[发明专利]一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法

摘要

本发明公开了一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，实现了混合励磁同步电机直接功率控制，通过控制策略计算d轴参考电流i_dref、q轴参考电流i_qref、励磁参考电流i_fref，得到定子磁链给定值；基于瞬时功率预测模型、参考电流及定子磁链给定值和估算值，有效控制电机瞬时有功与无功功率。本发明提出的控制方法有效提高了控制系统效率与功率因数，实现了节能控制；转矩和转速动态响应更快；减少了系统可调参数，磁链与转矩波动更小，抗扰动能力更强，鲁棒性更好；充分发挥了混合励磁同步电机低速大转矩和宽调速的优点，实现了混合励磁同步电机的高效增磁与弱磁控制，对推动混合励磁同步电机在电动汽车中的应用具有一定的价值。

主权项

1.一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：从混合励磁同步电机的主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f、母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护的信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θ_r；步骤2：将采集的相电流i_a、i_b经步骤1所述的信号调理和A/D转换，经过abc三相静止坐标系到αβ坐标变换得到两相静止参考αβ坐标系下的α轴电流i_α和β轴电流i_β；利用步骤1得到的直流母线电压U_dc和逆变器开关状态S_a、S_b、S_c计算两相静止参考αβ坐标系的α轴电压u_α和β轴电压u_β；利用u_α、u_β与i_α、i_β计算定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|、磁链位置角θ_s；计算定子磁链ψ_s的幅值、磁链位置角θ_s具体步骤为：三相静止abc参考坐标系到两相静止αβ参考坐标系变换为：式中，i_α、i_β分别为定子电流在αβ参考坐标系中α轴和β轴的分量，i_a、i_b、i_c分别三相静止abc参考坐标系中的a相电流，b相电流，c相电流，两相静止αβ参考坐标系中α轴电压u_α和β轴电压u_β为：式中，S_a、S_b、S_c分别为三相逆变桥臂a、b、c功率开关器件的开关状态，上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时，值为0，混合励磁同步电机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，定子电压空间矢量u_s与定子磁链空间矢量ψ_s关系为：式中，R_s为电枢绕组电阻，i_s为定子电流空间矢量，t为时间，将(3)式进行abc到αβ坐标变换，得到电机在两相静止αβ参考坐标系中α轴定子磁链ψ_α和β轴定子磁链ψ_β：定子磁链幅值|ψ_s|和磁链位置角θ_s分别为：步骤3：将步骤1得到的转速n与给定转速n_ref做差比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn经过速度调节器后得到电磁转矩参考值T_eref；将T_eref和步骤1得到的转速n在两相旋转dq坐标系中进行运算获得d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref；计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref的具体步骤为：混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：磁链方程：电压方程：电磁转矩方程：其中，ψ_d、ψ_q、ψ_m、ψ_f分别为d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链，L_d、L_q、L_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d、i_q、i_f分别为d轴、q轴与励磁电流，ω_e为电角速度；u_d、u_q、u_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，U_dc为直流母线电压，混合励磁同步电机可运行于低速区或高速区：当混合励磁同步电机运行于低速区时，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref；令d轴电流i_d＝0，式(8)简化为：电机运行在轻载或额定负载及以下时，无需增磁控制，励磁电流i_f＝0，结合式(9)计算得到如下参考电流：电机运行在起动或重载状态时，利用励磁电流i_f进行增磁控制，结合式(9)计算得到如下参考电流：其中，i_sN为电枢额定电流，当混合励磁同步电机运行于高速区时，