一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，实现了混合励磁同步电机直接功率控制，通过控制策略计算d轴参考电流idref、q轴参考电流iqref、励磁参考电流ifref，得到定子磁链给定值；基于瞬时功率预测模型、参考电流及定子磁链给定值和估算值，有效控制电机瞬时有功与无功功率。本发明专利技术提出的控制方法有效提高了控制系统效率与功率因数，实现了节能控制；转矩和转速动态响应更快；减少了系统可调参数，磁链与转矩波动更小，抗扰动能力更强，鲁棒性更好；充分发挥了混合励磁同步电机低速大转矩和宽调速的优点，实现了混合励磁同步电机的高效增磁与弱磁控制，对推动混合励磁同步电机在电动汽车中的应用具有一定的价值。

A direct predictive power control method for hybrid excitation synchronous machines

The invention discloses a direct predictive power control method for hybrid excitation synchronous motor, which realizes the direct power control of hybrid excitation synchronous motor. By calculating the d-axis reference current idref, q-axis reference current iqref and excitation reference current ifref, the stator flux set value is obtained; based on the instantaneous power prediction model and parameters. Considering the given and estimated values of current and stator flux, the instantaneous active and reactive power of the motor can be effectively controlled. The control method proposed by the invention effectively improves the efficiency and power factor of the control system, realizes energy-saving control, has faster dynamic response of torque and speed, reduces the adjustable parameters of the system, has smaller flux and torque fluctuation, stronger anti-disturbance ability and better robustness, and fully utilizes the low-speed and large torque of the hybrid excitation synchronous motor. With the advantages of wide speed regulation, the hybrid excitation synchronous motor (HESM) has realized the high efficiency control of excitation enhancement and field weakening, which has certain value in promoting the application of HESM in electric vehicles.

【技术实现步骤摘要】
一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法
本专利技术属于电气传动
，具体涉及一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法。
技术介绍
电动汽车电驱动系统要求电机体积小、重量轻、功率密度高、效率高、可靠性高、起动转矩大、过载能力强及调速范围宽。混合励磁同步电机因其具有低速大转矩、宽调速范围，功率/转矩密度高等特点在电动汽车领域具有非常好的应用前景。混合励磁同步电机结合了永磁同步电机与电励磁同步电机的优点，同时又回避了各自的缺点，永磁体和电励磁两种励磁源在气隙中相互作用，当电励磁绕组通入正向励磁电流时，电机处于增磁运行状态，提高了电机带载能力；当电励磁绕组通入反向励磁电流时，电机处于弱磁运行状态，拓宽了电机调速范围。目前，混合励磁同步电机的控制方法及其驱动系统研究较少，基本可以分为两类：矢量控制和直接转矩控制，其中矢量控制技术存在动态响应慢等问题，直接转矩控制存在转矩脉动大等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，解决现有技术中存在的混合励磁同步电机矢量控制系统动态响应慢、驱动系统运行效率低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：从混合励磁同步电机的主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if、母线电压Udc和励磁电压Uf，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护的信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θr；步骤2：将采集的相电流ia、ib经步骤1所述的信号调理和A/D转换，经过abc三相静止坐标系到αβ坐标变换得到两相静止参考αβ坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ；利用步骤1得到的直流母线电压Udc和逆变器开关状态Sa、Sb、Sc计算两相静止参考αβ坐标系的α轴电压uα和β轴电压uβ；利用uα、uβ与iα、iβ计算定子磁链ψs的幅值|ψs|、磁链位置角θs；步骤3：将步骤1得到的转速n与给定转速nref做差比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn经过速度调节器后得到电磁转矩参考值Teref；将Teref和步骤1得到的转速n在两相旋转dq坐标系中进行运算获得d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；步骤4：利用步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref计算定子磁链参考值ψsref；步骤5：将步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref经过dq坐标到xy坐标变换得到x轴电流参考值ixref、y轴电流参考值iyref；将步骤2得到的定子磁链幅值|ψs|经过αβ坐标到xy坐标变换得到xy坐标系下定子磁链的幅值|ψx|；利用ixref、iyref、|ψx|和步骤4得到的定子磁链参考值ψsref计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值Pxyref和无功功率参考值Qxyref；步骤6：利用步骤5得到的瞬时有功功率Pxyref、无功功率Qxyref和步骤2得到的α轴电流iα、β轴电流iβ分别计算α轴的开关电压矢量参考值uαref和β轴的开关电压矢量参考值uβref；步骤7：将步骤6得到的开关电压矢量参考值uαref、uβref和步骤1得到的直流母线电压Udc经过空间矢量脉冲宽度调制后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1得到的励磁电流if，经信号调理与A/D转换后与步骤3得到的励磁电流参考值ifref一起经过直流励磁脉宽调制后，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。