CN114421827A - 一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法属于高性能调速领域。由电压源逆变器供电的永磁同步电机会产生较大的电磁噪声与振动，减小振动的方法是在逆变器和电机之间连接一个LC滤波器。LC滤波器可以滤除逆变器输出电压中的高频谐波，并向电机提供正弦电压。同时，LC滤波器的引入会产生谐振，恶化电机的电流波形，甚至造成系统不稳定。本文提出了一种多状态反馈的有源阻尼方法来抑制电机的谐振，比已有的阻尼方法有更好的快速性与鲁棒性。在多状态变量反馈的有源阻尼方法的实现中使用状态观测器来替代实际的传感器，降低了系统的成本，也提高了系统的可靠性。

Description

一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法，属于电机控制领域。
背景技术
永磁同步电机因具有高效率、高性能等特点，已被广泛应用于电动汽车、数控机床等高性能调速领域。由电压源逆变器供电的永磁同步电机会产生较大的电磁噪声与振动。一种常见的减小振动的方法是在逆变器和电机之间连接一个LC滤波器。LC滤波器可以滤除逆变器输出电压中的高频谐波，并向电机提供正弦电压。同时，LC滤波器的引入会产生谐振，恶化电机的电流波形，甚至造成系统不稳定。
针对永磁同步电机系统中的谐振问题，国内外进行了许多探讨，其中无源阻尼方法以其形式简单、性能可靠和不会增加系统控制难度的优点，在带滤波器的永磁同步电机的控制中取得了诸多成果。“LCL、LLCL和LLCCL滤波器无源阻尼分析”(见《中国电机工程学报》，2015)中分析了滤波器中加入无源阻尼可以有效抑制系统的谐振，但是无源阻尼的加入会增加额外的功率损耗。
也有学者提出虚拟电阻的概念，“基于多谐振控制器和电容电流反馈有源阻尼的PWM变换器电流环参数解耦设计”(见中国电机工程学报,2013)通过对控制系统频域框图变换可以将串并联元器件转移到控制回路中，得到利用电容电流反馈的虚拟阻尼策略。对于基于电容电流反馈的策略来说，由于反馈信息过少，阻尼参数与控制参数之间存在相互影响与相互制约的关系。
发明内容
本发明针对传统PI双闭环控制下，带LC滤波器的永磁同步电机的谐振抑制。提出了一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法。
为实现上述方法，本发明采用如图1所示的控制系统来实现，该系统包括逆变器、LC滤波器、永磁同步电机、信号采样模块、有源阻尼模块、状态变量重构模块、SVPWM模块七个部分。
逆变器的电流信号iinv，逆变器的母线电压信号Udc与电机的转子位置信号θ给到信号采样模块，信号采样模块输出的逆变器的电流信号iinv和逆变器的母线电压信号Udc和永磁同步电机的转子位置信号θ计算得到的反电动势esn给到状态变量重构模块。状态变量重构模块输出重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000021
重构的LC滤波器的电容电压
Figure BDA0003453649550000022
信号采样模块输出的逆变器电流信号iinv，重构的LC滤波器的电容电压
Figure BDA0003453649550000023
与重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000024
分别乘以比例系数k1,k2,k3。作为阻尼项Usαdamping，Usβdamping加到逆变器的给定电压Usα，Usβ。得到新的逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000025
逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000026
作为SVPWM的输入，并输出六路PWM，其中PWM作为逆变器的输入，用于控制逆变器中6个开关管的通断。
控制算法一共包括外环PI模块、加入多状态变量反馈有源阻尼的内环PI控制模块、状态变量重构模块和SVPWM模块四个部分；其中，永磁同步电机的转子位置信号θ通过转速计算得到的转速n，然后与给定nref的差值作为外环PI控制模块的输入，并通过PI调节器，输出电流环的给定iqref；idref给定为0。idref，iqref给到内环PI控制模块，经过PI调节输出逆变器的给定电压Usα，Usβ。信号采样模块输出的逆变器的电流信号iinv，重构的LC滤波器电容电压
Figure BDA0003453649550000027
与重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000028
分别乘以比例系数k1,k2,k3。作为阻尼项Usαdamping，Usβdamping加到逆变器的给定电压Usα，Usβ。得到新的逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000029
Figure BDA00034536495500000210
Figure BDA00034536495500000211
产生调制波信号；调制波信号给到SVPWM模块，经过SVPWM模块输出六路PWM，其中六路PWM作为逆变器的输入，用于控制逆变器中6个开关管的通断。逆变器输出电压Uinva(UAO)，Uinvb(UBO)，Uinvc(UCO)作为输入给到LC滤波器，LC滤波器输出Usa(UaO),Usb(UbO),Usc(UcO)作为永磁同步电机的相电压。
