本發(fā)明涉及一種提高小容量直流母線電容電壓暫態(tài)穩(wěn)定性的永磁同步電機控制算法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機具有損耗小、效率高、高功率密度以及高可靠性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于家用電器中，永磁同步電機的驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路主要由整流二極管、功率因數(shù)校正電路以及三相電壓型逆變器構(gòu)成，該控制系統(tǒng)需要儲能電感、電解質(zhì)電容，大大增加了驅(qū)動系統(tǒng)的體積，電解質(zhì)電容壽命容易隨著周圍環(huán)境溫度的升高而降低，嚴(yán)重制約整個系統(tǒng)的可靠性，而且開關(guān)管的損耗較大，整個系統(tǒng)的利用效率低。

傳統(tǒng)的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)因為儲能元件的存在而出現(xiàn)諸多問題，有專家學(xué)者提出一種只用電解質(zhì)電容代替功率校正電路的方法，電解質(zhì)電容能夠提供穩(wěn)定的直流母線電壓，但仍受電解質(zhì)電容壽命短以及電容體積大的制約，以及二極管導(dǎo)通角度小，電網(wǎng)輸入電流畸變率高，造成電網(wǎng)諧波污染，第二種方法是在電路中用開關(guān)器件代替原來的不可控整流二極管，這種方法不僅降低電網(wǎng)輸入電流的畸變率，且直流母線電壓平穩(wěn)，有效的提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，但是開關(guān)管損耗較大，整個控制系統(tǒng)效率不高，因此這種方法的應(yīng)用也受到制約。針對以上出現(xiàn)的問題，有學(xué)者提出了用小容量的薄膜電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率校正電路。小容量的電容儲能少，直流母線電壓不穩(wěn)定，波動很大，在電機轉(zhuǎn)速高電網(wǎng)電壓瞬時值低的情況下，電機的反電動勢會抬高電容上的電壓，此時電容上電壓高于電網(wǎng)電壓的絕對值，整流二極管關(guān)斷，電網(wǎng)輸入電流的畸變率變大，造成電網(wǎng)諧波污染，且整個系統(tǒng)功率因數(shù)低，因此，對于直流母線電壓的控制成了降低電網(wǎng)輸入電流畸變率的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種提高小容量直流母線電容電壓暫態(tài)的穩(wěn)定性的永磁同步電機控制算法，提高直流母線電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變率。

技術(shù)方案：一種提高小容量直流母線電容電壓暫態(tài)穩(wěn)定性的永磁同步電機控制算法，包括以下步驟：

(1)，通過編碼器或者霍爾位置傳感器得出當(dāng)前的電機轉(zhuǎn)子位置角θ，并計算電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω；再將電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω通過負(fù)反饋，與給定轉(zhuǎn)速ω^*構(gòu)成轉(zhuǎn)速外環(huán)，二者相減得到轉(zhuǎn)速偏差信號Δω，該轉(zhuǎn)速偏差信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)器后的輸出信號作為電機轉(zhuǎn)矩給定值T^**；

(2)，將步驟(1)中的電機轉(zhuǎn)矩給定值T^**經(jīng)過低通濾波器或進(jìn)行傅里葉分解，得到轉(zhuǎn)矩給定值T^**的直流分量作為轉(zhuǎn)矩給定值T^*；將電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω、直流母線電壓V_dc、電網(wǎng)實時電壓V_s、電網(wǎng)電流幅值I_in以及小容量薄膜電容電流的幅值I_dc輸入到交直軸參考電流發(fā)生器，所述交直軸參考電流發(fā)生器包括最大轉(zhuǎn)矩電流比模塊，得出弱磁控制下的交軸參考電流的直流分量以及直軸參考電流的直流分量交軸電流給定值為其中θ_grid為電網(wǎng)電壓相角，θ_q為交軸參考電流修正角度，θ_q根據(jù)下式得到：直流母線電壓V_dc與電網(wǎng)電壓絕對值|V_s|做差值計算得到Δv，Δv經(jīng)過查找表方式到電機的直軸電流給定調(diào)整系數(shù)k，系數(shù)k值由實驗對其進(jìn)行不斷的修正，電機的直軸電流給定值為

(3)，利用電流互感器采集逆變器的相電流i_a和i_b，經(jīng)abc/αβ變換得到在兩相靜止坐標(biāo)系下的α、β軸電流i_α與i_β，再經(jīng)αβ/dq變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流i_q和直軸電流i_d；將所述交軸電流i_q與步驟(2)得到交軸電流給定值比較后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得到交軸參考電壓將所述直軸電流i_d和步驟(2)得到的直軸電流給定值比較后，再經(jīng)電流調(diào)節(jié)器得到直軸參考電壓

(4)，將步驟(3)中得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電壓信號和直軸電壓信號輸入到前饋解耦控制器中，根據(jù)公式得到交軸參考電壓根據(jù)公式得到直軸參考電壓其中，ω_re為電機當(dāng)前的角速度，L_d為同步坐標(biāo)系下電機直軸電感，L_q為同步坐標(biāo)系下電機交軸電感，ψ_a為電機永磁磁鏈；

