CN113472260A - 基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法，包括：基于六相定子电流的角度关系得到六相定子电流的相应给定值；将六相定子电流增量与反馈六相定子电流相加得到下一时刻六相定子电流值的预测方程；将不同的空间电压矢量带入六相定子电流增量方程和六相定子电流预测方程得到八组相应的下一时刻六相定子电流预测值，并通过六相定子电流预测值与其给定值构成的价值函数来选取使价值函数最小的空间电压矢量，根据该空间电压矢量控制六相独立H桥逆变电路，从而对电机进行实时电流预测控制。该控制方法能够有效提高电机的动态性能，抑制电机在故障态下的转矩脉动，从而提高电机的运行稳定性。

Description

基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及永磁容错电机控制领域，尤其涉及一种基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法。
背景技术
目前永磁容错电机本体的研究逐步完善，永磁容错电机的控制方法也越来越丰富，但大多数容错控制算法主要应用于双绕组和三相永磁容错电机中，而对于采用独立H桥逆变电路驱动的六相对称永磁容错电机，其空间电压矢量有729种之多，对于该类电机控制算法的研究往往采用直接转矩控制和电流滞环跟踪控制的方式。当电机发生故障时，虽然能够达到容错控制效果，但对于电机正常态运行以及故障态时的稳态性能略差；模型预测控制在六相永磁容错电机中的应用还比较少，且大多数都是在旋转坐标系或静止坐标系下对电机进行控制，容错控制性能方面还存在发生故障后转矩脉动较大的问题，故对于模型预测控制算法在六相永磁容错电机中的应用目前还有较大的研究空间。采用提出的基于六相静止坐标系的电机模型预测电流控制算法，控制方法简单，能够提高电机运行的动态性能，抑制电机故障态运行的转矩脉动。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法，具体包括如下步骤：
采集永磁容错电机的转子位置信息、六相定子电流的实际值和电机实际转速n，将给定转速nref与实际转速n的差值经过PI调节器后得到电机六相定子电流的幅值，基于六相定子电流的角度关系得到六相定子电流的相应给定值；
基于六相永磁容错电机的强隔离特性，忽略电机各相绕组之间的互感，在六相静止坐标系下建立电机定子绕组的六相电压方程以及六相定子电流增量方程，将六相定子电流增量方程与反馈六相定子电流相加得到下一时刻六相定子电流值的预测方程；
根据六相永磁容错电机运行状态的不同选择不同的空间电压矢量表，当电机处于正常运行状态时，在控制算法中选用幅值为4的空间电压矢量作为备选电压矢量组合，当电机处于故障态运行时，选择去除开路相的幅值为3的空间电压矢量作为备选电压矢量组合，达到降低电机故障态下的转矩脉动的目的，并且防止其他相电流幅值过高；
将不同的空间电压矢量带入六相定子电流增量方程和六相定子电流预测方程得到八组的下一时刻六相定子电流预测值，并通过六相定子电流预测值与其给定值构成的价值函数来选取使价值函数最小的空间电压矢量；
根据该空间电压矢量控制六相独立H桥逆变电路从而对电机进行实时电流预测控制。
进一步的，在对电机进行实时电流预测时分别对六相定子电流进行预测控制，并根据价值函数最小原则选取最优空间电压矢量，从而得到六相H桥逆变电路对应的开关状态，其中采用的价值函数为：
g＝(iAnext-iAref)2+(iBnext-iBref)2+(iCnext-iCref)2+(iUnext-iUref)2+(iVnext-iVref)2+(iWnext-iWref)2
在发生一相开路故障情况下，控制算法在线实时调整备选空间电压矢量表，选择相应的幅值为3的空间电压矢量表作为备选电压矢量。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法，该方法在六相静止坐标系下，直接对六相定子电流进行离散化并进行预测控制，省去了繁杂的坐标变换与反变换的控制步骤，而且在数量众多的空间电压矢量中，优化了电机正常运行与故障态的备选电压矢量组合，通过模型预测电流控制，既提高了电机正常运行的稳态与动态性能，又大大降低了电机在故障态下的转矩脉动，而且能够较好的降低六相定子电流的幅值大小。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中六相永磁容错电机H桥逆变电路拓扑图
图2为本发明中六相永磁容错电机六相静止坐标系
图3为本发明中六相永磁容错电机的61种不同幅值、不同方向的空间电压
矢量图
图4为本发明中基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法的系统结构框图
图5为本发明中六相永磁容错电机正常运行时转速波形
图6为本发明中六相永磁容错电机正常运行时转矩波形
图7为本发明中六相永磁容错电机发生A相开路故障时转矩波形图
图8为本发明中六相永磁容错电机发生A相开路故障时定子电流波形图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示为六相永磁容错电机H桥逆变电路拓扑图，该结构采用六相单独控制且无中性点连接，能够有效实现电气隔离，避免发生故障时电气耦合对电机容错性能的影响；如图2为六相永磁容错电机的六相静止坐标系；通过对六个H桥逆变电路的不同开关状态进行分析，最终通过合成得到了61种不同幅值、不同方向的空间电压矢量，空间电压矢量如图3所示；如图4所示为本发明公开的基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法的系统结构框图，该控制方法实现包括如下步骤：
