CN112187119B - 一种用于带lcl输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，包括电容电压控制内环和电机电流控制外环。其中，电容电压内环设计为无差拍控制，并且其控制频率设定为外环控制器的两倍。电容电压内环控制器包括前馈补偿、反馈控制及状态反馈矩阵，前馈补偿的作用使得电容电压内环控制的动态响应达到无差拍效果；反馈控制以消除参数摄动带来的稳态误差；状态反馈矩阵为***提供阻尼，削弱LC振荡。本发明解决了带LCL输出滤波器的永磁电机驱动中电流控制器结构复杂、设计难度大等问题，且传统的电机电流控制算法均可用于该方法中的外环电流控制，只需要设计降阶的电容电压内环控制器，较大程度上减少了带LCL输出滤波的永磁电机电流控制器设计难度。

Description

一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，属于永磁电机控制技术领域。
背景技术
在传统的永磁同步电机驱动中，通常将电机与基于脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)的逆变器直接相连，而对于电感相对较小的永磁电机，逆变器的开关斩波动作会造成较大的谐波电流，导致电机驱动效率下降、发热严重。
为了解决上述问题，引入LCL输出滤波器，负责连接于电机和逆变器，可将谐波电流滤除，增加电机电流的正弦度。但是引入LCL输出滤波器会使得***阶数升高，出现不稳定谐振，使得传统的电流控制器难以适用，因此大大增加了带LCL输出滤波器的永磁电机电流控制的难度。如何实现简便且有效的电流控制是目前研究中的重点内容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，解决了现有带LCL输出滤波器的永磁电机电流控制中存在的问题，实现了简便有效的电机电流控制，较大地提高了电机***的控制性能。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，所述双环电流控制方法包括电容电压内环控制和电机电流外环控制，且电容电压内环控制的控制频率为电机电流外环控制的控制频率的两倍；
所述电容电压内环控制包括前馈补偿、反馈控制和状态反馈矩阵，其中前馈补偿的输入为电容电压给定值和电机电流反馈值，反馈控制的输入为电容电压给定值和电容电压反馈值，状态反馈矩阵的输入为电容电压反馈值和逆变器输出电流，前馈补偿的输出为逆变器调制电压的第一部分，反馈控制的输出为逆变器调制电压的第二部分，状态反馈矩阵的输出为逆变器调制电压的第三部分，逆变器调制电压的第一、第二和第三部分之和为电容电压内环控制的输出；
所述反馈控制的控制器表示如下：
Figure GDA0003458122710000021
其中，k表示时刻；
Figure GDA0003458122710000022
为反馈控制器输出电压；Q为收敛矩阵；s(k)为滑模面函数；ρ为符号函数的增益，ρ为正常数；sgn为符号函数；i1dq为逆变器输出电流；ucdq为电容电压；xr为电机电流误差的积分；i2ref为电机电流给定值；
Figure GDA0003458122710000023
G41、G42、G43、G44、sr均为系数矩阵；
电机电流外环控制的输入为电机电流给定值和电机电流反馈值，输出为电容电压给定值。
作为本发明的一种优选方案，所述电机电流外环控制采用永磁电机电流控制器，永磁电机电流控制器包括比例积分控制器、状态反馈控制器、滑模控制器或自适应控制器。
作为本发明的一种优选方案，所述电容电压内环控制为无差拍控制，其闭环传递函数为z-2，z为离散域运算符。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明双环电流控制方法中的外环电流控制器可为传统的永磁电机电流控制器，极大地简便了带LCL输出滤波的永磁电机电流控制器设计。
2、本发明双环电流控制方法中的电容电压内环控制对象为纯LC谐振***，控制器参数只与LCL滤波器参数相关，与电机参数无关，因此本发明中的电容电压内环具有一定的通用性。
附图说明
图1是本发明带LCL输出滤波器的永磁电机驱动等效电路。
图2是本发明一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法的控制结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图2所示，本发明提供了一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，双控制环分别为电容电压控制内环和电机电流控制外环。带LCL输出滤波器的高速永磁电机分立连续模型如下所示：
Figure GDA0003458122710000031
其中，i1αβ为逆变器输出电流复矢量；i2αβ为电机输入电流复矢量；ucαβ为电容电压复矢量；uαβ为逆变器输出电压复矢量；eαβ为电机反电势复矢量；R为电机电阻；L1为滤波器的逆变器侧电感；L2＝L1o+Ls，L1o为滤波器的电机侧电感，Ls为电机绕组电感。
高速永磁电机转速较高，因而电流基波频率较高，但是逆变器的开关频率受开关损耗限制，为了实现低载波比下的带LCL输出滤波器的高速永磁电机控制，采用零阶保持的离散方法，得到精确离散化的分立数学模型，并旋转坐标变换后，如下所示：
