一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法

一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于感应电动机变频调速领域，更具体地，涉及一种Η相四开关功率变换 器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法。
【背景技术】
[0002] W感应电动机为主体的变频调速系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广泛 应用，其功率变换器均由六开关Η相全控型电力电子器件组成。送其中，变换器能量密度 高，电力电子器件又相对"脆弱"，一旦变换器某只功率管发生开路或短路故障，整个系统便 丧失了正常工作的能力，甚至发生灾难性后果。
[0003] 随着对变频调速系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时容错控制受到高度重 视，然而大部分变频调速系统不配备兀余备份，送使得无兀余备份的Η相四开关拓扑结构 受到更大的关注。在众多针对Η相四开关变频调速系统控制策略的专利和文献中，其大致 方法分为两类：一类是假定直流电容电压是恒定不变的，在此基础上设计控制算法，由于电 机的一相直接接到了电容中性点，相电流的流动会导致电容电压的波动和漂移，因此送类 方法并不能用于实际系统；另一类是针对电容电压波动和漂移设计控制算法，但是送种算 法一般是开环的控制策略，调速系统的动态性能差。

【发明内容】

[0004] 为了克服现有Η相四开关变频调速系统控制策略的不足，本发明提出了一种Η相 四开关功率变换器拓扑下预测控制方法。该方法能在电容电压波动的情况下，实现高性能 的磁链和转矩闭环控制，而且还能抑制电容电压的漂移，不需要脉宽调制器和坐标变换。该 方法适用于Η相四开关驱动的各种变频调速系统。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种Η相四开关功率变换器拓扑下感应电机变 频调速系统的预测控制方法，所述方法包括：
[0006] (1)通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码 盘速度传感器分别测出H相电流iΛibk，i。k，两个直流侧电容电压U。Λu。2k和电机转速ω;
[0007] 似通过测量的两个直流侧电容电压UcA Uczk计算四种开关组合对应的电压矢量 Vi，V2, V3, V4当前时刻的值，并根据测量的S相电流C，北C信号计算电流矢量f的值，其 中四种开关组合为00, 10, 11，01 ;
[000引 做通过测量的电机转速ω和电流矢量ξ*估算定子磁锥襄叫日转子磁链兵* ;
[0009] (4)根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量Vi，V2, V3, V4对应电容电压
、定子磁链兵W和电磁转矩fd;
[0010] 妨利用预测得到的各个电压矢量Vi，V2, V3, V4对应的电容电压如/'I、定子 磁链 和电磁转矩沪Η十算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压 矢量；
[0011] (6)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如 步骤似中相同。
[0012] 本发明的优点在于，通过对电机模型的精确建模，在电容电压波动的情况下，能够 实现感应电动机的磁场，转矩和转速的闭环高性能控制，同时实现了在送种不对称电力电 子变换器拓扑下，Η相电流的均衡控制。为了保证系统的可靠性，本发明对电容电压的漂移 进行抑制。本发明直接输出开关信号，不需要脉宽调制器。所有变量均在定子坐标系下完 成，不需要坐标变换。控制结构简单易懂，易于物理实现。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明方法适用的感应电机驱动系统及其基本结构图；
[0014] 图2为本发明方法的控制原理框图；
[0015] 图3为本发明Η相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流程图。
【具体实施方式】
[001引为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0017] 如图1所示，本发明所涉及的是感应电动机变频调速系统的功率变换器结构和感 应电动机的连接模型。电机的Η相中的两相接正常的开关桥臂，第Η相接直流侧的电容中 性点。
[001引如图2所示，本发明所涉及的控制框图，W及与Η相四开关驱动的感应电机系统 的连接框图，结合附图2说明本发明采用的技术方案的原理：
[0019] 为了实现高性能的闭环控制策略，速度外环控制采用传统的比例积分控制器获得 转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测控制器，本方案包含磁链估计，转矩、磁链和电 容电压预测，代价函数最优化Η个步骤。
