專利名稱：基于電流預(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)控制策略，特別涉及基于鎖相環(huán)(PLL)無傳感器、電流預(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法。
背景技術(shù)：
直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行效率、可靠性、并網(wǎng) 控制、故障穿越等方面相比雙饋型風(fēng)電機(jī)組具有較多優(yōu)勢，加之近年來永磁材料價格走低，使其迅速成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電機(jī)側(cè)變流器通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)能與電能能量轉(zhuǎn)換，而風(fēng)又具有“忽有忽無、隨時變化”的特點，因此如何保證機(jī)側(cè)變流器具有良好的動、靜態(tài)特性成為了永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究熱點之一；另外，永磁同步發(fā)電機(jī)常與風(fēng)力機(jī)直接相連接，其機(jī)械結(jié)構(gòu)往往使編碼器無法安裝，并且編碼器易受環(huán)境等因素影響，可靠性差。為此，簡單、可靠的無傳感器技術(shù)亦成為了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究熱點之一。鑒于結(jié)合空間矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的預(yù)測控制算法具有可實現(xiàn)電流的快速精確控制、開關(guān)頻率恒定且電流紋波較低、適于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，一些科研工作者將這種方法引用到永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，但是預(yù)測控制算法本質(zhì)上是一種基于模型的控制算法，對電機(jī)模型參數(shù)的失配比較敏感，而電機(jī)又存在精確參數(shù)不宜獲知、運行中參數(shù)易發(fā)生變化等特點，因此亟需解決預(yù)測控制算法參數(shù)魯棒性差的問題。為了達(dá)到電機(jī)控制的目的，在電機(jī)運轉(zhuǎn)過程中需實時獲知電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信息，而傳統(tǒng)的機(jī)械式編碼器存在安裝困難，編碼器易受環(huán)境因素影響，可靠性差等問題，為此，近年來無傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展。但由于不同電機(jī)、不同控制方式的電氣特性的差異，使得無傳感器技術(shù)不具有普遍適用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于電流預(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法，保證永磁同步電機(jī)在參數(shù)發(fā)生變化時還能安全、高效的運行。本發(fā)明的另一目的在于提供上述控制方法的裝置?；陔娏黝A(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法，通過脈寬調(diào)制控制電機(jī)，所述脈寬調(diào)制所需的電壓指令按照如下方式產(chǎn)生Ii ⑷=HJ 廣⑷—HJGm-/(Ar-Hl)-e(k)其中，I(k+1)= (I-D) I* (k) +D(2I(k)-I(k-l))
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nITT-Idm I s ^ = 0 LIT _qm f s _
r I p _ I — TsRs i^dm TsLqm j LdmL 」m —\_-TsL-a^L- I-TsRsILqm _
I(k)為電機(jī)在第k個采樣時刻的電流值，r(k)為電流參考指令，e(k)為反電動勢，Ldffl, Lqffl分別為交、直軸電感估計值，Ts為開關(guān)周期，Rs為定子繞組電阻，為轉(zhuǎn)子電氣角速度，D G (0，I)實現(xiàn)所述永磁同步電機(jī)控制方法的控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流預(yù)測單元、反電動勢估算單元、控制器和空間矢量調(diào)制單元，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流預(yù)測單元和反電動勢估算單元的輸出端連接控制器的輸入端，控制器的輸出端連接空間矢量調(diào)制單元和反電動勢估算單元的輸入端。本發(fā)明的效果體現(xiàn)在針對傳統(tǒng)預(yù)測控制存在對電機(jī)模型參數(shù)的失配比較敏感的問題，提出了解決方法。分析了預(yù)測控制影響系統(tǒng)穩(wěn)定的兩個因素一是電流、電壓前向假設(shè)近似的深度，二是輸出電壓<Ot)中各項權(quán)重系數(shù)。傳統(tǒng)預(yù)測控制不僅對電流進(jìn)行前向假設(shè)近似，也對輸出電壓也進(jìn)行假設(shè)近似，所以導(dǎo)致系統(tǒng)前向假設(shè)深度太深，同時控制器中前向假設(shè)電壓、電流存在迭代關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓O)中各項權(quán)重系數(shù)較大。本發(fā)明中，結(jié)合無差拍控制的思想，僅對電機(jī)電流進(jìn)行預(yù)測，且只使用一階拉格朗日插值公式，前向假 設(shè)深度較低；另外結(jié)合電流指令，對預(yù)測電流權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，也降低了輸出電壓中各項權(quán)重系數(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定型的目的。本發(fā)明既保留了傳統(tǒng)預(yù)測控制算法快速精確控制、電流紋波小及易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，又同時具備一定的算法魯棒性，能夠保證電機(jī)在全工況運行過程中安全、高效運行。另外基于PLL的鎖相技術(shù)通過結(jié)合電壓指令進(jìn)行反電動勢估算，省去了電壓霍爾及電壓信號后期處理的問題。特別的結(jié)合直驅(qū)性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點永磁同步電機(jī)在風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時才開始控制，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速基本達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的30%，電機(jī)反電動勢數(shù)值已足以保證鎖相精度，在這種工況下，結(jié)合本發(fā)明的電流預(yù)測方法可實現(xiàn)永磁同步電機(jī)無傳感器控制。


