CN112117941A - 一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法 - Google Patents

一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法。首先，通过转速调节器获得参考电流iq ref；然后，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，再根据预测模型并结合电流方程在线预测(k+1)时刻电流的d轴、q轴和零轴分量id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)；进而，利用(k+1)时刻电流预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态。本发明可在开绕组永磁同步电机逆变器故障状态下获得良好的动稳态性能。

Description

一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
开绕组电机是将传统三相电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有改变，由于中性点打开之后各项电机绕组之间的约束关系不再存在，各项绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性和电机驱动***的容错能力。传统永磁同步电机具有6个开关器件结构，而在开绕组永磁同步电机***中，双逆变器供电使得***具有12个开关器件结构，增加的开关器件提高了***故障风险。
共直流母线型开绕组永磁同步电机***会产生零序电流，零序电流给***带来了额外的铜耗、温升及转矩波动等负面效应，因此在开绕组电机的控制中，对零序电流的抑制是一个重要内容。
基于以上考虑，为了在故障工况下电机仍能正常工作，有人提出了采用简化的PWM方法来计算各相开关管的导通时刻，与三角载波相比较，得到逆变器的开关波形图，但是故障后容错控制中不能很好的实现对零序电流的抑制。也有人提出，在故障工况下的开绕组永磁同步电机采用SVPWM策略，虽能很好地控制开绕组永磁同步电机容错控制中的零序电流，但是设计复杂，计算量大。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，在逆变器故障的情况下可获得较好的动稳态性能。
技术方案：一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，包括转速外环PI控制器、模型预测电流控制模块、价值函数模块、逆变器、坐标变换模块、开绕组永磁同步电机和编码器；首先，通过转速外环PI控制器获得参考电流iq ref，并给定d轴电流参考值id ref＝0；再从电机编码器中获取永磁同步电机的电角度θr和电角速度ω，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq和i0；进而，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，利用一阶欧拉方程将电流微分方程离散化处理获取(k+1)时刻定子电流预测值d-q-0轴分量id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)；最后，利用(k+1)时刻电流预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优电压矢量。
进一步的，所述的q轴电流的参考值iq ref获取方法为：将参考转速与编码器所测得的实际转速之间的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1)获得所述的q轴电流的参考值iq ref；
Figure BDA0002613861490000021
式中，kp和ki分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
进一步的，所述的电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d-q分量id，iq获取方法为：所述的电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d-q轴分量id、iq、i0获取方法为：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θr，再经式(2)求电角度θr关于时间的微分，得到电角速度ω；再利用电流传感器测量永磁同步电机k时刻三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0。
Figure BDA0002613861490000022
进一步的，计算(k+1)时刻电流参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)的方法为：令k时刻公式(1)的输出iq ref＝iq ref(k+1)，并定义i0 ref(k+1)＝id ref(k+1)＝0。
进一步的，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，根据电压空间矢量预测(k+1)时刻电流值，方法为：将得到的d-q-0轴电流id、iq、i0，转子电角速度ω以及转子电角度θr输入模型预测电流控制模块(2)，根据公式(3)所示的一阶欧拉方程将电流离散化，再根据公式(4)获得(k+1)时刻的电流预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)。
Figure BDA0002613861490000023
Figure BDA0002613861490000024
式中，ud(k)、uq(k)、u0(k)为k时刻定子电压在d-q-0轴分量上的电压；id(k)、iq(k)、i0(k)分别为k时刻定子电流的d-q-0轴分量；R为定子相电阻；Ld、Lq为直、交轴电感；L0为零序电感；ψf1为转子永磁体磁链基波分量；ψf3为转子永磁体磁链3次谐波分量；Ts为***的采样周期；np为极对数；id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值。