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref；混合励磁同步电机电压和电流极限方程为：稳态下忽略电阻压降，将式(7)简化为：将式(13)代入式(12)，得到电压极限方程为：协调d轴电流i_d和励磁电流i_f共同弱磁，具体分为两个弱磁运行状态：电机运行在第一个弱磁状态时，保持d轴电流i_d＝0，采用励磁电流i_f弱磁，在满足给定转速和转矩的条件下，根据式(8)和式(14)，计算得到如下参考电流：第二个弱磁运行状态是指励磁电流i_f达到负的额定值‑i_fN后，要继续提升转速，则在i_f弱磁的基础上，采用d轴电流i_d弱磁，使混合励磁同步电机运行在宽调速区域，根据式(8)和式(14)，计算得到如下参考电流：其中，i_fN是额定励磁电流；步骤4：利用步骤3得到的d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref计算定子磁链参考值ψ_sref；计算定子磁链参考值ψ_sref的具体步骤为：由混合励磁同步电机磁链方程得定子磁链参考值ψ_sref为：将步骤3中得到的参考电流值i_dref、i_qref、i_fref代入(17)式得到定子磁链参考值ψ_sref；步骤5：将步骤3得到的d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref经过dq坐标到xy坐标变换得到x轴电流参考值i_xref、y轴电流参考值i_yref；将步骤2得到的定子磁链幅值|ψ_s|经过αβ坐标到xy坐标变换得到xy坐标系下定子磁链的幅值|ψ_x|；利用i_xref、i_yref、|ψ_x|和步骤4得到的定子磁链参考值ψ_sref计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值P_xyref和无功功率参考值Q_xyref；计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值P_xyref和无功功率参考值Q_xyref具体步骤为：根据瞬时无功功率理论，xy参考坐标系下瞬时有功功率P_xy和无功功率Q_xy表达式为其中，u_x、u_y分别为xy坐标系下x轴、y轴的电压，i_x、i_y为分别为xy坐标系下x轴、y轴的电流，采用欧拉法离散化(20)式得到k+1时刻的瞬时有功功率P_xy(k+1)和无功功率Q_xy(k+1)表达式为其中，i_x(k+1)、i_y(k+1)分别为k+1时刻xy坐标系下x轴、y轴的电流，u_x(k+1)、u_y(k+1)分别为定子电压x轴分量、y轴分量，ψ_x、ψ_y分别为定子磁链ψ_S在xy坐标系的x轴、y轴分量，与定子磁链幅值|ψ_s|的关系为将上式(22)代入混合励磁电压方程经xy坐标系到αβ坐标变换后的方程中得xy坐标系下定子电压方程为采用欧拉法离散化式(23)得到k+1时刻的定子电压x轴分量u_x(k+1)、y轴分量u_y(k+1)表达式为式中，T_s为采样时间；ψ_x(k)、ψ_x(k+1)分别为k和k+1时刻x轴定子磁链，将式(24)代入离散后的瞬时有功功率Px_y(k+1)和无功功率Q_xy(k+1)表达式(21)中得构造价值函数g：g＝|P_xy(k+1)‑P_xyref|+|Q_xy(k+1)‑Q_xyref|     (26)为使价值函数最小化，理想的情况为通过闭环调节使k+1时刻的x轴电流、y轴电流和x轴磁链不断趋近于各自的参考值，则式(25)简化为得到瞬时有功功率参考值P_xyref和无功功率参考值Q_xyref为其中，i_xref、i_yref分别代表xy坐标系下x轴、y轴的参考电流，ψ_xref为xy坐标系下x轴定子磁链参考值；步骤6：利用步骤5得到的瞬时有功功率P_xyref、无功功率Q_xyref和步骤2得到的α轴电流i_α、β轴电流i_β分别计算α轴的开关电压矢量参考值u_αref和β轴的开关电压矢量参考值u_βref；计算开关电压矢量参考值u_αref和u_βref的具体步骤为：由于有功功率和无功功率为标量，则有式中，P_αβ(k+1)、Q_αβ(k+1)分别为αβ坐标系下k+1时刻的瞬时有功功率和无功功率，由瞬时无功功率理论知，αβ坐标系下的瞬时有功功率P_αβ和无功功率Q_αβ表达式为设定定子电流是恒定的，将式(31)离散化得式中，u_α(k+1)、u_β(k+1)分别代表k+1时刻开关电压矢量参考值u_αref和u_βref，将式(27)、式(30)代入式(32)得开关电压矢量参考值u_αref和u_βref为步骤7：将步骤6得到的开关电压矢量参考值u_αref、u_βref和步骤1得到的直流母线电压U_dc经过空间矢量脉冲宽度调制后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1得到的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后与步骤3得到的励磁电流参考值i_fref一起经过直流励磁脉宽调制后，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。