圖I為本發(fā)明控制原理圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明反電動勢估算模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明中在電機(jī)參數(shù)存在一定比例變化時鎖相結(jié)果示意圖；圖5為本發(fā)明中在電機(jī)參數(shù)存在一定比例變化時電流控制波形示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，基于該模型得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程、電壓方程、磁鏈方程、運動方程，并根據(jù)數(shù)字控制理論、無差拍控制理論得到理想條件下電機(jī)控制方程或者控制框圖?？紤]電機(jī)數(shù)字控制的實際問題系統(tǒng)存在采樣延遲，算法運算延遲，電機(jī)參數(shù)不宜精確獲得及電機(jī)運行中參數(shù)會發(fā)生變化等問題，需對理想條件下的電機(jī)控制方程進(jìn)行修正結(jié)合預(yù)測控制算法，提前一個開關(guān)周期預(yù)測電機(jī)輸出電流，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測輸出控制電壓指令，以此抵消由于系統(tǒng)采樣、運算等造成的延時；通過對預(yù)測的電機(jī)電流進(jìn)行適當(dāng)處理，進(jìn)而提高控制系統(tǒng)的魯棒性，達(dá)到控制的目的。結(jié)合電網(wǎng)電壓PLL鎖相思想，通過估測電機(jī)反電動勢，進(jìn)而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈位置，實現(xiàn)軟件辨識電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角位置信息的功能，消除機(jī)械式編碼器帶來的問題。針對反電動勢估算中，電機(jī)端口電壓難于采樣的難題，本發(fā)明使用指令電壓代替采樣電壓，該方法不僅可省去電壓霍爾等硬件成本，還免去了對采用電壓信號處理的問題。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
進(jìn)行闡述。根據(jù)永磁同步電機(jī)物理模型，列出理想條件下電機(jī)控制方程
權(quán)利要求
1.基于電流預(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法，通過脈寬調(diào)制控制電機(jī)，所述脈寬調(diào)制所需的電壓指令按照如下方式產(chǎn)生K (/,) = ·,(人:)—HJGni · I(/< +1) - e(k)其中，I(k+1) = (I-D) I* (k) +D (21 (k)-I(k-D) \ LdJTs 0_—[O Lqm jT、,_ I-TsRs I Ldm TsLqmrne j Ldm\1 …—[-TsL-a^/L- I-TsRsILqm J I (k)為電機(jī)在第k個采樣時刻的電流值，ΓΟΟ為電流參考指令，e(k)為反電動勢，Ldffl, Ltp分別為交、直軸電感估計值，Ts為開關(guān)周期，Rs為定子繞組電阻，為轉(zhuǎn)子電氣角速度，D e (O, I)。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求I所述永磁同步電機(jī)控制方法的控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流預(yù)測單元、反電動勢估算單元、控制器和空間矢量調(diào)制單元，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流預(yù)測單元和反電動勢估算單元的輸出端連接控制器的輸入端，控制器的輸出端連接空間矢量調(diào)制單元和反電動勢估算單元的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電流預(yù)測的永磁同步電機(jī)控制方法，屬于永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域。該方法主要包括改進(jìn)的電流預(yù)測步驟和與其結(jié)合的基于鎖相環(huán)思想的無傳感器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角位置辨識步驟。根據(jù)檢測到的電機(jī)定子電流與電流指令提前一個開關(guān)周期預(yù)測電機(jī)定子電流，并預(yù)測相應(yīng)的控制電壓，再根據(jù)估測的電機(jī)反電動勢辨識電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角位置信息。本發(fā)明還提供實現(xiàn)上述控制方法的控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流預(yù)測單元、反電動勢估算單元、控制器和空間矢量調(diào)制單元。本發(fā)明保證永磁同步電機(jī)在參數(shù)發(fā)生變化時還能安全、高效的運行，在永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02P21/00GK102790575SQ201210209338
公開日2012年11月21日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者豐樹帥, 康勇, 童力, 鄒旭東 申請人:華中科技大學(xué)