进一步的，在价值函数模块中构建基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制的价值函数，方法为：将(k+1)时刻定子电流d轴、q轴和零轴分量幅值参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)和(k+1)时刻定子电流d轴、q轴和零轴分量幅值预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)输入价值函数模块，根据公式(5)计算价值函数gi，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态；
Figure BDA0002613861490000031
有益效果：本发明基于共直流母线结构的开绕组永磁同步电机，通过设计包含零序电流的价值函数达到抑制零序电流的目的，只涉及一个直流电源且不需要隔离，抑制零序电流只是在控制方法上改动，不需要增加***硬件成本。本发明提出的控制方法相比于传统技术，减小了***计算量及复杂度，有效解决了开绕组永磁同步电机逆变器故障下运行的问题以及零序电流抑制的问题。
附图说明
图1为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法原理图；
图2为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法a1相故障容错等效电路；
图3为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法a1相故障情况下电压空间矢量图；
图4为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法a1相故障情况下稳态仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法原理图如图1所示，设置开绕组永磁同步电机的控制***中的各模块包括：转速外环PI控制器1、模型预测电流控制模块2、价值函数模块3、逆变器模块4、逆变器模块5、坐标变换模块6、开绕组永磁同步电机7和编码器8；所述逆变器4和逆变器5分别为开绕组永磁同步电机7供电，逆变器4和逆变器5的开关状态通过价值函数模块3进行优化选择，所述编码器8采集开绕组永磁同步电机7的信息，将数据发送给转速外环PI控制器1和模型预测电流控制模块2，坐标变换模块6将电流传感器采集的三相静止坐标系下的电流ia、ib、ic变换为两相旋转坐标系下的id、iq，并将信号传送给模型预测电流控制模块2，所述模型预测电流控制模块2处理数据后传输给价值函数模块3，判断逆变器最优开关状态。
首先，通过转速外环PI控制器获得参考电流iq ref，并给定d轴电流参考值id ref＝0；再从电机编码器中获取永磁同步电机的电角度θr和电角速度ω，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq和i0；进而，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，利用一阶欧拉方程将电流方程离散化处理获取(k+1)时刻定子电流预测值的d-q-0轴分量id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)；最后，利用(k+1)时刻电流预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得最优电压矢量。
具体包括以下步骤：
步骤1：根据转速外环PI控制器获得q轴电流参考值iq ref：
将参考转速与编码器所测得的实际转速之间的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1)获得所述的q轴电流参考值iq ref；
Figure BDA0002613861490000041
式中，kp和ki分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
步骤2：计算电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0：
从编码器中获取永磁同步电机的电角度θr，再经式(2)求电角度θr关于时间的微分，得到电角速度ω；再利用电流传感器测量永磁同步电机k时刻三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0。
Figure BDA0002613861490000042
步骤3：获取(k+1)时刻电流参考值idref(k+1)、iqref(k+1)、i0ref(k+1)；
计算(k+1)时刻电流参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)的获取方法为：令k时刻公式(1)的输出iq ref＝iq ref(k+1)，并定义i0 ref(k+1)＝id ref(k+1)＝0。
步骤4：根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态；
逆变器单相故障类型如表1所示：
表1逆变器单相故障类型
Figure BDA0002613861490000051
当a1相故障的时候，逆变器1变为三相四开关结构。在两相静止坐标系下，开关组合可产生4个电压空间矢量，其中包括4个有效矢量，无零矢量。同样，当逆变器b1或者c1相发生故障时，在不同的开关状态会产生不同的电压矢量，具体电压矢量如表2所示。
表2逆变器单相故障下电压矢量
Figure BDA0002613861490000052
若两组逆变器均有一相出现故障，可以分两种情况进行考虑：
(1)逆变器1、2同相同时出现单相故障
当逆变器1、2的a相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态(Sb1、Sc1)，(Sb2、Sc2)共有16种不同的开关状态，其中12个有效矢量、4个零矢量，去除冗余矢量后共有9种不同的有效矢量和零矢量；
