CN114826043A - 半集中式开绕组永磁同步电机***的预测电流控制方法 - Google Patents

半集中式开绕组永磁同步电机***的预测电流控制方法 Download PDF

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CN114826043A CN202210357802.2A CN202210357802A CN114826043A CN 114826043 A CN114826043 A CN 114826043A CN 202210357802 A CN202210357802 A CN 202210357802A CN 114826043 A CN114826043 A CN 114826043A
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Abstract

本发明公开了半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，属于电机驱动与控制技术领域，该***由两台共直流母线开绕组三相永磁同步电机、三台两电平逆变器以及预测电流控制单元组成，对直流母线电压Udc、两台永磁同步电机的三相电流ia1(k)、ib1(k)、ic1(k)、ia2(k)、ib2(k)、ic2(k)、转子位置角θm1(k)、θm2(k)、机械旋转角速度ωm1(k)、ωm2(k)进行采样；然后预测下一状态的电流id1(k+1)、iq1(k+1)、i01(k+1)、id2(k+1)、iq2(k+1)、i02(k+1)；根据无差拍的原则推算出k+1状态电压参考值；构造基于相电压矢量的二维平面空间，来快速确认扇区并计算两个相邻基本有效相电压矢量和一个零相电压矢量的持续时间，实现在调制度范围内对参考相电压矢量的无差输出，使得该***稳态性能得到提升。

Description

半集中式开绕组永磁同步电机***的预测电流控制方法
技术领域
本发明是半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
在n台电机构成的驱动***中，传统的开绕组永磁同步电机将需要2n台逆变器，这将占用巨大的体积并提升成本，可以通过使这些电机的一侧共用一台复用逆变器，使需要的逆变器数目降低为n+1台，但是这些逆变器属于同一控制***，将会使得电压矢量的数目呈指数式增加，不利于使用预测电流控制。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***，用于电力驱动领域。该方法提出相电压矢量的概念，利用开绕组电机三相独立的特点，分别计算各相的两个基本有效相电压矢量和一个基本零电压矢量的持续时间，再将它们对应的触发信号分配到各逆变器。在保证了两台电机协同控制效果、稳态性能、零序电流抑制性能的同时，极大地减少了计算量。
技术方案：一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，所述方法分别计算各相的两个基本有效相电压矢量和一个基本零电压矢量的持续时间，再将它们对应的触发信号分配到各逆变器。
进一步地，，所述方法包括通过两台电机的独立逆变器和复用逆变器的a相桥臂控制电机的a相电压，b、c相同理。
进一步地，，所述方法包括对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样后分别计算下一时刻各相的两个基本有效相电压矢量和一个基本零电压矢量的持续时间。
进一步地，所述方法包括计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制***。
有益效果：
通过计算三个有关参考相电压矢量空间位置的参数，来快速确认扇区并计算两个相邻基本有效相电压矢量和一个零相电压矢量的持续时间，实现在调制度范围内对参考相电压矢量的无差输出，使得该***稳态性能得到提升。
附图说明
图1是半集中式开绕组永磁同步电机拓扑结构；
图2是相电压矢量的分布图及其扇区示意图及Nm分布；
图3是半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***的控制框图；
图4是三矢量预测电流控制策略的实验波形。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明技术方案进行详细说明；
如附图1所示，本发明实施例公开的一种半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于：所述***包含两台三相开绕组永磁同步电机、三台两电平电压源型逆变器以及预测电流控制单元，三台逆变器采取共直流母线的连接方式，每台开绕组电机都需要从左右两端同时进行供电，将两台电机分别称为一号电机、二号电机，一号电机的左端和二号电机的右端各使用一***立逆变器，而一号电机的右端和二号电机的左端共用一台复用逆变器，将各自的独立逆变器称为一号逆变器、二号逆变器，共用的复用逆变器称为零号逆变器；通过控制一号逆变器和零号逆变器的a相桥臂即可控制一号电机的a相电压，通过控制二号逆变器和零号逆变器的a相桥臂即可控制二号电机的a相电压，b、c相同理；预测电流控制单元对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样，计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制***，具体实施步骤如下：