(5)，將得到的交軸參考電壓信號和直軸參考電壓信號以及電機當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ信號輸給dq/αβ單元，輸出兩相靜止坐標(biāo)系下αβ軸兩相電壓信號和將兩相電壓信號和以及直流母線電壓V_dc輸入到SVPWM單元中，SVPWM給出六路脈沖調(diào)制信號來控制三相電壓型逆變器功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

進(jìn)一步的，所述速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器或滑模調(diào)節(jié)器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器；所述電流調(diào)節(jié)器采用內(nèi)?？刂破骰蛘咧貜?fù)控制器或者PR調(diào)節(jié)器。

有益效果：在使用小容量薄膜電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)整流逆變電路中的PFC電路時，由于薄膜電容容值小，儲能少，因此直流母線電壓易受電機的反電動勢的影響，可能會出現(xiàn)直流母線電壓高于電網(wǎng)電壓絕對值的情況，降低電網(wǎng)輸入電流的畸變率，針對此問題，本發(fā)明旨在提高不同工況下的直流母線電壓暫態(tài)穩(wěn)定性，具有以下優(yōu)點：

1.系統(tǒng)根據(jù)直流母線電壓與電網(wǎng)電壓絕對值的差值自動調(diào)整電機的直軸電流給定分量，提高直流母線電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)輸入電流的畸變率；

2.系統(tǒng)中加入直流母線電壓的前饋補償作用，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3.系統(tǒng)中的電流控制器采用內(nèi)?？刂破骰蛑貜?fù)控制器或PR控制器，提高整個系統(tǒng)對于周期性信號的跟隨；

4.使用小容量薄膜電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率校正電路，縮小了整個系統(tǒng)的體積，降低了系統(tǒng)成本；

附圖說明

圖1為系統(tǒng)整體控制方法框圖；

圖2為交直軸電流給定值產(chǎn)生框圖；

圖3為電機工作在負(fù)載1N*m時的直流母線電壓仿真波形；

圖4為電機工作在負(fù)載1N*m時的輸入電壓和輸入電流仿真波形；

圖5為電機工作在負(fù)載1N*m時的輸入電流FFT分析；

圖6為電機的轉(zhuǎn)速仿真波形；

圖7為電機的轉(zhuǎn)速誤差波形；

圖8為本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，一種提高小容量直流母線電容電壓暫態(tài)穩(wěn)定性的永磁同步電機控制算法，包括以下步驟：

(1)，通過編碼器或者霍爾位置傳感器得出當(dāng)前的電機轉(zhuǎn)子位置角θ，并計算電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω。再將電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω通過負(fù)反饋，與給定轉(zhuǎn)速ω^*構(gòu)成轉(zhuǎn)速外環(huán)，二者相減得到轉(zhuǎn)速偏差信號Δω，該轉(zhuǎn)速偏差信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)器后的輸出信號作為電機轉(zhuǎn)矩給定值T^**。

(2)，將步驟(1)中的電機轉(zhuǎn)矩給定值T^**經(jīng)過低通濾波器或進(jìn)行傅里葉分解，得到轉(zhuǎn)矩給定值T^**，轉(zhuǎn)矩給定值T^**經(jīng)過低通濾波器后得到直流分量作為轉(zhuǎn)矩給定值T^*。將電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω、直流母線電壓V_dc、電網(wǎng)實時電壓V_s、電網(wǎng)電流幅值I_in以及小容量薄膜電容電流的幅值I_dc輸入到交直軸參考電流發(fā)生器，交直軸參考電流發(fā)生器包括最大轉(zhuǎn)矩電流比模塊，得出弱磁控制下的交軸參考電流的直流分量以及直軸參考電流的直流分量因直流母線電壓頻率為電網(wǎng)頻率的兩倍，所以交軸電流給定值為其中θ_grid為電網(wǎng)電壓相角，θ_q交軸參考電流偏移角度，θ_q根據(jù)下式得到：θ_q由電容電流的幅值以及電網(wǎng)電流的幅值決定。直流母線電壓V_dc與電網(wǎng)電壓絕對值|V_s|做差值計算得到Δv，Δv經(jīng)過查找表方式到電機的直軸電流給定調(diào)整系數(shù)k，系數(shù)k值由實驗對其進(jìn)行不斷的修正，電機的直軸電流給定值為如圖2所示，圖中PLL為鎖相環(huán)用于取電網(wǎng)電壓相角θ_grid。

(3)，利用電流互感器采集逆變器的相電流i_a和i_b，經(jīng)abc/αβ變換得到在兩相靜止坐標(biāo)系下的α、β軸電流i_α與i_β，再經(jīng)αβ/dq變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流i_q和直軸電流i_d。將交軸電流i_q與步驟(2)得到交軸電流給定值比較后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得到交軸參考電壓將直軸電流i_d和步驟(2)得到的直軸電流給定值比較后，再經(jīng)電流調(diào)節(jié)器得到直軸參考電壓

