CN116961509B - 一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，涉及电机驱动控制领域，本发明为永磁同步电机用电流源逆变器驱动提供了一种新的方案。本发明与传统的由电流源逆变器驱动的永磁同步电机电压电流双闭环控制系统相比，具有更高的电流环带宽，进而有优异的动态性能。本发明所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，将传统的电压闭环去掉，采用单电流闭环控制系统，并使用虚拟阻抗补偿抑制系统谐振，提高电流环的带宽和系统的响应速度。

Description

一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法。

背景技术

永磁同步电机驱动系统凭借其自身高效率、低转矩脉动等优点常用来驱动电动汽车，该驱动系统中的逆变器就是一种可以大规模实现清洁能源的关键技术。逆变器根据直流部分电源的属性可以分为电压源逆变器和电流源逆变器，二者在电路拓扑结构、换流机制、控制方式等方面各有特点且存在着一定的对偶性。一直以来，电压源逆变器一直都是研究的热点，主要原因就是实际常用的电源比如发动机、电网逆变器等都是电压源形式且在储能元件价格和体积上电压源型也更有优势，但是电压源逆变器也有一些固有的缺陷：其直流侧电流波动大，升压特性较差难以满足电机较宽的转速运行范围，逆变器运行时需要加入死区时间以防直流电源短路，使用电容作为直流储能元件时其寿命较短可靠性差。

相比之下，电流源逆变器因其在直流侧串联了一个大电感，有直流侧电流波动小；其特有的boost电路结构允许其升压运行且其驱动的电机转速运行范围更大。同时电流源逆变器在交流测存在滤波电容，电机定子绕组电压相对稳定，在一些场合下电流源逆变器更加实用[1,2]。但电流源逆变器也存在一些缺陷。其交流侧引入的滤波电容会造成LC谐振使得控制系统性能变差；直流侧串联的电感电流不能断开否则会在开关管两端产生大电压尖峰造成器件损坏；直流测的大电感也会影响控制系统的动态特性。传统的永磁同步电机用电流源逆变器的控制方法一般采用电压内环，电流外环的双闭环控制策略，这种控制方法会导致系统的动态特性进一步变差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采集电机的定子电流和位置，获得采样信号，将所述采样信号进行坐标变换，得到电机交、直轴电流的反馈量；

步骤二：将电机交轴电流反馈量与交流参考量，直轴电流反馈量与零参考量相减，得到的差值，将所述差值输入到电流控制器中，得到电压参考值；

步骤三：对所述电压参考值进行电压电流解耦和虚拟阻抗补偿，并经过变换和空间矢量脉宽调制处理后，得到开关信号，基于所述开关信号驱动调节电流源逆变器电流的幅值和相位；

步骤四：重复步骤一到三，使电流的幅值和相位对参考值进行持续跟踪。

优选地，所述电流控制器具体为比例积分调节器的一种，电流控制器的比例增益系数和积分增益系数计算方法为：

由永磁同步电机在dq坐标系下的电压电流方程，以及电流源逆变器输出侧的电压电流方程，计算得到逆变器输出电流与电机绕组电流的关系。

优选地，所述dq坐标系下的电压电流方程，以及电流源逆变器输出侧的电压电流方程为：

式中，i_dw为直轴逆变器输出电流，i_qw为交轴逆变器输出电流，i_s为三相绕组电流，i_c为三相电容电流，u_s为三相相电压，C为逆变器交流侧电容大小，ω为电机的角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，L_d为电机的d轴电感，L_q为电机的q轴电感，r_s为电机绕组电阻，i_ds为电机交轴电流的反馈量，i_qs为电机交轴电流的反馈量。

优选地，所述电压电流解耦方法具体为复矢量积分调节器的一种，用于通过解耦补偿增大对PI参数的调整范围。

优选地，所述解耦补偿的耦合补偿项为：

G_comp＝j(2ωCL_dqs+ωCr_s)