(1)首先对直流母线电压Udc、两台永磁同步电机的三相电流ia1(k)、ib1(k)、ic1(k)、ia2(k)、ib2(k)、ic2(k)、转子位置角θm1(k)、θm2(k)、机械旋转角速度ωm1(k)、ωm2(k)进行采样，并通过坐标变换得到dq0坐标系下的id1(k)、iq1(k)、i01(k)、id2(k)、iq2(k)、i02(k)；
Figure BDA0003582683120000021
Figure BDA0003582683120000022
其中，Pn为极对数，k表示当前时刻的值，k+1表示下一时刻的值，依此类推；下标1表示为一号电机的数值，下标2表示为二号电机的数值；
(2)根据当前时刻即k时刻在同步旋转dq0坐标系下的电机相电流id1(k)、iq1(k)、i01(k)、id2(k)、iq2(k)、i02(k)，结合当前电机相电压在dq0坐标系下的值ud1(k)、uq1(k)、u01(k)、ud2(k)、uq2(k)、u02(k)，代入到离散域数学模型中预测在k+1时刻的电机相电流id1(k+1)、iq1(k+1)、i01(k+1)、id2(k+1)、iq2(k+1)、i02(k+1)；
Figure BDA0003582683120000031
Figure BDA0003582683120000032
其中，F1(k)、F2(k)、G、H1(k)、H2(k)为矩阵；
Figure BDA0003582683120000033
Figure BDA0003582683120000034
Figure BDA0003582683120000035
Figure BDA0003582683120000036
Figure BDA0003582683120000037
其中，Ts为采样周期；R为相电阻；Ld为直轴电感；Lq为交轴电感；L0为零序电感；ψf1为永磁体磁链的基波分量；ψf3为永磁体磁链的三次谐波分量；
(3)通过速度调节器分别得到两台永磁电机k+2时刻交轴电流参考值
Figure BDA0003582683120000038
Figure BDA0003582683120000039
并将直轴电流参考值
Figure BDA00035826831200000310
和零序电流参考值
Figure BDA00035826831200000311
均设为0；
(4)通过无差拍的原则，根据k+2时刻电机相电流参考值
Figure BDA00035826831200000312
Figure BDA0003582683120000041
和k+1时刻电机相电流值id1(k+1)、iq1(k+1)、i01(k+1)、id2(k+1)、iq2(k+1)、i02(k+1)推导出k+1时刻的电机相电压参考值
Figure BDA0003582683120000042
Figure BDA0003582683120000043
Figure BDA0003582683120000044
Figure BDA0003582683120000045
其中，G-1为G矩阵的逆矩阵；
(5)将电机相电压参考值
Figure BDA0003582683120000046
通过坐标变换得到abc坐标系下的相电压参考值
Figure BDA0003582683120000047
Figure BDA0003582683120000048
由
Figure BDA0003582683120000049
和
Figure BDA00035826831200000410
将组合得到m相的参考相电压矢量，m＝a,b,c。
Figure BDA00035826831200000411
Figure BDA00035826831200000412
(6)列出该***三个逆变器在各相的8种基本相电压矢量(um1,um2),m＝a，b，c及其桥臂开关状态(Sm1,Sm2,Sm0)，如表1所示；
表1
Figure BDA00035826831200000413
表中Smn分别为各逆变器各相桥臂的开关状态，当Smn＝1时，逆变器n的桥臂m的上桥臂导通；否则，逆变器n的桥臂m的下桥臂导通，m＝a,b,c；n＝1,2,0；um1、um2分别为一号电机、二号电机的m相电压，m＝a,b,c。Udc为直流母线电压。
(7)根据下式计算参数Xm、Ym、Zm、Nm，m＝a,b,c。；并根据表2确定m相的参考相电压矢量所在扇区和将会用于合成参考相电压矢量的基本有效相电压矢量。
Figure BDA0003582683120000051
Figure BDA0003582683120000052
Figure BDA0003582683120000053
Nm＝Xm+4*Ym+16*Zm
表2
Figure BDA0003582683120000054
(8)根据下式计算出各相的横轴持续时间Txm和纵轴持续时间Tym,m＝a,b,c。
Figure BDA0003582683120000055
式中Ts为控制周期。
(9)结合各扇区的情况将Txm和Tym分配给在(7)中筛选出来的2个基本有效相电压矢量。Tjm即m相Vj矢量的持续时间,j＝0,1,2,3,4,5,6,7；m＝a,b,c。
①当参考相电压矢量位于扇区1时，只有V2能够提供纵轴持续时间，故所有的Tym分配给V2，但同时V2也提供了部分横轴持续时间，未被V2满足的横轴持续时间分配给V1，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T2m＝Tym；T1m＝Txm-Tym；Tm＝T1m+T2m
②当参考相电压矢量位于扇区2时，只有V2能够提供横轴持续时间，故所有的Txm分配给V2，但同时V2也提供了部分纵轴持续时间，未被V2满足的纵轴持续时间分配给V3，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T2m＝Txm；T3m＝Tym-Txm；Tm＝T2m+T3m
