一种六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法。


背景技术：

2.六相永磁容错电机采用独立的h-桥逆变电路驱动，其空间电压矢量达到729种之多。在采用传统的模型预测电流控制中，需要在两相旋转坐标系下对电机进行控制，由于六相永磁容错电机控制系统电压空间矢量非常多，控制算法的计算量很大，从而会影响电机的动态性能。采用单矢量模型预测电流控制方法，输出转矩脉动较大。当电机发生故障时，虽然能够达到容错控制的效果，但容错电机在故障下的运行状态很难达到与故障前相匹配的控制效果。


技术实现要素：

3.根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法，具体包括如下步骤：
4.当电机在正常运行状态时，将给定转速和实际转速输入至转速调节器获得六相静止坐标系下的六相电流给定幅值，根据六相电流给定幅值和六相定子绕组位置关系计算六相电流给定值；
5.获得六相定子电流的反馈值，对电机电压方程进行处理得到六相电流的斜率表达式；
6.在一个控制周期内对每相电流进行两轮电流预测，在第一轮电流预测中，将三个备选电压值代入电流预测方程中并根据代价函数选择最优的电压值作为第一电压矢量；在第二轮电流预测中，根据电流无差拍原理并结合第一电压矢量得到第二电压矢量以及第一电压矢量和第二电压矢量的作用时间；
7.基于第一电压矢量和第二电压矢量及其作用时间在下一周期内对h桥逆变电路进行控制从而对电机进行控制；
8.当电机某相发生开路故障时，改变无故障相的参考电流波形对故障相的电流进行补偿，从而降低永磁容错电机的转矩脉动。
9.在第一轮电流预测和第二轮电流预测中，每相三个备选电压矢量u
x1
、u
x2
和u
x3
为：
[0010][0011]udc
为直流电源电压值；
[0012]
在第一轮电流预测中确定第一电压矢量，根据六相永磁容错电机的强隔离特性，忽略电机各相绕组之间的互感，通过对电机电压方程进行处理得到第一轮电流预测方程
为：
[0013][0014]
式中，x为1至6分别对应电机的六相，i
xnext
为预测电流值，u
x
为相绕组电压值，i
x
为反馈相电流值，rs为电机绕组电阻，l为电机绕组自感，ωe为电机转子电角速度，ψf为电机永磁体磁链，将备选电压矢量u
x1
、u
x2
和u
x3
分别代入上式得到该相三组电流预测值i
xnext1
、i
xnext2
和i
xnext3
，并将电流预测值代入代价函数中，选g＝(i
xnext-i
xref
)2择使代价函数最小的电压矢量值作为第一电压矢量u
xopt1
；其中代价函数为：
[0015]
在确定第一电压矢量u
xopt1
后，通过下式计算出在该电压矢量作用下的电流斜率值s
xopt1
，
[0016][0017]
第二轮电流预测中，计算三个备选电压矢量u
x1
、u
x2
和u
x3
在其作用时电流的斜率值，在第二轮电流预测中，采用电流无差拍原理进行预测，其中无差拍电流预测公式为：
[0018]ixnext
＝i
x
+s
xopt1
t
xopt1
+s
xopt2
(t
s-t
xopt1
)＝i
xref
[0019]
通过对该公式进行变换，获得相应电压矢量的作用时间：
[0020][0021]
t
xopt2
＝t
s-t
xopt1
[0022]
从而每相都能得到三组包括两个电压矢量和相应的作用时间，并将其分别代入无差拍电流预测公式中得到三组电流预测值，将三组电流预测值分别代入代价函数中选择使代价函数最小的第一电压矢量和第二电压矢量及其作用时间，并通过对h桥逆变电路进行控制从而实现对电机的控制；
[0023]
当电机a相发生开路故障时，通过改变无故障相的参考电流波形对故障相的电流进行补偿，无故障相的参考电流为：
[0024]iaref
′
＝0
[0025]ibref
′
＝i
bref
+i
aref
/3
[0026]icref
′
＝i
cref-i
aref
/3
[0027]iuref
′
＝i
uref-i
aref
/3
[0028]ivref
′
＝i
vref-i
aref
/3
[0029]
其中，i
aref’、i
bref’、i
cref’、i
wref
′
＝i
wref
+i
aref
/3i
uref’、i
vref’、i
wref’为经电流补偿后的六相电流参考值。
[0030]
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法，该方法可以提高永磁容错电机的稳态和动态性能，且能够保证永磁容错电机在故障时正常运行，对比传统模型预测电流控制，该方法能够改善传统模型预测电流控制过程中计算量大的问题，而且控制算法在六相静止坐标系下进行，算法更为简便，可以让电机更加可靠快速的响应。与传统的永磁容错电机控制算法相比，所提出的控制算法结合
电流补偿策略后对电机的容错控制更加精细，当电机发生故障时，其转速及转矩脉动与电机正常运行时几乎相同，能够充分提高电机运行的故障容错性能。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明六相永磁容错电机隔离绕组排布图；
[0033]
图2为本发明中六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制系统框图；
[0034]
图3为本发明中六相永磁容错电机a相开路故障后电流补偿图；
[0035]
图4为本发明中电机发生a相开路故障前后转速波形图；
[0036]
图5为本发明中电机发生a相开路故障前后转矩波形图；
[0037]
图6为本发明中电机发生a相开路故障前后六相电流波形图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0039]