[0020] 首先，采用感应电机电流模型估计当前的感应电动机定子和转子磁链。电容电压 的波动会导致逆变器的电压矢量在相角和幅值上产生波动，送种波动会导致基于电压模型 磁链估计算法产生巨大误差，导致磁链估计不精确，本方案采用基于电流模型的磁链估计 算法，利用转速，相电流可测量估算当前的定子和转子磁链，克服电容电压波动对磁链估计 的影响。
[002。 其次，利用电压传感器，测量电容的实时电压，计算当前电压矢量的精确值，然后， 利用感应电机的数学模型，将当前四种开关状态对应的四个电压矢量一一代入模型中，预 测不同电压矢量下的下一采样周期的定子磁链，定子电流，电磁转矩，电容电压。
[0022] 最后，将预测的磁链绝对值，电磁转矩，电容电压同参考值分别作差，求其绝对值， 并乘W相应的权重系数，相加后得到代价函数，四个电压矢量对应四个代价函数取值，将代 价函数取值的最小电压矢量对应的开关信号施加到逆变器。
[0023] 通过霍尔传感器从电机中获取电机的Η相电流，从光电码盘速度传感器测出转速 信号。从功率变换器中，通过电压霍尔传感器获取电容电压。w上变量作为控制系统的输 入量参与系统控制。控制系统直接输出离散的开关信号，简化了控制结构。控制系统分为 内外两个控制环；外环为传统的PI调节器，实现转速的闭环控制，并通过速度调节器产生 转矩给定；内环为模型预测控制器，实现电机转矩和磁链的闭环控制，同时在内环也实现了 电容电压漂移的抑制。
[0024] 如图3所示，为本发明Η相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流 程图，如图所示，所述方法包括：
[00巧]1、初始化将代价函数g初始化为一个足够大的值。
[0026] 2、通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘 速度传感器分别测出Η相电流C，ibk，C，两个直流侧电容电压U"k，Uc2k和电机转速ω ;
[0027] 3、通过测量的两个直流侧电容电压UciUczk计算四种开关组合对应的电压矢量 Vl，V2, V3, V4当前时刻的值，并根据测量的S相电流igk，北C信号计算电流矢量f的值，其 中四种开关组合为00, 10, 11，01 ;电压矢量的计算方法，按表1所示。
[0028]
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 电流矢量的计算方法如下：
[003引
（公，；0
[0033] 其中上标k为采样时刻。
[0034] 4、通过测量的电机转 速ω和电流矢量f估算定子磁链和转子磁链兵/ ;
[0037] 其中，L,，Lm，k分别是定子电感，励磁电感和转子电感，RA分别是转子电阻和定 子电阻。L是采样时间，kf = Lm/Lf是转子互感系数，(4/iL)是漏磁系数，Tf = Lf/ Rr是转子时间常数。
[0038] 5、根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量Vi，V2, V3, V4对应电容电压 玲:严玲；Γ'、定子磁链!if:;和电磁转矩f
[0039] 预测的下一时刻的电流矢量4. U如下：
[0040]
化 4)
[00川其中，& -巧-fA'次是等效电阻，L。= oLs是电机的漏磁电感，τ。= oLs/R。， 巧'表示电压矢量，皆:-;?;·!;、!.;，?:Κ
[0042] 根据预测的电流矢量预测定子磁链和电磁转矩。
[0045] 其中，Ρ为感应电机极对数，Im符号表示取复数的虚部。
[0046] 对于四开关Η相拓扑结构，由于上下管不能直通，因此，开关组合SbS。只能取值为 00,10,01，11，电容电流idei，idc2的取值如下
[004引 电容电压的预测值Uci化+1)，Uc2化+1)为
[005引 6、利用预测得到的各个电压矢量Vi，V2, V3, V4对应的电容电压拉</4i 、定子 磁链和电磁转矩'计算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压 矢量；
[0053] 设计的代价函数控制率gi如下：
[0054]
[005引其中Γ，I庐I分别是感应电机的额定转矩和额定磁链，r为转矩给定，i|於I为 磁链绝对值的给定，I · I符号是求解绝对值，II · II是复数量求解绝对值，根据电机铭牌参 数获得。λ。，λ d。均为可调参数，通过凑试法获得参数，使系统整体性能最优。下标i分别 代表由四个电压矢量计算出来的参数。
[0056] 7、施加最优电压矢量对应的开关信号。其中电压矢量与开关信号的对应关系如步 骤（2)中相同。使得代价函数最小的gi的电压矢量被认为是四个电压矢量中最优的的电 压矢量，施加最佳电压矢量所对应的开关组合，其对应关系如表1，实现系统的最优控制。
[0057] 8、下一时刻重复1-7, W获取下一时刻的最优电压矢量。