本专利技术的特点还在于：步骤2计算定子磁链ψs的幅值、磁链位置角θs具体步骤为：三相静止abc参考坐标系到两相静止αβ参考坐标系变换为：式中，iα、iβ分别为定子电流在αβ参考坐标系中α轴和β轴的分量，ia、ib、ic分别三相静止abc参考坐标系中的a相电流，b相电流，c相电流，两相静止αβ参考坐标系中α轴电压uα和β轴电压uβ为：式中，Sa、Sb、Sc分别为三相逆变桥臂a、b、c功率开关器件的开关状态，上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时，值为0，混合励磁同步电机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，定子电压空间矢量us与定子磁链空间矢量ψs关系为：式中，Rs为定子电阻，is为定子电流空间矢量，t为时间，将(3)式进行abc到αβ坐标变换，得到电机在两相静止αβ参考坐标系中α轴定子磁链ψα和β轴定子磁链ψβ：定子磁链幅值|ψs|和磁链位置角θs分别为：步骤3计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref的具体步骤为：混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：磁链方程：电压方程：电磁转矩方程：其中，ψd、ψq、ψm、ψf分别为d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链，Ld、Lq、Lf分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，Mf为电枢与励磁绕组之间的互感；id、iq、if分别为d轴、q轴与励磁绕组电流，ωe为电角速度；ud、uq、uf分别为d轴、q轴与励磁绕组电压，Rs为电枢绕组电阻，Rf为励磁绕组电阻，Te为电磁转矩，p为电机极对数，Udc为直流母线电压，当混合励磁同步电机运行于低速区时，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；令d轴电流id＝0，式(8)简化为：电机运行在轻载或额定负载及以下时，无需增磁控制，励磁电流if＝0，结合式(9)计算得到如下参考电流：电机运行在起动或重载状态时，利用励磁电流if进行增磁控制，结合式(9)计算得到如下参考电流：其中，isN为电枢额定电流，当混合励磁同步电机运行于高速区时，计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；混合励磁同步电机电压和电流极限方程为：稳态下忽略电阻压降，将式(7)简化为：将式(13)代入式(12)，得到电压极限方程为：协调d轴电流id和励磁电流if共同弱磁，具体分为两个弱磁运行状态：电机运行在第一个弱磁状态时，保持d轴电流id＝0，采用励磁电流if弱磁，在满足给定转速和转矩的条件下，根据式(8)和式(14)，计算得到如下参考电流：第二个弱磁运行状态是指励磁电流if达到负的额定值-ifN后，要继续提升转速，则在if弱磁的基础上，采用d轴电流id弱磁，使混合励磁同步电机运行在宽调速区域，根据式(8)和式(14)，计算得到如下参考电流：其中，ifN是额定励磁电流。步骤4计算定子磁链参考值ψsref的具体步骤为：由混合励磁同步电机磁链方程得定子磁链参考值ψsref为：将步骤3中得到的参考电流值idref、iqref、ifref代入(17)式得到定子磁链参考值ψsref。步骤5计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值Pxyref和无功功率参考值Qxyref具体步骤为：根据瞬时无功功率理论，xy参考坐标系下瞬时有功功率Pxy和无功功率Qxy表达式为其中，ux、uy分别为xy坐标系下x轴、y轴的电压，ix、iy为分别为xy坐标系下x轴、y轴的电流，采用欧拉法离散化式(20)得到k+1时刻的瞬时有功功率Pxy(k+1)和无功功率Qxy(k+1)表达式为其中，ix(k+1)、iy(k+1)分别为k+1时刻xy坐标系下x轴、y轴的电流，ux(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：从混合励磁同步电机的主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if、母线电压Udc和励磁电压Uf，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护的信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θr；步骤2：将采集的相电流ia、ib经步骤1所述的信号调理和A/D转换，经过abc三相静止坐标系到αβ坐标变换得到两相静止参考αβ坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ；利用步骤1得到的直流母线电压Udc和逆变器开关状态Sa、Sb、Sc计算两相静止参考αβ坐标系的α轴电压uα和β轴电压uβ；利用uα、uβ与iα、iβ计算定子磁链ψs的幅值|ψs|、磁链位置角θs；步骤3：将步骤1得到的转速n与给定转速nref做差比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn经过速度调节器后得到电磁转矩参考值Teref；将Teref和步骤1得到的转速n在两相旋转dq坐标系中进行运算获得d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；步骤4：利用步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref计算定子磁链参考值ψsref；步骤5：将步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref经过dq坐标到xy坐标变换得到x轴电流参考值ixref、y轴电流参考值iyref；将步骤2得到的定子磁链幅值|ψs|经过αβ坐标到xy坐标变换得到xy坐标系下定子磁链的幅值|ψx|；利用ixref、iyref、|ψx|和步骤4得到的定子磁链参考值ψsref计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值Pxyref和无功功率参考值Qxyref；步骤6：利用步骤5得到的瞬时有功功率Pxyref、无功功率Qxyref和步骤2得到的α轴电流iα、β轴电流iβ分别计算α轴的开关电压矢量参考值uαref和β轴的开关电压矢量参考值uβref；步骤7：将步骤6得到的开关电压矢量参考值uαref、uβref和步骤1得到的直流母线电压Udc经过空间矢量脉冲宽度调制后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1得到的励磁电流if，经信号调理与A/D转换后与步骤3得到的励磁电流参考值ifref一起经过直流励磁脉宽调制后，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。...

