一种永磁同步电机相电流重构盲区的解决方法

摘要

一种永磁同步电机相电流重构盲区的解决方法，该方法中在电流重构盲区时采用模型预测模块预测的电流替代重构电流进行反馈，具有好的控制效果。没有注入额外的电压矢量，系统的稳定性得到了保障，利用单电流传感器进行相电流的重构，降低了控制系统的成本，减小了控制系统的体积，避免了电流传感器之间的差异带来的测量误差。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术技术领域，尤其是涉及基于母线电流传感器实现的相电流重构盲区的解决方法。

背景技术

目前永磁同步电机控制较为成熟的方法是矢量控制和直接转矩控制，这些控制方法都依赖于采集电机的三相电流进行反馈来形成闭环，因此三相电流的准确采集对于这些控制策略来说尤为重要。传统的三相电流信息获取主要通过2至4个电流传感器来完成，直接采集定子的两相或三相电流实现控制。然而，实现上述电流信息采集的高精度电流传感器大多较为昂贵，从而大大增加了电机控制系统的成本，也增加了电控系统的体积，而不同传感器之间存在的直流偏置差异或电流增益差异，也给整个系统带来转矩波动的增加，进一步限制了系统性能的提升。采用单电流传感器能够有效避免这些问题，但由于单电流传感器进行相电流重构时会存在盲区，因此在最初的相电流重构技术中，输出电压矢量幅值过低或者靠近扇区边界时，重构就无法实现。目前已经提出了一些解决盲区的方法，比如测量矢量插入法、脉冲移位法、三态脉宽调制技术和混合脉宽调制技术，但仍存在需要额外的电压矢量注入等较为复杂的步骤，无法确保系统的稳定性。

发明内容

有鉴于此，针对永磁同步电机母线电流传感器进行相电流重构存在的盲区问题，本发明提供了一种永磁同步电机相电流重构盲区的解决方法，具体包括以下步骤：

步骤一、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的简化数学模型；

步骤二、对于某个k时刻，基于改进无差拍预测控制方法预测下一时刻即k+1时刻的d、q轴电流；

根据母线电流传感器相电流重构原理建立相电流重构模块，预测相电流并转换为d-q坐标系下的电流，对k+1时刻的d、q轴电流预测实现反馈控制；

步骤三、基于传统未经改进的无差拍预测控制方法建立模型预测模块预测重构相电流；

步骤四、根据最小采样时间，在传统相电流重构方法进入重构盲区时，用所述模型预测模块预测的电流替代重构的三相电流，从而选择最优的重构相电流进行反馈，实现基于传统无差拍预测控制的控制。

进一步地，所述步骤一中建立永磁同步电机在d-q坐标系下的简化数学模型基于以下假设：

(1)永磁同步电机的磁路特性为线性，没有磁滞、磁饱和现象；

(2)定子三相绕组参数值相同，角度相隔120°，且在气隙中形成的磁场为正弦分布；

(3)定子绕组和转子永磁体间形成的气隙均匀分布；

永磁同步电机采用表贴式结构，具体数学模型为：

u

u

ψ

ψ

T

式中，u

进一步地，所述步骤二具体包括：

首先，选取k时刻作为当前时刻，基于改进无差拍预测控制方法预测k+1时刻的电流：

i

i

i

i

式中，i

根据母线电流传感器相电流重构原理预测相电流，主要基于逆变器开关状态得到的母线电流和三相电流的关系，采用SVPWM七段式调制模式，在一个开关周期前半个周期内不同电压矢量作用时刻采集两次母线电流，并根据三相电流之和为0的关系，得到全部三个相电流信息。

进一步地，所述步骤三具体包括：

首先，选取k时刻作为当前时刻，基于传统无差拍预测控制方法预测k+1时刻的电流：

i

i

u

u

式中，u

然后根据模型预测方法建立模型预测模块预测d、q轴电流：

i

i

i

i

根据k-1时刻作用于电机的电压矢量u(k-1)和k-1时刻电流值i(k-1)，预测k时刻的d、q轴电流值，作为重构盲区的反馈电流值。

进一步地，所述步骤四具体包括：

理想情况下，电流的采样可以瞬时完成，即使基本电压矢量作用的时间很短也可以采集到相应的相电流信息，但在实际的电路中，存在着死区时间，功率器件的通断延迟，AD转换器的最小采样保持时间等非理想因素，这些非理想因素的存在会导致基本电压矢量作用时间很短时，无法完成相电流的重构。

由于最小采样时间的存在，基于无差拍预测控制的传统相电流重构策略无法达到很好的控制效果，因此在传统相电流重构策略的基础上提出了一种改进方法：当传统相电流重构方法进入重构盲区时，用模型预测模块预测的电流替代重构的三相电流基于传统无差拍预测控制进行控制，可以实现相电流重构的区域，采用重构的相电流基于改进无差拍预测控制进行反馈控制，总体实现良好的控制效果。

上述本发明中在电流重构盲区时采用模型预测模块预测的电流替代重构电流进行反馈，得到了很好的控制效果。没有注入额外的电压矢量，系统的稳定性得到了保障。可见，本发明的方法与现有技术相比至少具有以下有益效果：

(1)该方法利用单电流传感器进行相电流的重构，降低了控制系统的成本，减小了控制系统的体积，避免了电流传感器之间的差异带来的测量误差。

(2)该方法提出的盲区解决方案没有注入额外电压矢量，保证了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供方法对应的系统模型框图；

图2为基于本发明提供方法得到的永磁同步电机控制特性曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种永磁同步电机相电流重构盲区的解决方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的简化数学模型；

步骤二、对于某个k时刻，基于改进无差拍预测控制方法预测下一时刻即k+1时刻的d、q轴电流；

根据母线电流传感器相电流重构原理建立相电流重构模块，预测相电流并对转换为d-q坐标系下的电流，对k+1时刻的d、q轴电流预测实现反馈控制；

步骤三、基于传统未经改进的无差拍预测控制方法建立模型预测模块预测重构相电流；

步骤四、根据最小采样时间，在传统相电流重构方法进入重构盲区时，用所述模型预测模块预测的电流替代重构的三相电流，从而选择最优的重构相电流进行反馈，实现基于传统无差拍预测控制的控制。

进一步地，所述步骤一中建立永磁同步电机在d-q坐标系下的简化数学模型基于以下假设：

(1)永磁同步电机的磁路特性为线性，没有磁滞、磁饱和现象；

(2)定子三相绕组参数值相同，角度相隔120°，且在气隙中形成的磁场为正弦分布；

(3)定子绕组和转子永磁体间形成的气隙均匀分布；

永磁同步电机采用表贴式结构，具体数学模型为：

u

u

ψ

ψ

T

式中，u

所述步骤二具体包括：

首先，选取k时刻作为当前时刻，基于改进无差拍预测控制方法预测k+1时刻的电流：

i

i

i

i

式中，i

根据母线电流传感器相电流重构原理预测相电流，主要基于如下表所示的逆变器开关状态得到的母线电流和三相电流的关系：

表1开关状态、母线电流、三相电流之间关系

S

所述步骤三具体包括：

首先，选取k时刻作为当前时刻，基于传统无差拍预测控制方法预测k+1时刻的电流：

i

i

u

u

式中，u

然后根据模型预测方法建立模型预测模块预测d、q轴电流：

i

i

i

i

根据k-1时刻作用于电机的电压矢量u(k-1)和k-1时刻电流值i(k-1)，预测k时刻的d、q轴电流值，作为重构盲区的反馈电流值。

在采用上述发明所提供方法的一个实例中，额定电压U给定为310V，定子每相绕组R

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。