CN115378332A - 一种无电解电容永磁同步电机控制方法 - Google Patents

一种无电解电容永磁同步电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，首先采集电网电压、母线电压、电机电流以及电机转子位置信息；将电机三相电流通过坐标变换获得电机d轴和q轴实际电流；建立逆变器输入电流控制回路，获得q轴给定电流，并且利用转速控制器输出和q轴给定电流计算出d轴给定电流；将d轴和q轴给定和实际电流的误差输入PI控制器，其输出与前馈解耦电压相加后获得给定输出电压，然后采用基于母线电压的功率补偿控制策略，得到输出电压修正信号，对给定输出电压进行修正；最后根据矢量控制方法输出逆变器驱动信号。本发明方法在满足IEC‑61000‑3‑2谐波标准的同时，可以有效提高输入功率因数并减少网侧进线电流谐波含量。

Description

一种无电解电容永磁同步电机控制方法
技术领域
本发明涉及一种无电解电容永磁同步电机控制方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
永磁同步电机具有效率高、功率密度高、拓扑结构灵活、运行性能优越等优点，且其变频调速因能耗少，效率高被广泛应用于家电领域中。传统的永磁同步电机驱动系统中，使用了大容值的电解电容，同时为了减少电流谐波和提高功率因数，增加了功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路。但是大容值的电解电容不仅体积大，而且极易受到外界环境的影响，进而影响整个驱动系统的稳定性，且PFC电路增加了永磁同步电机驱动系统的体积和成本。为了解决这个问题，可以采用小容值薄膜电容代替大容值的电解电容，不仅提高了驱动系统的稳定性，而且波动的母线电压可以使得二极管的导通角增大，从而提高系统输入功率因数。
由于小容值的薄膜电容，无法稳定母线电压，母线电压将以电网电压的二倍频率波动，增加了驱动系统的控制难度。同时PFC电路的移除，造成了网侧电感和薄膜电容发生谐振，增加了电网进线电流谐波含量，且降低了系统的功率因数。需要寻找合适的控制策略来增加网侧功率因数且减少电网电流的谐波含量，满足IEC-61000-3-2谐波标准。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种无电解电容永磁同步电机控制方法，增加网侧功率因数且减少电网电流的谐波含量，满足IEC-61000-3-2谐波标准。
技术方案：一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，包括：
步骤1：采集电网电压ugrid、母线电压udc和电机的相电流以及电机的转速ωrm和位置信息；
步骤2：将电机的相电流进行Clark、Park变换获得电机d轴和q轴的实际电流id、iq；
步骤3：对电机给定转速
Figure BDA0003870731910000011
和实际转速ωrm之间的差值进行PI调节生成电网电流的参考幅值iin_max；
步骤4：对电网电压ugrid进行锁相，获取电网电压相角信息(ωgt+ψg)，结合电网电流的参考幅值iin_max确定二倍频的电网电流参考值
Figure BDA0003870731910000012
步骤5：根据二倍频的电网电流参考值
Figure BDA0003870731910000021
和薄膜电容的电流值idc计算逆变器输入电流的参考值
Figure BDA0003870731910000022
步骤6：通过逆变器输出功率的实际值Pinv、母线电压udc和电网电压相角信息(ωgt+ψg)，计算逆变器输入电流计算值iinv；
步骤7：将逆变器输入电流的参考值
Figure BDA0003870731910000023
和逆变器输入电流计算值iinv相减，并且将其差值经过PR控制器调节生成q轴电流的参考值
Figure BDA0003870731910000024
通过电网电流的参考幅值iin_max和q轴电流的参考值
Figure BDA0003870731910000025
生成d轴参考电流
Figure BDA0003870731910000026
步骤8：将d、q轴电流参考值与实际值的差值通过电流调节器，分别生成d、q轴电压参考量
Figure BDA0003870731910000027
步骤9：将理想的母线电压
Figure BDA0003870731910000028
和母线电压udc的差值，通过PIR控制器生成逆变器输出转矩误差Δτinv，将逆变器输出转矩误差Δτinv与电机的转速ωrm相乘获取功率误差ΔP，将功率误差ΔP与定子电流矢量is做商，得到电机dq轴电压补偿量Δudq，沿着idq电流方向解耦得到d、q轴补偿电压Δud、Δuq；
步骤10：将d、q轴电压参考量
Figure BDA0003870731910000029
电机交叉解耦电压udcomp、uqcomp和d、q轴补偿电压Δud、Δuq相加后，经过反Park变换得到静止坐标系α、β轴电压
Figure BDA00038707319100000210
结合母线电压udc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。
本发明有益效果：与现有的逆变器输入电流控制策略相比，本发明省去了逆变器电流采样和低通滤波器的设计，同时，利用转速控制器的输出和q轴参考电流自动生成d轴参考电流。本发明能够降低网侧电流谐波，满足IEC-61000-3-2谐波标准，同时输入功率因数可达0.995以上。
附图说明
图1为现有无电解电容永磁同步电机驱动系统的拓扑；
图2为无电解电容永磁同步电机驱动系统的整体控制框图；
图3为提供的在10s内驱动系统的输入功率因数图；