式中，G_comp为耦合补偿项，s为复频率。

优选地，所述虚拟阻抗补偿的方法包括：

给定虚拟阻抗与电机的定子绕组串联，选取虚拟阻抗值，将坐标变换后得到的dq轴电流经过系数反馈回逆变器输出电流。

优选地，基于虚拟阻抗补偿的电流环控制系统中的虚拟阻抗补偿项为：

G(s)＝(Cs+jωC)R₁

式中，G(s)为虚拟阻抗补偿项，R₁为虚拟电阻值。

优选地，电流环开环传递函数为：

式中，N₁(s)为电流环开环传递函数，k_p为比例增益系数，k_i为积分增益系数，T为延迟环节时间常数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明与现有永磁同步电机用电流源逆变器控制方法相比，为改善控制系统整体响应速度，移除了传统的电容电压环，采用基于虚拟阻抗补偿的单电流环闭环控制策略，改进后的电流环带宽更大，应对负载变化时的电机转速和电磁转矩动态性能更好。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的基于虚拟阻抗补偿的电流解耦控制策略示意图；

图2为本发明实施例的复频域下的电流环传递函数等效示意图；

图3为本发明实施例的虚拟阻抗位置示意图；

图4为本发明实施例的复平面下的虚拟阻抗位置示意图；

图5为本发明实施例的基于虚拟阻抗补偿的电流环控制系统示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本发明提出了一种永磁同步电机用永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法。图1展示了基于虚拟阻抗补偿的电流解耦控制策略示意图。其步骤如下：

(1)首先对电机侧的位置和定子三相电流进行采样，得到电流θ、i_A、i_B、i_C。将得到的采样信号进行坐标变换后，得到电机交、直轴电流的反馈量i_ds、i_qs；

(2)将得到的电机交流反馈量i_qs与交流参考量直流反馈量i_ds与零参考量/>相减后得到的差值输入到电流控制器中，得到其电压参考值/>

(3)将电压参考值进行电压电流解耦补偿和虚拟阻抗补偿，并经过变换和空间矢量脉宽调制技术，得到开关信号，从而驱动调节电流源逆变器电流幅值相位。

(4)重复步骤(1)至步骤(3)，使得电流的幅值和相位可以对参考值进行良好的跟踪

其中，所述电流调节器是积分比例调节器的一种，其具体的比例增益系数和积分增益系数计算方法为：

由永磁同步电机在dq坐标系下的电压电流方程，以及电流源逆变器输出侧的电压电流方程，可以得到逆变器输出电流与电机绕组电流的关系：

其中i_s为三相绕组电流，i_c为三相电容电流，i_w为逆变器输出电流，u_s为三相相电压，C为逆变器交流侧电容大小，ω电机电角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，L_d、L_q为电机的dq轴电感，r_s为电机绕组电阻。

对上式进行拉普拉斯变换，便可以得到其在复频域下的传递函数等效示意图。此传递函数是一个复频域的带有耦合的传递函数。在低转速时ω²CL_dq远小于1，可以将其忽略；因为系统的阶次较高，为简化模型先将dq轴的耦合环节忽略，从而得到dq轴逆变器输出电流与电机绕组电流的关系及其振荡角频率。在设定PI参数时，其零点频率最好在该震荡角频率附近来适当的抑制系统的谐振尖峰。

其中提到电压电流解耦方法具体为复矢量积分调节器的一种，是通过解耦补偿增大对PI参数的调整范围，提高整个系统的性能。

耦合补偿项为：

G_comp＝j(2ωCL_dqs+ωCr_s) (2)

与此同时，虚拟阻抗补偿具体是给定虚拟阻抗与电机的定子绕组串联，选取合适的虚拟阻抗值，将坐标变换后得到的dq轴电流经过系数反馈回逆变器输出电流，从而抑制电感电容的谐振，提高系统的响应速度。

虚拟阻抗放置的位置如图3所示。为避免采集逆变器交流侧的电容电压，选择虚拟阻抗与电机的定子绕组串联。其在复平面下的虚拟阻抗位置示意图为图4。将dq轴电流经过系数反馈至以便其输出电流处实现虚拟阻抗的串联。

基于虚拟阻抗补偿的电流环控制系统示意图中显示的虚拟阻抗补偿项为：

G(s)＝(Cs+jωC)R₁ (3)

由此可得电流环开环传递函数为：

其等效图如图2所示，由此设置合适的增益系数和虚拟阻抗的大小，便可以实现一种永磁同步电机用永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法。

