PATH_IMAGE013
上式中，ud(k), uq(k)为实测电压u dq (k)的dq轴分量，R为模块化多绕组永磁电机的电阻，id s(k), iq s(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴直流分量，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间，Ld和Lq为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量，ψ f 为模块化多绕组永磁电机的转子磁链。实测电压u dq (k)延时一个周期T（高频正弦信号Δβ的周期）后的dq轴分量ud 1(k), uq 1(k)可表示为：
Figure 235540DEST_PATH_IMAGE014
实测电压u dq (k)延时半个周期T/2后的dq轴分量ud 2(k), uq 2(k) 可表示为：
Figure 588024DEST_PATH_IMAGE015
将前文的两个电压方程相减，即可获得前文延时处理后的电压方程的函数表达式。
本实施例中，步骤3）中建立包含电机参数的方程组的函数表达式为：
Figure 334832DEST_PATH_IMAGE016
上式中，LPF表示低通滤波器，x 1～x 6分别为处理后得到的新的六个方程，ψ f 为模块化多绕组永磁电机的转子磁链。
本实施例中，步骤3）中求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值的函数表达式为：
Figure 772767DEST_PATH_IMAGE017
上式中，
Figure 193384DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 665954DEST_PATH_IMAGE005
为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量的辨识值，
Figure 779403DEST_PATH_IMAGE006
为模块化多绕组永磁电机的转子磁链的辨识值，
Figure 704634DEST_PATH_IMAGE007
为模块化多绕组永磁电机的电阻辨识值。
本实施例步骤4）中基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M 的函数表达式为：
Figure 991259DEST_PATH_IMAGE018
上式中，I s (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的总电流值，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量。
本实施例中，步骤5）中注入高频正弦信号Δβ的函数表达式为：
Figure 52756DEST_PATH_IMAGE019
上式中，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间。
本实施例中，步骤5）中通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的函数表达式为：
Figure 337106DEST_PATH_IMAGE020
上式中，u d ref (k+1), u q ref (k+1)分别为下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的dq轴分量，T 1 为预测控制周期，id ref (k+1), iq ref (k+1)分别为下一个周期的参考电流的dq轴分量，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的电转速。
本实施例中，步骤5）中根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模的步骤包括：将下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)，将两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1) 经SVPWM模块调制后生成PWM脉冲信号，并将PWM脉冲信号输出至模块化多绕组永磁电机的功率单元以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
将下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)的函数表达式为：
Figure 749633DEST_PATH_IMAGE021
上式中，u α ref (k+1), u β ref (k+1)分别为两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)的αβ轴分量，u d ref (k+1), u q ref (k+1)分别为下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的dq轴分量，θ e 为电机位置角。
为了对本实施例模块化多绕组永磁电机电流预测控制方法及系统进行验证，采用图1所示对本实施例方法进行验证。图1所示模块化多绕组永磁电机双级联系统中，速度控制环产生的电流指令I ref (k)给模块化电机的电流控制环，利用参数辨识结果计算出转矩角β M ，在模块化电机电流速度环的转矩角β M 之中注入高频正弦信号Δβ，经过电流预测控制计算后产生两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)经过一个SVPWM环节对模块化电机两个模块分别进行控制。最终，得到模块化多绕组永磁电机电流预测控制过程中的指令值和实际值结果如图3所示，模块化多绕组永磁电机在转矩角MTPA点命令前后的总电流大小结果如图4所示。结合图3和图4可知，模块化多绕组永磁电机在使用电机参数观测值代替原本的电机参数参考值之后，实际电流有效跟踪到了指令电流，消除了误差，同时模块化多绕组永磁电机在使用了通过电机参数观测值计算的转矩角之后，电机总电流的大小明显下降。
综上所述，本实施例中针对模块化多绕组永磁电机的控制系统采用级联结构，速度控制环采用PI控制，产生的电流指令值输入模块化电机的电流模型预测控制环，在模块化电机的电流模型预测控制环的转矩角之中注入高频正弦信号，经模型预测控制计算产生的电压指令经过SVPWM环节对模块化电机两个模块同时进行控制。模块化电机将定子绕组分为两个电角度相同的电机模块，每个电机模块的控制方式与普通三相永磁同步电机相同，多于两个电机模块的模块化电机同样可以应用此方法。通过对于模块化电机电压进行延时以及其中高频信号的分析处理，得到电机参数观测值，并带入电流模型预测控制环以及MTPA角计算之中。对比传统永磁同步电机模型预测控制方法，本实施例所述方法满足了电机在模型预测控制中对于电机实际参数的辨识需求，能够解决模块化多绕组永磁电机预测电流控制对于电机参数变化敏感的问题，在提升定子电流跟踪精度、抑制转矩/转速脉动等方面具有显著效果，并且有效减小了电机损耗，使电机运行在MTPA点，提高了电机运行效率。