(2)逆变器1、2不同相同时出现单相故障
当逆变器1、2不同相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态共有16种不同的开关状态，可产生16个电压空间矢量，且无零矢量。
若某一逆变器三相均故障，那么将与该组逆变器相连的固态继电器均导通，此时在另一组逆变器控制下开绕组永磁同步电机等效为普通的Y型连接的永磁同步电机，此时的控制技术与普通的永磁同步电机完全一致；如果某一逆变器有两相桥臂发生故障，那么此时的逆变器的开关状态只有两种，此时无法调制出开绕组永磁同步电机运行所需的圆形磁链矢量。因此本发明中容错控制旨在研究单相故障下的开绕组永磁同步电机。
步骤5：根据电压矢量预测(k+1)时刻电流值：
将得到的d-q-0轴电流id、iq、i0，转子电角速度ω以及转子电角度θr输入模型预测电流控制模块(2)，根据公式(3)所示的一阶欧拉方程将电流离散化，再根据公式(4)获得(k+1)时刻的电流预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)。
Figure BDA0002613861490000061
Figure BDA0002613861490000062
式中，ud(k)、uq(k)、u0(k)为k时刻定子电压在d-q-0轴分量上的电压；id(k)、iq(k)、i0(k)分别为k时刻定子电流的d-q-0轴分量；R为定子相电阻；Ld、Lq为直、交轴电感；L0为零序电感；ψf1为转子永磁体磁链基波分量；ψf3为转子永磁体磁链3次谐波分量；Ts为***的采样周期；np为极对数；id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d-q-0轴分量的预测值。
步骤6：根据价值函数选择最优电压矢量：
在价值函数模块中构建价值函数，将(k+1)时刻定子电流d-q-0轴分量幅值参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)和(k+1)时刻定子电流d-q-0轴分量幅值预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)输入价值函数模块，根据公式(5)计算价值函数gi，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量，根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态；
Figure BDA0002613861490000071
图2为a1相故障容错等效电路，可容错运行的开绕组永磁同步电机***结构为：逆变器每相桥臂中串联快速熔断丝，桥臂中点通过固态继电器与直流母线相连。若运行过程中逆变器桥臂发生故障，那么迅速导通与之相应的固态继电器，故障桥臂被切断。
图3为逆变器a1故障时的空间电压矢量图，此时共有32个电压矢量，除去冗余矢量，共拥有14种不同的有效矢量，且无零矢量产生。
图4为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制稳态仿真图，仿真工况设置为：电机给定转速200r/min，转矩为4N·m。电机启动后，t＝0.03s时电机转速稳定在200r/min，体现了模型预测电流控制动态响应快的优点。同时零序电流抑制效果明显，说明基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法的可行性及优越性。
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)

1.一种基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：
设置开绕组永磁同步电机的控制***中的各模块包括：转速外环PI控制器(1)、模型预测电流控制模块(2)、价值函数模块(3)、逆变器(4)和逆变器(5)、坐标变换模块(6)、开绕组永磁同步电机(7)和编码器(8)；所述逆变器(4)和逆变器(5)分别为开绕组永磁同步电机(7)供电，逆变器(4)和逆变器(5)的开关状态通过价值函数模块(3)进行优化选择，所述编码器(8)采集开绕组永磁同步电机(7)的信息，将数据发送给转速外环PI控制器(1)和模型预测电流控制模块(2)，坐标变换模块(6)将电流传感器采集的三相静止坐标系下的电流ia、ib、ic变换为两相旋转坐标系下的id、iq，并将信号传送给模型预测电流控制模块(2)，所述模型预测电流控制模块(2)处理数据后传输给价值函数模块(3)，判断逆变器最优开关状态；
所述基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，具体如下：
步骤1、根据转速外环PI控制器获得q轴电流参考值iq ref；
通过转速外环PI控制器获得q轴电流参考值iq ref，并给定d轴电流参考值id ref＝0；
步骤2、计算电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0；
从电机编码器中获取永磁同步电机的电角度θr和电角速度ω，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq和i0；
步骤3、获取(k+1)时刻电流参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)；
步骤4、根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态；
步骤5、根据电压矢量预测(k+1)时刻电流值；
根据步骤4中逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，利用一阶欧拉方程将电流微分方程离散化处理获取(k+1)时刻定子电流预测值d-q-0轴分量id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)；
步骤6、根据价值函数选择最优电压矢量；
利用(k+1)时刻电流预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得最优电压矢量。