图4为电网侧进线电流谐波的傅里叶分析图和IEC-61000-3-2谐波标准的对比图形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，单相输入无电解电容驱动系统包括：220V/50HZ的单相交流电压源ugrid、网侧阻抗Lg和Rg、单相不控整流桥、薄膜电容、逆变器和PMSM；ugrid为驱动系统的主电源，经过整流桥，单相交流电变为直流电，在直流电的正负极之间并联一个薄膜电容，可以吸收逆变器开关管高频率开通关闭带来的谐波，然后给电压型逆变器供电。单相电压型逆变器接受脉冲信号，进而控制电机。
如图2所示，本控制方法基于的系统包括：锁相环模块1，不控整流桥2，d轴电流生成模块3，Park逆变换模块4，空间矢量脉宽调制模块5，逆变器模块6，逆变器输入电流环7，功率补偿模块8，Park模块9，Clark模块10，转速位置检测模块11，PMSM12。本发明控制方法包括如下步骤：
步骤1：获取电网电压ugrid、母线电压udc和电机的相电流以及电机的转速ωrm和位置信息。
步骤2：将电机的相电流进行Clark、Park变换获得电机d轴和q轴的实际电流id、iq。
步骤3：对电机给定转速
Figure BDA0003870731910000031
和实际转速ωrm之间的差值进行PI调节生成电网电流的参考幅值iin_max。
步骤4：对电网电压ugrid进行锁相，得到电网电压相角信息(ωgt+ψg)，结合电网电流的参考幅值iin_max计算二倍频的电网电流参考值
Figure BDA0003870731910000032
Figure BDA0003870731910000033
式中，iin_max是转速环生成的电网电流的参考幅值，ωg为电网电压角频率，ψg为电网电压初相角，t为时间。
步骤5：根据式(2)计算得到薄膜电容的电流值idc，再将其与二倍频的电网电流参考值
Figure BDA0003870731910000034
作差计算逆变器电流的参考值
Figure BDA0003870731910000035
idc＝cdcugrid_maxωgcos(ωgt+ψg)sgn(sin(ωgt+ψg)) (2)
Figure BDA0003870731910000036
式中，cdc为薄膜电容的容值，ugrid_max为电网电压峰值。
步骤6：忽略逆变器功率损耗，通过式(4)计算逆变器输出功率的实际值Pinv，再结合母线电压实际值udc和电网电压相角信息(ωgt+ψg)，如式(5)所示，得到逆变器电流计算值iinv；
Pinv＝1.5(udid+uqiq) (4)
Figure BDA0003870731910000041
式中，ud、uq分别为d、q轴电压。
步骤7：将逆变器电流的参考值
Figure BDA0003870731910000042
和逆变器电流计算值iinv的差值，经过如式(6)所示的PR控制器生成q轴电流的参考值
Figure BDA0003870731910000043
通过电网电流的参考幅值iin_max和q轴电流的参考值
Figure BDA0003870731910000044
生成d轴参考电流
Figure BDA0003870731910000045
如式(7)所示；
Figure BDA0003870731910000046
Figure BDA0003870731910000047
式中，Kp是比例系数，KR是谐振系数，ω0是谐振频率，ωc是截止频率；
Figure BDA0003870731910000048
为q轴电流的参考值；iin_max为电网电流的参考幅值。
步骤8：将d、q轴电流参考值与实际值的差值通过电流调节器，分别生成d、q轴电压参考量
Figure BDA0003870731910000049
步骤9：将理想的母线电压
Figure BDA00038707319100000410
和实际的母线电压udc的差值，通过PIR控制器生成逆变器输出转矩误差Δτinv；将逆变器输出转矩误差Δτinv与电机的转速ωrm相乘得到功率误差ΔP，如式(8)所示；将功率误差ΔP与定子电流矢量is做商，得到电机dq轴电压补偿量Δudq，如式(9)所示；沿着idq电流方向解耦得到d、q轴补偿电压Δud、Δuq，如式(10)、式(11)所示；
Figure BDA00038707319100000411
Figure BDA00038707319100000412
Figure BDA00038707319100000413
Figure BDA00038707319100000414
式中，Kp是比例系数，KI是积分系数，KR是谐振系数，ω0是谐振频率，ωc是截止频率，
Figure BDA0003870731910000051
为理想的母线电压，udc为实际的母线电压，ωrm为电机实际转速，id、iq分别为d、q轴电流。
步骤10：将d、q轴电压参考量
Figure BDA0003870731910000052
分别如式(11)、(12)所示的电机交叉解耦电压udcomp、uqcomp以及d、q轴补偿电压Δud、Δuq相加后，经过反Park变换得到静止坐标系α、β轴电压
Figure BDA0003870731910000053
结合母线电压udc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。
udcomp＝-Lqiqωe (12)
Figure BDA0003870731910000054
式中，Ld、Lq分别表示电机的d、q轴电感，
Figure BDA0003870731910000055
表示永磁体磁链，ωe表示电机电角速度。
图3为本发明提供的在10s内驱动系统的输入功率因数图；可以看出电网输入功率因数在0.995以上。
图4为本发明提供电网侧进线电流的傅里叶分析图和IEC-61000-3-2谐波标准的对比图形。可以看出电网电流谐波较低，且低于IEC-61000-3-2谐波标准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：采集电网电压ugrid、母线电压udc和电机的相电流以及电机的转速ωrm和位置信息；