【技术特征摘要】
1.一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：从混合励磁同步电机的主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if、母线电压Udc和励磁电压Uf，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护的信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θr；步骤2：将采集的相电流ia、ib经步骤1所述的信号调理和A/D转换，经过abc三相静止坐标系到αβ坐标变换得到两相静止参考αβ坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ；利用步骤1得到的直流母线电压Udc和逆变器开关状态Sa、Sb、Sc计算两相静止参考αβ坐标系的α轴电压uα和β轴电压uβ；利用uα、uβ与iα、iβ计算定子磁链ψs的幅值|ψs|、磁链位置角θs；步骤3：将步骤1得到的转速n与给定转速nref做差比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn经过速度调节器后得到电磁转矩参考值Teref；将Teref和步骤1得到的转速n在两相旋转dq坐标系中进行运算获得d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref；步骤4：利用步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref计算定子磁链参考值ψsref；步骤5：将步骤3得到的d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref经过dq坐标到xy坐标变换得到x轴电流参考值ixref、y轴电流参考值iyref；将步骤2得到的定子磁链幅值|ψs|经过αβ坐标到xy坐标变换得到xy坐标系下定子磁链的幅值|ψx|；利用ixref、iyref、|ψx|和步骤4得到的定子磁链参考值ψsref计算混合励磁同步电机的瞬时有功功率参考值Pxyref和无功功率参考值Qxyref；步骤6：利用步骤5得到的瞬时有功功率Pxyref、无功功率Qxyref和步骤2得到的α轴电流iα、β轴电流iβ分别计算α轴的开关电压矢量参考值uαref和β轴的开关电压矢量参考值uβref；步骤7：将步骤6得到的开关电压矢量参考值uαref、uβref和步骤1得到的直流母线电压Udc经过空间矢量脉冲宽度调制后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1得到的励磁电流if，经信号调理与A/D转换后与步骤3得到的励磁电流参考值ifref一起经过直流励磁脉宽调制后，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。2.根据权利要求1所述的一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，其特征在于，所述步骤2计算定子磁链ψs的幅值、磁链位置角θs具体步骤为：三相静止abc参考坐标系到两相静止αβ参考坐标系变换为：式中，iα、iβ分别为定子电流在αβ参考坐标系中α轴和β轴的分量，ia、ib、ic分别三相静止abc参考坐标系中的a相电流，b相电流，c相电流，两相静止αβ参考坐标系中α轴电压uα和β轴电压uβ为：式中，Sa、Sb、Sc分别为三相逆变桥臂a、b、c功率开关器件的开关状态，上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时，值为0，混合励磁同步电机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，定子电压空间矢量us与定子磁链空间矢量ψs关系为：式中，Rs为定子电阻，is为定子电流空间矢量，t为时间，将(3)式进行abc到αβ坐标变换，得到电机在两相静止αβ参考坐标系中α轴定子磁链ψα和β轴定子磁链ψβ：定子磁链幅值|ψs|和磁链位置角θs分别为：3.根据权利要求2所述的一种混合励磁同步电机直接预测功率控制方法，其特征在于，所述步骤3计算d轴电流参考值idref、q轴电流参考值iqref和励磁电流参考值ifref的具体步骤为：混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：磁链方程：电压方程：电磁转矩方程：其中，ψd、ψq、ψm、ψf分别为d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链，Ld、Lq、Lf分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，Mf为电枢与励磁绕组之间的互感；id、iq、if分别为d轴、q轴与励磁绕组电流，ωe为电角速度；ud、uq、uf分别为d轴、q轴与励磁绕组电压，Rs为电枢绕组电阻，Rf为励磁绕组电阻，Te为电磁转矩，p为电机极对数，Udc为直流母线电压，混...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵纪龙，景梦蝶，全小伟，孙向东，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61