③当参考相电压矢量位于扇区3时，只有V4能够提供横轴持续时间，也只有V3能够提供纵轴持续时间，故所有的Txm分配给V4，同时所有的Tym分配给V3，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T4m＝Txm；T3m＝Tym；Tm＝T3m+T4m
④当参考相电压矢量位于扇区4时，只有V5能够提供纵轴持续时间，故所有的Tym分配给V5，但同时V5也提供了部分横轴持续时间，未被V5满足的横轴持续时间分配给V4，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T5m＝Tym；T4m＝Txm-Tym；Tm＝T4m+T5m
⑤当参考相电压矢量位于扇区5时，只有V5能够提供横轴持续时间，故所有的Txm分配给V5，但同时V5也提供了部分纵轴持续时间，未被V5满足的纵轴持续时间分配给V6，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T5m＝Txm；T6m＝Tym-Txm；Tm＝T5m+T6m
⑥当参考相电压矢量位于扇区6时，只有V1能够提供横轴持续时间，也只有V6能够提供纵轴持续时间，故所有的Txm分配给V1，同时所有的Tym分配给V6，并得到有效持续时间Tm，如下式所示：
T1m＝Txm；T6m＝Tym；Tm＝T6m+T1m
(10)结合三相的有效持续时间Ta、Tb和Tc，当其中最大值Tmax大于控制周期Ts，就需要进行三相同步限幅以确保三相的持续时间都能够在Ts以内，调整系数η通过下式获得：
Figure BDA0003582683120000061
Djm即m相Vj矢量调整后的持续时间,j＝0,1,2,3,4,5,6,7；m＝a,b,c。
Djm＝ηTjm
(11)将各相多余的占空比均分给两个基本零相电压矢量，得到D0m和D7m：
Figure BDA0003582683120000071
(12)结合各扇区的情况将调整后的基本有效相电压矢量持续时间分配给具体的桥臂，tim为逆变器i的m相桥臂上桥臂导通的持续时间，i＝0,1,2；m＝a,b,c。
①当m相的参考相电压矢量位于扇区1时，V1、V2、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V2、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D1m+D2m+D7m；t2m＝D2m+D7m；t0m＝D7m
②当m相的参考相电压矢量位于扇区2时，V2、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V2、V3、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D2m+D7m；t2m＝D2m+D3m+D7m；t0m＝D7m
③当m相的参考相电压矢量位于扇区3时，V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V3、V4、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D7m；t2m＝D3m+D4m+D7m；t0m＝D4m+D7m
④当m相的参考相电压矢量位于扇区4时，V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V5、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D7m；t2m＝D4m+D7m；t0m＝D4m+D5m+D7m
⑤当m相的参考相电压矢量位于扇区5时，V6、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V5、V6、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D6m+D7m；t2m＝D7m；t0m＝D5m+D6m+D7m
⑥当m相的参考相电压矢量位于扇区6时，V1、V6、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V6、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D1m+D6m+D7m；t2m＝D7m；t0m＝D6m+D7m
(13)根据(12)的结果产生驱动信号控制逆变器桥臂的开关状态，进而控制电机端电压。同时，对k+1时刻的电机运行状态进行采样，进入下一个控制循环。
为了验证本发明的效果，进行了实验验证。图1是半集中式开绕组永磁同步电机拓扑结构，图2是相电压矢量的分布图及其扇区示意图及Nm分布，图3是半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***的控制框图，图4是采取三矢量预测电流控制策略的实验波形。图4的实验结果表明，本发明提出的基于半集中式开绕组永磁同步电机的三矢量预测电流控制***，能够对两台电机进行稳定的协同控制并有效地将零序电流抑制在±0.1A以内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于，所述方法分别计算各相的两个基本有效相电压矢量和一个基本零电压矢量的持续时间，再将它们对应的触发信号分配到各逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于，所述方法包括通过两台电机的独立逆变器和复用逆变器的a相桥臂控制电机的a相电压，b、c相同理。