步骤2：将电机的相电流进行Clark、Park变换获得电机d轴和q轴的实际电流id、iq；
步骤3：对电机给定转速
Figure FDA0003870731900000011
和实际转速ωrm之间的差值进行PI调节生成电网电流的参考幅值iin_max；
步骤4：对电网电压ugrid进行锁相，获取电网电压相角信息(ωgt+ψg)，结合电网电流的参考幅值iin_max确定二倍频的电网电流参考值
Figure FDA0003870731900000012
步骤5：根据二倍频的电网电流参考值
Figure FDA0003870731900000013
和薄膜电容的电流值idc计算逆变器输入电流的参考值
Figure FDA0003870731900000014
步骤6：通过逆变器输出功率的实际值Pinv、母线电压udc和电网电压相角信息(ωgt+ψg)，计算逆变器输入电流计算值iinv；
步骤7：将逆变器输入电流的参考值
Figure FDA0003870731900000015
和逆变器输入电流计算值iinv相减，并且将其差值经过PR控制器调节生成q轴电流的参考值
Figure FDA0003870731900000016
通过电网电流的参考幅值iin_max和q轴电流的参考值
Figure FDA0003870731900000017
生成d轴参考电流
Figure FDA0003870731900000018
步骤8：将d、q轴电流参考值与实际值的差值通过电流调节器，分别生成d、q轴电压参考量
Figure FDA0003870731900000019
步骤9：将理想的母线电压
Figure FDA00038707319000000110
和母线电压udc的差值，通过PIR控制器生成逆变器输出转矩误差Δτinv，将逆变器输出转矩误差Δτinv与电机的转速ωrm相乘获取功率误差ΔP，将功率误差ΔP与定子电流矢量is做商，得到电机dq轴电压补偿量Δudq，沿着idq电流方向解耦得到d、q轴补偿电压Δud、Δuq；
步骤10：将d、q轴电压参考量
Figure FDA00038707319000000111
电机交叉解耦电压udcomp、uqcomp和d、q轴补偿电压Δud、Δuq相加后，经过反Park变换得到静止坐标系α、β轴电压
Figure FDA00038707319000000112
结合母线电压udc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，根据式(1)计算二倍频的电网电流参考值
Figure FDA00038707319000000113
Figure FDA00038707319000000114
式中，ωg为电网电压角频率，ψg为电网电压初相角，t为时间。
3.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤5中，薄膜电容的电流值idc由式(2)计算：
idc＝cdcugrid_maxωgcos(ωgt+ψg)sgn(sin(ωgt+ψg)) (2)
Figure FDA0003870731900000021
式中，cdc为薄膜电容的容值，ugrid_max为电网电压峰值，ωg为电网电压角频率，ψg为电网电压初相角，t为时间。
4.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤6中，忽略逆变器功率损耗，通过式(4)计算逆变器输出功率的实际值Pinv，再结合母线电压和电网电压相角信息计算逆变器输入电流计算值iinv，如式(5)所示；
Pinv＝1.5(udid+uqiq) (4)
Figure FDA0003870731900000022
式中，ud、uq分别为d、q轴电压，ωg为电网电压角频率，ψg为电网电压初相角，t为时间。
5.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤7中，通过电网电流的参考幅值iin_max和q轴电流的参考值
Figure FDA0003870731900000023
生成d轴参考电流
Figure FDA0003870731900000024
如式(6)所示：
Figure FDA0003870731900000025
式中，
Figure FDA0003870731900000026
为q轴电流的参考值；iin_max为电网电流的参考幅值。
6.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤9中，将逆变器输出转矩误差Δτinv与电机的转速ωrm相乘获取功率误差ΔP，如式(7)所示；将功率误差ΔP与定子电流矢量is做商，得到电机dq轴电压补偿量Δudq，如式(8)所示；沿着idq电流方向解耦获取d、q轴补偿电压Δud、Δuq，如式(9)、式(10)所示；
Figure FDA0003870731900000031
Figure FDA0003870731900000032
Figure FDA0003870731900000033
Figure FDA0003870731900000034
式中，Kp是比例系数，KI是积分系数，KR是谐振系数，ω0是谐振频率，ωc是截止频率。
7.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤10中，电机交叉解耦电压udcomp、uqcomp分别如式(11)、(12)所示；
udcomp＝-Lqiqωe (11)
Figure FDA0003870731900000035
式中，Ld、Lq分别表示电机的d、q轴电感，
Figure FDA0003870731900000036
表示永磁体磁链，ωe表示电机电角速度。
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