实施例二

本发明所述的一种永磁同步电机用永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，包括：位置采集模块、电流传感器、坐标变换矩阵模块、电流控制器、解耦补偿模块、虚拟阻抗补偿模块、空间矢量脉宽调制模块。其系统图如图5所示。

具体实现步骤如下：

(1)对电机的定子电流和位置进行采样，将采样信号坐标变换后，得到电机交、直轴电流的反馈量。

(2)将得到的电机交流反馈量与交流参考量，直流反馈量与零参考量相减后得到的差值输入到电流控制器中，得到其电压参考值。

(3)将电压参考值进行电压电流解耦和虚拟阻抗补偿，并经过变换和空间矢量脉宽调制技术，得到开关信号，从而驱动调节电流源逆变器电流幅值相位。

(4)重复步骤(1)至步骤(3)，使得电流的幅值和相位可以对参考值进行良好的跟踪。

进一步的，所述电流控制器具体为比例积分调节器的一种。其传递函数为：k_ps+k_i。其中，k_p为比例增益系数；k_i为积分增益系数。

进一步的，所述电压电流解耦方法具体为复矢量积分调节器的一种。其传递函数为：

j(k_as+k_b)。其中，k_a、k_b为复矢量解耦系数。

进一步的，所述虚拟阻抗补偿具体是给定虚拟阻抗与电机的定子绕组串联，选取合适的虚拟阻抗，将坐标变换后得到的dq轴电流经过系数反馈回逆变器输出电流，从而抑制电感电容的谐振，提高系统的响应速度。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采集电机的定子电流和位置，获得采样信号，将所述采样信号进行坐标变换，得到电机交轴电流和电机直轴电流的反馈量；

步骤二：将电机交轴电流反馈量与交流参考量相减，直轴电流反馈量与零参考量相减，得到两个差值，将所述两个差值输入到电流控制器中，得到电压参考值；

步骤三：对所述电压参考值进行电压电流解耦和虚拟阻抗补偿，并经过Park反变换和空间矢量脉宽调制处理后，得到开关信号，基于所述开关信号驱动调节电流源逆变器电流的幅值和相位；

步骤四：重复步骤一到三，使得电流的幅值和相位对参考值进行持续跟踪；

所述电流控制器为比例积分调节器的一种，得到电压参考值的过程中电流控制器的比例增益系数和积分增益系数的计算方法为：

由永磁同步电机在dq坐标系下的电压电流方程，以及电流源逆变器输出侧的电压电流方程，计算得到逆变器输出电流与电机绕组电流的关系；

所述dq坐标系下的电压电流方程，以及电流源逆变器输出侧的电压电流方程为：

式中，i_dw为直轴逆变器输出电流，i_qw为交轴逆变器输出电流，i_s为三相绕组电流，i_c为三相电容电流，u_s为三相相电压，C为逆变器交流侧电容大小，ω为电机的角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，L_d为电机的d轴电感，L_q为电机的q轴电感，r_s为电机绕组电阻，i_ds为电机交轴电流的反馈量，i_qs为电机交轴电流的反馈量。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，

所述电压电流解耦方法为复矢量积分调节器的一种，用于通过解耦补偿增大对PI参数的调整范围。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，

所述解耦补偿的耦合补偿项为：

Gcomp＝j(2ωCLdqs+ωCrs)

式中，Gcomp为耦合补偿项，s为复频率，C为逆变器交流侧电容大小，ω为电机的角速度，r_s为电机绕组电阻。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，

所述虚拟阻抗补偿的方法包括：

给定虚拟阻抗与电机的定子绕组串联，选取虚拟阻抗值，将坐标变换后得到的dq轴电流经过系数反馈回逆变器输出电流。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，

基于虚拟阻抗补偿的电流环控制系统中的虚拟阻抗补偿项为：

G(s)＝(Cs+jωC)R₁

式中，G(s)为虚拟阻抗补偿项，R₁为虚拟电阻值，s为复频率，C为逆变器交流侧电容大小，ω为电机的角速度。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机用电流源逆变器单电流环控制方法，其特征在于，

电流环开环传递函数为：

式中，N₁(s)为电流环开环传递函数，k_p为比例增益系数，k_i为积分增益系数，T为延迟环节时间常数，s为复频率，C为逆变器交流侧电容大小，ω为电机的角速度，R₁为虚拟电阻值。