S1：获取反馈信息：包括通过传感器得到的永磁容错电机的转子位置θ，六相定子电流的实际值(iA、iB、iC、iU、iV、iW)，以及通过处理得到的电机转速n。通过将给定转速nref与实际转速n的差值经过PI调节器后得到电机六相定子电流的幅值给定imref，并由六相定子电流的角度关系通过计算分别得到六相定子电流的相应给定值(iAref、iBref、iCref、iUref、iVref、iWref)。
S2：在六相静止坐标系下，由于六相永磁容错电机本身的强隔离特性，电机绕组的各相电压方程如下：
Figure BDA0003198387980000031
其中，Rs为电机定子每相电阻，L为定子每相电感，ψf为电机永磁体磁链，ωe为电机的电角速度，对上式进行离散化处理，以A相为例，得到下式：
Figure BDA0003198387980000041
iAnext＝diA+iA (3)
式中，diA为A相定子电流增量，iAnext为下一时刻的A相定子电流预测值，通过类似的式子可以得到相应的diB、diC、diU、diV、diW和相应的电流预测值。
基于六相容错电机的强隔离特性，忽略电机各相定子绕组之间的互感，在六相静止坐标系下建立电机绕组的六相电压方程以及六相电流增量方程(公式2)，将六相电流增量方程与反馈六相电流相加得到下一时刻六相电流值的预测方程(公式3)。
S3：对于六相定子电流增量方程(公式2)中的uA、uB、uC、uU、uV、uW的取值与备选空间电压矢量有关，有关H桥的桥臂开关状态如表1所示，当电机正常运行未发生故障时，采用表2所示的空间电压矢量作为备选电压矢量，而当电机发生一相开路故障时采用表3所示的空间电压矢量作为备选电压矢量。
表1H桥逆变电路桥臂开关状态表
Figure BDA0003198387980000042
表2正常态备选电压矢量表
Figure BDA0003198387980000043
Figure BDA0003198387980000051
表3故障态备选电压矢量表
Figure BDA0003198387980000052
表中u01、u02和u03均为零矢量u0的不同组合方式。
通过将不同的空间电压矢量带入式(2)和(3)中能够得到相应的八组下一时刻六相定子电流的预测值，并通过下式的价值函数来选取使价值函数最小的空间电压矢量：
g＝(iAnext-iAref)2+(iBnext-iBref)2+(iCnext-iCref)2+(iUnext-iUref)2+(iVnext-iVref)2+(iWnext-iWref)2 (4)
S4：在选取了空间电压矢量后，根据表1的规则来分别对六相独立H桥逆变电路发送触发脉冲，在不同的控制周期，通过价值函数来对空间电压矢量进行选择，进而达到对电机进行实时电流预测控制的目的。
S5：仿真实验验证：首先对电机正常运行状态下进行仿真验证，电机给定转速为额定转速600r/min，负载转矩为额定转矩23N·m，图5为六相永磁容错电机正常运行时转速波形，图6为六相永磁容错电机正常运行时转矩波形；然后在相同仿真条件下对电机发生故障情况下进行仿真验证，电机给定转速和转矩保持额定值不变，电机在0.1s时A相发生开路故障，为对比容错控制前后转矩脉动情况，在0.15s时加入容错控制策略。图7为六相永磁容错电机发生A相开路故障时转矩波形图，图8为六相永磁容错电机发生A相开路故障时定子电流波形图。
仿真结果表明，采用该模型预测电流控制策略，永磁容错电机不仅在正常运行状态下具有良好的静动态性能，还能在开路故障状态下，减小电机故障态的转矩脉动，抑制六相定子电流的幅值的增加，保障电机的正常运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于六相静止坐标系的永磁容错电机模型预测电流控制方法，其特征在于包括：
采集永磁容错电机的转子位置信息、六相定子电流的实际值和电机实际转速n，将给定转速nref与实际转速n的差值经过PI调节器后得到电机六相定子电流的幅值，基于六相定子电流的角度关系得到六相定子电流的相应给定值；
基于六相永磁容错电机的强隔离特性，忽略电机各相绕组之间的互感，在六相静止坐标系下建立电机定子绕组的六相电压方程以及六相定子电流增量方程，将六相定子电流增量方程与反馈六相定子电流相加得到下一时刻六相定子电流值的预测方程；
根据六相永磁容错电机运行状态的不同选择不同的空间电压矢量表，当电机处于正常运行状态时，在控制算法中选用幅值为4的空间电压矢量作为备选电压矢量组合，当电机处于故障态运行时，选择去除开路相的幅值为3的空间电压矢量作为备选电压矢量组合，达到降低电机故障态下的转矩脉动的目的，并且防止其他相电流幅值过高；
将不同的空间电压矢量带入六相定子电流增量方程和六相定子电流预测方程得到八组相应的下一时刻六相定子电流预测值，并通过六相定子电流预测值与其给定值构成的价值函数来选取使价值函数最小的空间电压矢量；
根据该空间电压矢量控制六相独立H桥逆变电路从而对电机进行实时电流预测控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在对电机进行实时电流预测时分别对六相定子电流进行预测控制，并根据价值函数最小原则选取最优空间电压矢量，从而得到六相H桥逆变电路对应的开关状态，其中采用的价值函数为：
g＝(iAnext-iAref)2+(iBnext-iBref)2+(iCnext-iCref)2+(iUnext-iUref)2+(iVnext-iVref)2+(iWnext-iWref)2
在发生一相开路故障情况下，控制算法在线实时调整备选空间电压矢量表，选择相应的幅值为3的空间电压矢量表作为备选电压矢量。
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