如图1所示为六相永磁容错电机结构图，其采用独立的h-桥逆变电路驱动，其空间电压矢量达到729种之多。在采用传统的模型预测电流控制中，需要在两相旋转坐标系下对电机进行控制，由于六相永磁容错电机控制系统电压空间矢量非常多，控制算法的计算量很大，从而会影响电机的动态性能。采用单矢量模型预测电流控制方法，输出转矩脉动较大。当电机发生故障时，虽然能够达到容错控制的效果，但容错电机在故障下的运行状态很难达到与故障前相匹配的控制效果。所提出的一种基于六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法，该方法在六相静止坐标系下对双矢量模型预测电流控制算法进行分析研究，去掉了传统模型预测电流控制算法中的坐标变换过程，直接在六相静止坐标系下，对每相进行独立的进行两轮电流预测，并且每相在每个控制周期内选择出两个最优的电压矢量对电机进行控制，其系统控制框图如图2所示，该控制方法简化了预测过程中空间电压矢量的选择过程，减小了控制过程中的计算量。当电机某相发生开路故障时，通过改变无故障相的参考电流波形对故障相的电流进行补偿，达到降低转矩脉动的目的。本方法基于六相永磁容错电机控制系统，该系统至少包括六相永磁容错电机、逆变器、位置传感器、电压电流传感器、供电电源等。
[0040]
一种六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法，该方法结合双矢量模型预测电流控制方法，在六相静止坐标系下对六相电流分别进行电流预测，采用电流无差拍原理在一个周期内对每相电流分别进行两轮电流预测，在一个控制周期内每相分别得到两个电压矢量和相应的作用时间从而对电机进行容错控制，具体步骤为：
[0041]
s1:当电机在正常运行状时，由给定转速和实际转速经转速调节器后获得六相静止坐标系下的六相电流给定幅值，并根据六相电流给定幅值和六相定子绕组位置关系计算出六相电流给定值，对每相电流进行两轮电流预测，每相三个备选电压矢量为：
[0042][0043]
式中，u
dc
为直流电源电压值。在第一轮电流预测中，将三个备选电压值代入电流预测方程中并根据代价函数选择最优的电压值作为第一电压矢量，电流预测方程为：
[0044][0045]
式中，x为1至6分别对应电机的六相，i
xnext
为预测电流值，u
x
为相绕组电压值，i
x
为反馈相电流值，rs为电机绕组电阻，l为电机绕组自感，we为电机转子电角速度，ψf为电机永磁体磁链。将备选电压矢量u
x1
、u
x2
和u
x3
分别代入上式得到该相三组电流预测值i
xnext1
、i
xnext2
和i
xnext3
，并将电流预测值代入代价函数中，选择使代价函数最小的电压矢量值作为第一电压矢量u
xopt1
。代价函数为：
[0046]
g＝(i
xnext-i
xref
)2[0047]
在确定第一电压矢量u
xopt1
后，通过下式计算出在该电压矢量作用下的电流斜率值s
xopt1
，
[0048][0049]
s2:进行第二轮电流预测，计算出三个备选电压矢量u
x1
、u
x2
和u
x3
在其作用时电流的斜率值，第二轮预测采用电流无差拍原理进行预测，无差拍电流预测公式为：
[0050]ixnext
＝i
x
+s
xopt1
t
xopt1
+s
xopt2
(t
s-t
xopt1
)＝i
xref
[0051]
通过对公式进行变换，即可得到相应电压矢量的作用时间：
[0052][0053]
t
xopt2
＝t
s-t
xopt1
[0054]
从而每相都能得到三组包括两个电压矢量和相应的作用时间，并将其分别代入无差拍电流预测公式中得到三组电流预测值，将三组电流预测值分别代入代价函数中选择使代价函数最小的第一电压矢量和第二电压矢量及其作用时间，并通过对h桥逆变电路进行控制从而实现对电机的控制。
[0055]
s3:当电机a相发生开路故障时，通过改变无故障相的参考电流波形对故障相的电流进行补偿，无故障相的参考电流如下所示：
[0056]iaref
′
＝0
[0057]ibref
′
＝i
bref
+i
aref
/3
[0058]icref
′
＝i
cref-i
aref
/3
[0059]iuref
′
＝i
uref-i
aref
/3
[0060]ivref
′
＝i
vref-i
aref
/3
[0061]iwref
′
＝i
wref
+i
aref
/3
[0062]
其中，i
aref’、i
bref’、i
cref’、i
uref’、i
vref’、i
wref’，为电流补偿后的六相电流参考值。
[0063]
图4、图5和图6分别对应为电机发生a相开路故障前后的转速波形图、转矩波形图和电流波形图，在给定转速为600r/min，负载转矩为电机额定转矩23n
·
m条件下进行仿真，在0.45s时电机a相发生开路故障，电机进入故障运行状态，在0.50s加入故障下电流补偿策略进行容错控制。可见六相永磁容错电机在发生a相开路故障后，该控制方法能够保障电机继续正常运行，而且能够实现与正常运行下相同的工作状态。
[0064]
仿真结果表明，采用该双矢量模型预测电流控制方法，可以使六相永磁容错电机具有良好的稳态和动态性能，而且结合电流补偿策略能够有效减小电机开路故障下的转矩脉动，能够保障电机的正常运行，提高了电机的容错性能。
[0065]
本发明公开的六相永磁容错电机双矢量模型预测电流控制方法可以在电机发生一相开路故障后继续稳定地运行。本发明首先提出了基于六相静止坐标系下每个控制周期对每相独立的进行两轮电流预测，并结合了电流补偿容错策略提高了控制系统的容错性能。此外，对比于传统的模型预测电流控制，本发明对电机的容错控制更加精确，系统的计算量更小，采用容错控制策略后的转矩及转速波形也更加优异，完全符合本发明所使用的六相永磁容错电机在环境复杂且对电机容错性能要求较高的条件下使用的要求。
[0066]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。