一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法，其包括以下步驟：（1）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機的定子d軸、q軸電壓方程；（2）根據(jù)步驟（1）中的定子q軸電壓方程，在當(dāng)前周期和上一周期內(nèi)分別建立永磁同步電機的離散電壓方程；（3）忽略與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓項的變化，將永磁同步電機的離散電壓方程相減，得到永磁同步電機的電流增量公式；（4）根據(jù)永磁同步電機的傳遞函數(shù)以及永磁同步電機的電流增量式，得到電流預(yù)測值與當(dāng)前周期的電流檢測值之間的脈沖傳遞函數(shù)；（5）根據(jù)脈沖傳遞函數(shù)以及傳統(tǒng)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的脈沖傳遞函數(shù)、永磁同步電機的傳遞函數(shù)得到采用電流增量預(yù)測算法的q軸電流環(huán)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。本發(fā)明可以廣泛在永磁同步電機伺服控制領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利說明】一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及永磁同步電機伺服控制領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟,永磁同步電機向大功率化、高性能和微型化發(fā)展。由于采用永磁體提供氣隙磁通，永磁同步電機均具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等優(yōu)點，在高性能伺服控制等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。高性能伺服應(yīng)用場合一般要求有快速的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以保證整個系統(tǒng)的高動態(tài)性能。提高開關(guān)器件斬波頻率是一種提升電流環(huán)動態(tài)性能的直接有效的方法，但斬波頻率的提高受到器件以及效率等因素的制約。
[0003]數(shù)字控制方式存在采樣、計算、占空比更新等環(huán)節(jié)，使得逆變器出現(xiàn)最大占空比受到限制的問題。實際應(yīng)用中常用的解決方案是采用滯后一拍的控制方式。這種方式造成控制量施加的延時，容易出現(xiàn)超調(diào)等現(xiàn)象，是限制電流環(huán)調(diào)節(jié)器動態(tài)性能提高的主要原因之一。當(dāng)前很多方法專注于研究在反饋通道上消除一拍滯后延時。比較直接的辦法是采取措施提前預(yù)測下一拍電流值，相當(dāng)于在反饋通道上將調(diào)節(jié)器輸入提前了一拍，可以消除前向通道上存在的一拍滯后延時。如果預(yù)測能成功實現(xiàn)，可以對電流控制效果的提升產(chǎn)生有利的作用。然而，預(yù)測的實現(xiàn)通常需要使用到電機精確的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，而且一般需要大量的計算量。實際應(yīng)用場合中，這往往是難以做到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠消除數(shù)字控制一拍滯后延時的永磁同步電機電流增量預(yù)測算法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法，其包括以下步驟:1)設(shè)置一包括位置傳感器、永磁同步電機、轉(zhuǎn)速計算模塊、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流傳感器、求和模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、SVPWM模塊、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器和逆變器的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，其中SVPWM模塊為空間矢量脈寬調(diào)制模塊；2)電流傳感器將檢測到的永磁同步電機三相定子電流ia、ib和i。輸入至坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，對其進行三相/兩相坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量ia、ie ;3)在坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，根據(jù)接收到的永磁同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度Θ，對兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量ia、ie再進行靜止-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電流檢測值id、iq;4)永磁同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度Θ輸入至轉(zhuǎn)速計算模塊內(nèi)，對電角度Θ進行微分，得到轉(zhuǎn)速反饋值ω ;5)將步驟4)得到的轉(zhuǎn)速反饋值ω與預(yù)先給定的轉(zhuǎn)速指令值ω*
作為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過運算處理得到電流指令值6)由步驟5)得到的電流指令值h預(yù)先給定的電流指令值纟分別與電流檢測值i,、id比較，比較值分別作為q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過運算處理分別得到q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、
d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出參考電壓〃 q、<;7)參考電壓<、《丨和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度
Θ輸入到SVPWM模塊，SVPWM模塊計算出三相PWM占空比，并將輸出的相應(yīng)的三相PWM波形輸入到逆變器，由逆變器輸出三相電壓驅(qū)動永磁同步電機工作。