3.根据权利要求1所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于，所述方法包括对两台电机的各相电流、转子转速、转子位置和逆变器的直流母线电压数据进行采样后分别计算下一时刻各相的两个基本有效相电压矢量和一个基本零电压矢量的持续时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于，所述方法包括计算出下一时刻的最优相电压矢量，产生控制信号送入到逆变器中以控制逆变器的桥臂开关状态，形成一个逆变器-电机-控制单元-逆变器的闭环控制***。
5.根据权利要求2所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制方法，其特征在于，所述控制电机电压的具体步骤如下：
所选有效相电压矢量分别为所述***三个逆变器在各相的8种基本相电压矢量(um1,um2):V0(0,0)、V1(Udc,0)、V2(Udc,Udc)、V3(0,Udc)、V4(-Udc,0)、V5(-Udc,-Udc)、V6(0,-Udc)、V7(0,0)；um1、um2分别为一号电机、二号电机的m相电压，m＝a,b,c：Udc为直流母线电压，通过有效相电压矢量将电压矢量分为六个扇区，结合各扇区的情况将调整后的基本有效相电压矢量持续时间分配给具体的桥臂，tim为逆变器i的m相桥臂上桥臂导通的持续时间，i＝0,1,2；m＝a,b,c；
1)当m相的参考相电压矢量位于扇区1时，V1、V2、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V2、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D1m+D2m+D7m；t2m＝D2m+D7m；t0m＝D7m
2)当m相的参考相电压矢量位于扇区2时，V2、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V2、V3、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D2m+D7m；t2m＝D2m+D3m+D7m；t0m＝D7m
3)当m相的参考相电压矢量位于扇区3时，V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V3、V4、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D7m；t2m＝D3m+D4m+D7m；t0m＝D4m+D7m
4)当m相的参考相电压矢量位于扇区4时，V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V4、V5、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D7m；t2m＝D4m+D7m；t0m＝D4m+D5m+D7m
5)当m相的参考相电压矢量位于扇区5时，V6、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V5、V6、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D6m+D7m；t2m＝D7m；t0m＝D5m+D6m+D7m
6)当m相的参考相电压矢量位于扇区6时，V1、V6、V7需要一号逆变器的m相上桥臂导通，V7需要二号逆变器的m相上桥臂导通，V6、V7需要零号逆变器的m相上桥臂导通，如下式所示：
t1m＝D1m+D6m+D7m；t2m＝D7m；t0m＝D6m+D7m
根据上述的结果产生驱动信号控制逆变器桥臂的开关状态，进而控制电机端电压；同时，对k+1时刻的电机运行状态进行采样，进入下一个控制循环。
6.一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***，其特征在于，所述***包含复用逆变器，复用逆变器采取共直流母线的连接方式。
7.根据权利要求7所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***，其特征在于，所述***包含两台三相开绕组永磁同步电机、三台两电平电压源型逆变器以及预测电流控制单元，三台逆变器采取共直流母线的连接方式，每台开绕组电机都从左右两端同时进行供电，一台电机的左端和另一台右端各使用一***立逆变器，两台电机的没有使用独立逆变器的一端共用一台复用逆变器。
8.根据权利要求7所述的一种基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***，其特征在于，所述控制***对直流母线电压、永磁同步电机的三相电流、转子位置角、机械旋转角速度进行采样；然后预测下一状态的电流；根据无差拍的原则推算出下一时刻状态电压参考值；构造基于相电压矢量的二维平面空间，来快速确认扇区并计算两个相邻基本有效相电压矢量和一个零相电压矢量的持续时间。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质记录有权利要求8所述的基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***。
10.一种计算执行装置，其特征在于，所述计算执行装置用于计算权利要求8所述的基于半集中式开绕组永磁同步电机***的三矢量预测电流控制***。
CN202210357802.2A 2022-04-06 2022-04-06 半集中式开绕组永磁同步电机***的预测电流控制方法 Pending CN114826043A (zh)

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