本发明与现有阻尼方法相比，其优点在于：与之前单个变量反馈作为阻尼项不同，该控制方法结合了多个状态变量作为阻尼项。这样可以提高系统的鲁棒性以及更好的改善系统的动态性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
附图说明
图1为本发明所述永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法系统结构图。
图2为加入阻尼之前系统电流环传递函数框图。其中，GPI(z)表示PI调节器，GPWM(z)表示PWM模块的增益。
图3为加入多状态变量反馈有源阻尼控制方法的系统电流环传递函数框图。
其中，GPI(z)表示PI调节器，GPWM(z)表示PWM模块的增益。
具体实施方式
本发明提供一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法，结合附图1对该方法作进一步详细叙述。
为实现所述控制方法，本发明采用如图1所示的系统来实现，该系统包括电压源逆变器、LC滤波器、永磁同步电机、信号采样模块、有源阻尼模块、状态变量重构模块、SVPWM模块七个部分。
逆变器的电流信号iinv，逆变器的母线电压信号Udc与电机的转子位置信号θ给到信号采样模块，信号采样模块输出的逆变器的电流信号iinv和逆变器的母线电压信号Udc和永磁同步电机的转子位置信号θ计算得到的反电动势esn给到状态变量重构模块。状态变量重构模块输出重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000031
重构的LC滤波器的电容电压
Figure BDA0003453649550000032
信号采样模块输出的逆变器电流信号iinv，重构的LC滤波器的电容电压
Figure BDA0003453649550000033
与重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000034
分别乘以比例系数k1,k2,k3。作为阻尼项Usαdamping，Usβdamping加到逆变器的给定电压Usα，Usβ。得到新的逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000035
逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000036
作为SVPWM的输入，并输出六路PWM，其中PWM作为逆变器的输入，用于控制逆变器中6个开关管的通断。
控制算法一共包括外环PI模块、加入多状态变量反馈有源阻尼的内环PI控制模块、状态变量重构模块和SVPWM模块四个部分；其中，永磁同步电机的转子位置信号θ通过转速计算得到的转速n，然后与给定nref的差值作为外环PI控制模块的输入，并通过PI调节器，输出电流环的给定iqref；idref给定为0。idref，iqref给到内环PI控制模块，经过PI调节输出逆变器的给定电压Usα，Usβ。信号采样模块输出的逆变器的电流信号iinv，重构的LC滤波器电容电压
Figure BDA0003453649550000037
与重构的永磁同步电机相电流
Figure BDA0003453649550000038
分别乘以比例系数k1,k2,k3。作为阻尼项Usαdamping，Usβdamping加到逆变器的给定电压Usα，Usβ。得到新的逆变器给定电压
Figure BDA0003453649550000039
Figure BDA00034536495500000310
Figure BDA00034536495500000311
产生调制波信号；调制波信号给到SVPWM模块，经过SVPWM模块输出六路PWM，其中六路PWM作为逆变器的输入，用于控制逆变器中6个开关管的通断。逆变器输出电压Uinva(UAO)，Uinvb(UBO)，Uinvc(UCO)作为输入给到LC滤波器，LC滤波器输出Usa(UaO),Usb(UbO),Usc(UcO)作为永磁同步电机的相电压。
本发明与现有阻尼方法相比，其优点在于：与之前单个变量反馈作为阻尼项不同，该控制方法结合了多个状态变量作为阻尼项。这样可以提高系统的鲁棒性以及更好的改善系统的动态性能。
下面结合附图2,3和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
比例系数k1,k2,k3与电流环PI控制器的kp,ki。由极点配置方法得出，加入多状态变量反馈之前系统控制框图如2，由图2得式(1)。
Figure BDA0003453649550000041
式(1)中，xn＝[iinvn usn isn]T，un＝[uinvn esn]T，yn＝[isn],C＝[0 0 1]。
Figure BDA0003453649550000042
以α相为例，从逆变器输出电压Uinvα到电机相电流isα的传递函数为Ginv(z),则可以从式(1)得到Ginv(z)
Figure BDA0003453649550000043
其中I为单位矩阵。
电流环的开环传递函数可以由图2得到
Go(z)＝GPI(z)GPWM(z)Ginv(z) (3)
其中，GPI(z)表示PI调节器，GPWM(z)表示PWM模块的增益。两者的表达式分别如下：
Figure BDA0003453649550000044
GPWM(z)＝Kpwm (5)
其中kp和ki分别为PI调节器比例与积分参数。
系统的电流环闭环传递函数为
Figure BDA0003453649550000045