Figure GDA0003458122710000032
其中，
Figure GDA0003458122710000041
为了便于电容电压内环设计，上述离散数学模型进一步细化，并考虑差一拍数字延时，如下所示：
Figure GDA0003458122710000042
其中，
Figure GDA0003458122710000043
为逆变器调制电压；H2i2dq(k)为已知扰动项，可以直接前馈补偿；由于状态矩阵含有谐振极点，可通过状态反馈阻尼谐振，使内环***开环稳定；由于扰动观测器和状态反馈均为传统控制方法，本发明不再赘述其设计过程。对于***反馈控制器，为了消除稳态误差，引入电流误差的积分项，如下所示：
xr(k+1)＝xr(k)+i2ref-i2dq(k) (5)
因此带误差积分项的扩张内环模型，如下所示：
Figure GDA0003458122710000044
基于上述扩张，设计滑模面，如下所示：
s(k)＝si1i1dq(k)+sucucdq(k)+srxr(k)+suudq(k) (7)
为了获取滑动模态的动态方程，引入坐标变换，如下所示：
Figure GDA0003458122710000045
经过上述坐标变换并且前馈补偿后，带误差积分项的扩张内环模型如下所示，
Figure GDA0003458122710000046
因此，滑动模态的动态方程为
Figure GDA0003458122710000055
采用传统的滑模趋近率，如下所示：
s(k+1)＝Qs(k)-ρsgn(s(k)) (11)
综上所述，得到最终的用于电容电压内环反馈控制中的滑模控制器，如下所示：
Figure GDA0003458122710000051
其中，Q为收敛矩阵，特征根小于1；ρ为符号函数的增益，为正常数；sgn为符号函数；
Figure GDA0003458122710000052
G41,G42,G43,G44,sr均为系数矩阵；i2ref为电机电流给定值；
Figure GDA0003458122710000053
为反馈控制器输出电压；i1dq为逆变器输出电流；ucdq为电容电压；xr为电机电流误差的积分；s(k)为滑模面函数。
电机电流外环可为传统的永磁电机电流控制算法，包括但不限于比例积分控制器，状态反馈控制器，滑模控制器和自适应控制器等。因此具体设计过程也不再赘述。本发明提供一种电机电流外环控制器结构仅作为参考，如下所示：
Figure GDA0003458122710000054
本发明双环电流控制方法的流程如下：
S1：中断开始，进入算法主程序，中断频率与电容电压内环控制频率相同。
S2：根据外环工作标志位，判断外环是否工作：
S21：若外环工作标志位为1，电机电流外环控制器工作，输入为电机电流给定值和电机电流反馈值，输出为电容电压给定值，外环工作标志位清零。
S22：若外环工作标志位为0，电机电流外环控制器不工作，电容电压给定值保持不变，外环工作标志位置位。
S3：电容电压内环控制器工作，输入为电容电压给定值和电容电压反馈值，输出为逆变器调制电压。
S4：进入PWM调制器，更新PWM占空比，调试方式可为SPWM(Sinusoidal PulseWidth Modulation，正弦脉宽调制)或者SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)。
S5：中断结束，等待下次中断触发。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，其特征在于，所述双环电流控制方法包括电容电压内环控制和电机电流外环控制，且电容电压内环控制的控制频率为电机电流外环控制的控制频率的两倍；
所述电容电压内环控制包括前馈补偿、反馈控制和状态反馈矩阵，其中前馈补偿的输入为电容电压给定值和电机电流反馈值，反馈控制的输入为电容电压给定值和电容电压反馈值，状态反馈矩阵的输入为电容电压反馈值和逆变器输出电流，前馈补偿的输出为逆变器调制电压的第一部分，反馈控制的输出为逆变器调制电压的第二部分，状态反馈矩阵的输出为逆变器调制电压的第三部分，逆变器调制电压的第一、第二和第三部分之和为电容电压内环控制的输出；
所述反馈控制的控制器表示如下：
Figure FDA0003458122700000011
其中，k表示时刻；
Figure FDA0003458122700000012
为反馈控制器输出电压；Q为收敛矩阵；s(k)为滑模面函数；ρ为符号函数的增益，ρ为正常数；sgn为符号函数；i1dq为逆变器输出电流；ucdq为电容电压；xr为电机电流误差的积分；i2ref为电机电流给定值；
Figure FDA0003458122700000013
G41、G42、G43、G44、sr均为系数矩阵；
电机电流外环控制的输入为电机电流给定值和电机电流反馈值，输出为电容电压给定值。
2.根据权利要求1所述用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，其特征在于，所述电机电流外环控制采用永磁电机电流控制器，永磁电机电流控制器包括比例积分控制器、状态反馈控制器、滑模控制器或自适应控制器。
3.根据权利要求1所述用于带LCL输出滤波器的永磁电机双环电流控制方法，其特征在于，所述电容电压内环控制为无差拍控制，其闭环传递函数为z-2，z为离散域运算符。
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