[0006]所述步驟6)中，所述電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)處理方法如下:(I)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機的定子d軸、q軸電壓方程為:ud=Rid+Lddid/dt_CoLqiq, uq=Riq+Lqdiq/dt+coLdid+co ￥f,其中ud、uq分別為定子d、q軸電壓，id、i,分別為定子d、q軸電流，R為定子電阻，Ld、Lq分別為定子d、q軸電感，11^為永磁體磁鏈，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；(2)根據(jù)步驟(1)中的定子q軸電壓方程，在當(dāng)前周期(k)Ts和上一周期(k_l)Ts內(nèi)分別建立永磁同步電機的離散電壓方程:
[0007]uq (k) =Re (iq (k) +ipre (k+1)) /2+Le (ipre (k+1) _iq (k)) /Ts+ ω (Ldid+ ψf)，
[0008]uq (k-1) =R (iq (k) +iq (k_l)) /2+Lq (iq (k) _iq (k-1)) /Ts+ ω (Ldid+ ψf),
[0009]其中ipM(k+l)為當(dāng)前周期內(nèi)對下一周期開始時刻q軸電流的電流預(yù)測值，iq(k)為當(dāng)前周期的電流檢測值，iq(k-l)上一周期永磁同步電機定子q軸電流檢測值，Ts為控制周期，u,(k)為當(dāng)前周期定子q軸電壓，u,(k-Ι)為上一周期定子q軸電壓，Re、Le分別為對永磁同步電機定子電阻R、定子q軸電感Lq的估計值；(3)忽略與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓項的變化，將永磁同步電機的離散電壓方程相減，得到永磁同步電機的電流增量公式:
【權(quán)利要求】
1.一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法，其包括以下步驟: 1)設(shè)置一包括位置傳感器、永磁同步電機、轉(zhuǎn)速計算模塊、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流傳感器、求和模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、SVPWM模塊、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器和逆變器的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，其中SVPWM模塊為空間矢量脈寬調(diào)制模塊； 2)電流傳感器將檢測到的永磁同步電機三相定子電流i。輸入至坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，對其進行三相/兩相坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量ia、ie ; 3)在坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，根據(jù)接收到的永磁同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度Θ，對兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量匕、ie再進行靜止-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電流檢測值id、iq ; 4)永磁同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度Θ輸入至轉(zhuǎn)速計算模塊內(nèi)，對電角度Θ進行微分，得到轉(zhuǎn)速反饋值ω ； 5)將步驟4)得到的轉(zhuǎn)速反饋值ω與預(yù)先給定的轉(zhuǎn)速指令值ωΜ乍為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過運算處理得到電流指令值< ; 6)由步驟5)得到的電流指令值<、預(yù)先給定的電流指令值?分別與電流檢測值i,、id比較，比較值分別作為q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過運算處理分別得到q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出參考電壓<、u*d ; 7)參考電壓<、《丨和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的電角度Θ輸入到SVPWM模塊，SVPWM模塊計算出三相PWM占空比，并將輸出的相應(yīng)的三相PWM波形輸入到逆變器，由逆變器輸出三相電壓驅(qū)動永磁同步電機工作。
2.如權(quán)利要求1所述的一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法，其特征在于:所述步驟6)中，所述電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)處理方法如下:(I)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機的定子d軸、q軸電壓方程為:
ud=Rid+Lddid/dt-CoLqiq,
uq=Riq+Lqdiq/dt+ ωLdid+ ω 其中ud、uq分別為定子d、q軸電壓，id、iq分別為定子d、q軸電流，R為定子電阻，Ld>Ltl分別為定子d、q軸電感，Vf為永磁體磁鏈，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； (2)根據(jù)步驟(1)中的定子q軸電壓方程，在當(dāng)前周期(k)Ts和上一周期(k_l)Ts內(nèi)分別建立永磁同步電機的離散電壓方程:
uq (k) =Re (iq (k) +ipre (k+1)) /2+Le (ipre (k+1) _iq (k)) Ts+ ω (Ldid+ ψf)，
uq(k-1) =R(iq(k) +iq(k_l))/2+Lq(iq(k)_iq(k_l))/Ts+ ω (Ldid+ ψf), 其中ipM(k+l)為當(dāng)前周期內(nèi) 對下一周期開始時刻q軸電流的電流預(yù)測值，iq(k)為當(dāng)前周期的電流檢測值，i,(k-Ι)上一周期永磁同步電機定子q軸電流檢測值，TS為控制周期，Uq(k)為當(dāng)前周期定子q軸電壓，Uq(k-Ι)為上一周期定子q軸電壓，Re、Le分別為對永磁同步電機定子電阻R、定子q軸電感Lq的估計值； (3 )忽略與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓項的變化，將永磁同步電機的離散電壓方程相減，得到永磁同步電機的電流增量公式:
3.如權(quán)利要求2所述的一種永磁同步電機電流增量預(yù)測算法，其特征在于:所述步驟(5)中，所述電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)設(shè)置為:

【文檔編號】H02P21/14GK103516284SQ201310461222
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】肖曦, 王偉華, 丁有爽 申請人:清華大學(xué)