加入多状态变量反馈后系统控制框图如图3所示，系统的状态空间表达式为
Figure BDA0003453649550000051
其中，反馈矩阵为K＝[k1,k2,k3]。
引入阻尼方法后，将逆变器输出Uinv作为输入，电机相电流is作为输出的传递函数为：
Figure BDA0003453649550000052
结合电流环PI调节器以及逆变器PWM模块，可以得到开环的传递函数为：
Figure BDA0003453649550000053
系统的电流环闭环传递函数可以表示为：
Figure BDA0003453649550000054
电流环的闭环系统离散传递函数见式(11)。其中，a0～a4是与电机和滤波器参数以及PI控制器的参数有关的量，而b0～b2则只和PI控制器参数有关；
Figure BDA0003453649550000055
其中，
Figure BDA0003453649550000056
由(11)可以看出，这是一个4阶系统，有4个极点和1个零点。零点的位置由PI调节器参数确定。4个极点的分布与状态反馈矩阵以及PI调节器参数有关。系统的可控参数有5个，包括PI调节器中的2个参数以及状态反馈矩阵中的3个参数。系统的零极点数也有5个，包括一个零点和4个极点。因此，该闭环系统中的4个极点和1个零点完全可以通过改变状态反馈矩阵以及PI调节器的参数来自由配置。可以使用多状态变量反馈来抑制系统的谐振和改善系统的性能。
根据极点配置理论，主导极点的阻尼设置在0.707时系统的动态效果最好。同时非主导极点对系统的作用应该尽可能小，在s平面上尽可能远离虚轴。因此，可以将系统的零极点进行如下的配置：
Figure BDA0003453649550000057
其中，ξ为阻尼比，ωn为固定角频率。取ξ为0.707，ωn为5000rad/s，m＝10。
假设状态反馈部分的离散传递函数为
Figure BDA0003453649550000061
式(11)与(12)比较，得到最终的系数为：Ks＝0.1
Figure BDA0003453649550000062

Claims (3)

1.一种永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法，其特征在于：所述方法的控制系统包含：逆变器(1)、LC滤波器(2)、永磁同步电机(3)、信号采样模块(4)、有源阻尼模块(5)、状态变量重构模块(6)、SVPWM模块(7)；
逆变器(1)的母线电压信号Udc、逆变器(1)输出电流信号iinv与永磁同步电机(3)转子位置θ给到信号采样模块(4)，并通过采样输出逆变器(1)母线电压信号Udc、逆变器(1)输出电流信号iinv与永磁同步电机(3)转子位置θ；
信号采样模块(4)输出的母线电压信号Udc、逆变器(1)输出电流信号iinv与永磁同步电机(3)转子位置θ作为状态变量重构模块(6)的输入，并通过计算输出重构的永磁同步电机(3)相电流
Figure FDA0003453649540000011
LC滤波器(2)的电容电压
Figure FDA0003453649540000012
信号采样模块(4)输出的逆变器(1)输出电流信号iinv，状态变量重构模块(6)输出的电容电压
Figure FDA0003453649540000013
永磁同步电机(3)相电流
Figure FDA0003453649540000014
作为状态变量，分别乘以比例系数k1,k2,k3。作为阻尼项Usdamping，Usβdamping加到逆变器(1)的给定电压Usα，Usβ。得到新的逆变器(1)给定电压
Figure FDA0003453649540000015
转速参考值nref、信号采样模块(4)输出的永磁同步电机(3)转子位置θ经过转速计算得到的永磁同步电机(3)转速测量值n的差值作为总控制算法的输入；
总的控制算法模块(7)包含：外环PI控制模块(7-1)、内环加入多状态变量反馈有源阻尼的PI控制模块(7-2)、状态变量重构模块(7-3)、SVPWM模块(7-4)；永磁同步电机(3)转速参考值nref、信号采样模块(4)输出的永磁同步电机(3)转子位置θ经过转速计算得到的永磁同步电机(3)转速测量值，两者的差值作为外环PI控制模块(7-1)的输入，输出电流参考值iqref；idref＝0与输出电流参考值iqref作为内环PI控制模块(7-2)的输入，经过PI调节输出调制波信号；调制波信号给到SVPWM模块(7-4)，并输出6路PWM，其中PWM作为逆变器(1)的输入，用于控制逆变器(1)中6个开关管的通断；所述SVPWM模块(7)的输出信号为6路PWM，6路PWM作为电逆变器(1)的输入，用于控制逆变器(1)中6个开关管的通断。
2.根据权利要求1所述永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法，其特征在于：状态变量重构模块(6)输出的永磁同步电机(3)相电流
Figure FDA0003453649540000016
LC滤波器(3)的电容电压
Figure FDA0003453649540000021
3.根据权利要求1所述永磁同步电机多状态变量反馈有源阻尼控制方法，其特征在于：状态变量重构模块(6)输出的永磁同步电机(3)相电流
Figure FDA0003453649540000022
LC滤波器(4)的电容电压
Figure FDA0003453649540000023
与信号采样模块(4)输出的iinv作为状态变量。
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