2.根据权利要求1中所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤1中获得q轴电流参考值iq ref的方法，具体如下：所述的q轴电流参考值iq ref获取方法为：将参考转速与编码器所测得的实际转速之间的差值en输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得所述的q轴电流参考值iq ref；
Figure FDA0002613861480000011
式中，kp和ki分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
3.根据权利要求1中所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤2中的电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0获取方法，具体如下：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θr，再经式(2)求电角度θr关于时间的微分，得到电角速度ω；再利用电流传感器测量永磁同步电机k时刻三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q-0轴分量id、iq、i0；
Figure FDA0002613861480000021
4.根据权利要求1所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤3中(k+1)时刻电流参考值d-q-0轴分量id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)的获取方法，具体如下：令k时刻公式(1)的输出iq ref＝iq ref(k+1)，并定义i0 ref(k+1)＝id ref(k+1)＝0。
5.根据权利要求1中所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤4中根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态的方法具体如下：分析构件逆变器单相故障类型，如下表所示：
逆变器单相故障类型
Figure FDA0002613861480000022
当a1相故障的时候，逆变器1变为三相四开关结构；在两相静止坐标系下，开关组合可产生4个电压空间矢量，其中包括4个有效矢量，无零矢量；同样，当逆变器b1或者c1相发生故障时，在不同的开关状态会产生不同的电压矢量，具体逆变器单相故障下电压矢量表，如下：
逆变器单相故障下电压矢量
Figure FDA0002613861480000023
Figure FDA0002613861480000031
若两组逆变器均有一相出现故障，可以分两种情况进行考虑：
(1)逆变器1、2同相同时出现单相故障
当逆变器1、2的a相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态(Sb1、Sc1)，(Sb2、Sc2)共有16种不同的开关状态，其中12个有效矢量、4个零矢量，去除冗余矢量后共有9种不同的有效矢量和零矢量；
(2)逆变器1、2不同相同时出现单相故障
当逆变器1、2不同相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态共有16种不同的开关状态，可产生16个电压空间矢量，且无零矢量。
若某一逆变器三相均故障，那么将与该组逆变器相连的固态继电器均导通，此时在另一组逆变器控制下开绕组永磁同步电机等效为普通的Y型连接的永磁同步电机，此时的控制技术与普通的永磁同步电机完全一致；如果某一逆变器有两相桥臂发生故障，那么此时的逆变器的开关状态只有两种，此时无法调制出开绕组永磁同步电机运行所需的圆形磁链矢量。
6.根据权利要求1中所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤5中根据当前的电压空间矢量预测(k+1)时刻电流值的方法，具体如下：
将得到的d-q-0轴电流id、iq、i0，转子电角速度ω以及转子电角度θr输入模型预测电流控制模块(2)，根据公式(3)所示的一阶欧拉方程将电流离散化，再根据公式(4)获得(k+1)时刻的电流预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)；
Figure FDA0002613861480000041
Figure FDA0002613861480000042
式中，ud(k)、uq(k)、u0(k)为k时刻定子电压d-q-0轴分量；id(k)、iq(k)、i0(k)分别为k时刻定子电流的d-q-0轴分量；R为定子相电阻；Ld、Lq为直、交轴电感；L0为零序电感；ψf1为转子永磁体磁链基波分量；ψf3为转子永磁体磁链3次谐波分量；Ts为***的采样周期；np为极对数；id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d-q-0轴分量的预测值。
7.根据权利要1所述的基于模型预测电流控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法，其特征在于：所述步骤6中根据价值函数选择最优电压矢量的方法，具体如下：
将(k+1)时刻定子电流d-q-0轴分量幅值参考值id ref(k+1)、iq ref(k+1)、i0 ref(k+1)和(k+1)时刻定子电流d-q-0轴分量幅值预测值id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)输入价值函数模块，根据公式(5)计算价值函数gi，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量，进而获得逆变器最优开关状态；
Figure FDA0002613861480000043
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