(4)，將步驟(3)中得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電壓信號和直軸電壓信號輸入到前饋解耦控制器中，根據(jù)公式得到交軸參考電壓根據(jù)公式得到直軸參考電壓其中，ω_re為電機當(dāng)前的角速度，L_d為同步坐標(biāo)系下電機直軸電感，L_q為同步坐標(biāo)系下電機交軸電感，ψ_a為電機永磁磁鏈；

(5)，將得到的交軸參考電壓信號和直軸參考電壓信號以及電機當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ信號輸給dq/αβ單元，輸出兩相靜止坐標(biāo)系下αβ軸兩相電壓信號和將兩相電壓信號和以及直流母線電壓V_dc輸入到SVPWM單元中，SVPWM給出六路脈沖調(diào)制信號來控制三相電壓型逆變器功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

其中，速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器或滑模調(diào)節(jié)器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器；所述電流調(diào)節(jié)器采用內(nèi)?？刂破骰蛘咧貜?fù)控制器或者PR調(diào)節(jié)器。

根據(jù)以上所述的步驟，利用MATLAB/Simulink仿真平臺，搭建該仿真模型，并針對系統(tǒng)當(dāng)t＝0.2s時突加負(fù)載1N*m時進(jìn)行仿真，得出相應(yīng)的仿真波形。圖3為永磁同步電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時的直流母線電壓V_dc波形，直流母線電壓緊緊跟隨電壓給定值，實現(xiàn)直流母線電壓暫態(tài)穩(wěn)定性，圖4為電網(wǎng)輸入電壓波形以及電網(wǎng)輸入電流波形，電壓與電流的基本實現(xiàn)同相位，實現(xiàn)了高輸入功率因數(shù)，圖5為電網(wǎng)輸入電流的FFT分析，可以看出，電網(wǎng)輸入電流的畸變率為19.90％，證明這種控制方法有效的降低了電網(wǎng)輸入電流的畸變率，圖6為電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速波形，圖7為電機轉(zhuǎn)速誤差波形，從圖中可以看出轉(zhuǎn)速誤差在±20r/min之內(nèi)。

上述算法的微機控制PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，整個調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路由內(nèi)嵌式永磁同步電機、逆變器、小容量的薄膜電容與二極管整流器構(gòu)成，電機的實時轉(zhuǎn)速由IPMSM自帶的FBS檢測，經(jīng)過脈沖整形，通過單片機的數(shù)字測速模塊給中央處理器，電機的給定速度由鍵盤給出，通過單片機的I/O模塊給中央處理器，利用電機的實時速度與給定速度的差值，經(jīng)過一個PI環(huán)節(jié)，得出電機的輸出額定轉(zhuǎn)矩幅值，通過低通濾波器得到給定轉(zhuǎn)矩的平均值，根據(jù)弱磁控制的思想，給出對應(yīng)最優(yōu)的電機的交直軸參考電流平均值，檢測電網(wǎng)電壓以及直流母線電壓，輸出與兩電壓差值對應(yīng)的直軸電流調(diào)整系數(shù)，該系數(shù)乘以之前得到直軸電流直流分量作為直軸電流給定值，交軸電流直流分量乘以電網(wǎng)兩倍頻的正弦函數(shù)得到交軸電流給定值，通過電流互感器實時測得電機三相相電流，經(jīng)過單片機的A/D模塊，將電機的相電流的實時數(shù)據(jù)輸送給中央處理器，經(jīng)過Clarke變化，將三相靜止坐標(biāo)系上的三相電流轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系上的αβ軸電流i_α與i_β，再經(jīng)過一個Park變換，將兩相靜止坐標(biāo)系下的αβ軸電流i_α與i_β變換為同步旋轉(zhuǎn)速度下的dq軸下的交直軸電流，與上述給定的交直軸參考電流構(gòu)成反饋閉環(huán)，二者相減的信號再經(jīng)過一個內(nèi)?？刂破骰蛑貜?fù)控制器或PR控制器，再經(jīng)過電壓的前饋補償，得到電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直軸參考電壓，經(jīng)過Clarke逆變換，將所得在兩相靜止坐標(biāo)系下的αβ軸電壓u_α與u_β信號給到SVPWM模塊，SVPWM給出六路PWM波，六路PWM波經(jīng)過光耦隔離電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路，控制逆變器的功率管的開通與關(guān)斷，帶動電機旋轉(zhuǎn)。

為防止電路過壓過流以及整個系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重?zé)龤到y(tǒng)，系統(tǒng)中加入電壓過壓保護(hù)電路、電路過流保護(hù)電路以及溫度檢測電路，對電壓、電流以及溫度進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障，立即通知單片機，避免故障進(jìn)一步擴大，其中，檢測回路中的電壓、電流以及溫度信號由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量進(jìn)入單片機，顯示單元顯示當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速、相電壓、相電流以及小容量的薄膜電容上的電壓等等，電源供電電路轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌碾妷旱燃?，給故障保護(hù)電路、驅(qū)動電路、光耦隔離電路、調(diào)理電路以及單片機供電保證其正常工作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。