此外，本实施例还提供一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的计算机程序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，包括：
1）获取模块化多绕组永磁电机第k个周期的实测电流i dq (k)和实测电压u dq (k)；
2）将实测电压u dq (k)通过延时环节得到进行一个周期以及半个周期的延时处理，得到延时处理后的电压方程；
3）通过低通滤波器提取出延时处理后电压方程中的直流量、正弦量以及余弦量，并建立包含电机参数的方程组，求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值；
4）基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M ；
5）在输入电流预测控制环的转矩角β M 中注入高频正弦信号Δβ，并通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)，根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
2.根据权利要求1所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤2）中得到延时处理后的电压方程的函数表达式为：
Figure 923657DEST_PATH_IMAGE001
上式中，ud 1(k), uq 1(k)为实测电压u dq (k)延时一个周期后的dq轴分量，ud 2(k), uq 2(k)为实测电压u dq (k)延时半个周期后的dq轴分量，R为模块化多绕组永磁电机的电阻，id s(k), iq s(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴直流分量，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间，Ld和Lq为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机的电转速。
3.根据权利要求2所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤3）中建立包含电机参数的方程组的函数表达式为：
Figure 840797DEST_PATH_IMAGE002
上式中，LPF表示低通滤波器，x 1～x 6分别为处理后得到的新的六个方程，ψ f 为模块化多绕组永磁电机的转子磁链。
4.根据权利要求3所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤3）中求解方程组得到模块化多绕组永磁电机的参数辨识值的函数表达式为：
Figure 433584DEST_PATH_IMAGE003
上式中，
Figure 828793DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 643165DEST_PATH_IMAGE005
为模块化多绕组永磁电机的dq轴电感分量的辨识值，
Figure 465628DEST_PATH_IMAGE006
为模块化多绕组永磁电机的转子磁链的辨识值，
Figure 732661DEST_PATH_IMAGE007
为模块化多绕组永磁电机的电阻辨识值。
5.根据权利要求4所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤4）中基于参数辨识值计算运行于MTPA点的转矩角β M 的函数表达式为：
Figure 993878DEST_PATH_IMAGE008
上式中，I s (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的总电流值，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量。
6.根据权利要求5所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤5）中注入高频正弦信号Δβ的函数表达式为：
Figure 662757DEST_PATH_IMAGE009
上式中，A为注入高频正弦信号Δβ的幅值，ω为注入高频正弦信号Δβ的频率，t为时间。
7.根据权利要求5所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤5）中通过电流预测控制环生成下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的函数表达式为：
Figure 656120DEST_PATH_IMAGE010
上式中，u d ref (k+1), u q ref (k+1)分别为下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)的dq轴分量，T 1 为预测控制周期，id ref (k+1), iq ref (k+1)分别为下一个周期的参考电流的dq轴分量，id(k), iq(k)分别为实测电流i dq (k)的dq轴分量，ω e (k)为模块化多绕组永磁电机第k个周期的电转速。
8.根据权利要求1所述的模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法，其特征在于，步骤5）中根据下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)生成控制信号以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模的步骤包括：将下一个周期的指令电压u dq ref (k+1)经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1)，将两相静止坐标系下的指令电压u αβ ref (k+1) 经SVPWM模块调制后生成PWM脉冲信号，并将PWM脉冲信号输出至模块化多绕组永磁电机的功率单元以同步驱动模块化多绕组永磁电机的多个电机模块。
9.一种模块化多绕组永磁电机的电流预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述模块化多绕组永磁电机的电流预测控制方法的计算机程序。
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