[0058] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种三相四开关功率变换器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法，其特征 在于，所述方法包括： (1) 通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘速 度传感器分别测出三相电流ia k，ibk，i。1%两个直流侧电容电压U"k，U e2k和电机转速ω ; (2) 通过测量的两个直流侧电容电压U"k，UC2k计算四种开关组合对应的电压矢量 V1, V2, V3, V4当前时刻的值，并根据测量的三相电流iak，ib k，C信号计算电流矢量$的值，其 中四种开关组合为〇〇, 10, 11，Ol ; (3) 通过测量的电机转速ω和电流矢量p估算定子磁链和转子磁链堯％ (4) 根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量V1, V2, V3, V4对应电容电压定子磁链tf和电磁转矩 (5) 利用预测得到的各个电压矢量V1, V2, V3, V4对应的电容电压定子磁 链"和电磁转矩计算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压矢 量； (6) 施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如步骤 (2)中相同。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)中通过测量的电容电压 uclk，U C2k计算四种开关组合对应的电压矢量V1, V2, V3, V4当前时亥Ij的值，具体为： 开关组合〇〇对应的电压矢量V1 = 2 · Ue2k/3 ; 开关组合10对应的电压矢量开关组合11对应的电压矢量开关组合01对应的电压矢量V4 = -2 · Ueik/3。3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)中根据测量的三相电流 iak，ibk，C信号计算电流矢量f的值，具体根据下式计算：4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（3)中通过测量的电机转速 ω和电流矢量ξ4估算定子磁链P和转子磁链具体为：其中，Ls，L"，k分别是定子电感，励磁电感和转子电感，RsR1^分别是转子电阻和定子电 阻，Ts是采样时间，kr = LnAr是转子互感系数，CT = IH./;;,//-/,)是漏磁系数，τ r = Lr/Rr是 转子时间常数。5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（4)中根据电机模型和逆变器 模型预测所有电压矢量V1, V2, V3, V4对应的电容电压具体为： 电容电压的预测值ua(k+i)，Mk+i)为其中，电容电流idd，i&2的取值如下Sb, S。表不开关状态。6. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（4)中根据电机模型和逆变器 模型预测所有电压矢量V1, V2, V3, V4对应的定子磁链和电磁转矩f_a ,具体为： 预测下一时刻的电流矢量〖_1)如下：其中，是等效电阻，L。= 〇Ls是电机的漏磁电感，τ。= 〇Ls/R。，V表示 电压矢量，根据预测的电流矢量预测定子磁链和电磁转矩f ::其中，P为感应电机极对数，Im符号表示取复数的虚部。7. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（5)中利用预测得到的各个电 压矢量V1, V2, V3,1对应的电容电压定子磁链和电磁转矩f si计算代价函 数，具体为： 根据代价函数为gl分别计算各个电压矢量V1, V2, V3, V4所对应的代价函数值，其中,分别是感应电机的额定转矩和额定磁链，< 为转矩给定，为磁链 绝对值的给定，I · I符号是求解绝对值，M · 11是复数量求解绝对值，根据电机铭牌参数获 得，λ。，Ad。均为可调参数，通过凑试法获得参数，使系统整体性能最优，下标i分别指示由 四个电压矢量计算出来的参数。
【专利摘要】本发明公开了一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法，包括：A、通过感应电机驱动系统中电流传感器、电压传感器和速度传感器分别测出三相电流、两个直流侧电容电压和电机转速；B、通过测量的直流电容电压计算出四种开关组合(00,01,11,10)对应的电压矢量；C、根据测量的相电流和转速估算感应电机的定子、转子磁链；D、预测四个电压矢量对应定子磁链的绝对值、预测转矩和预测直流电压；E、计算四个电压矢量代价函数：预测值与参考值分别相减后取绝对值，各项乘以权重系数相加。F、将使得代价函数最小的电压矢量所对应的开关状态施加到逆变器中。该方法适用于三相四开关驱动的各种变频调速系统。
【IPC分类】H02P21/14, H02P27/04
【公开号】CN105490604
【申请号】CN201410474341
【发明人】赵金, 周德洪
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月17日