一种无刷双馈电机前馈电流控制系统、前馈电流控制器及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无刷双馈电机前馈电流控制系统、前馈电流控制器及其设计方法，控制系统包括电网、无刷双馈电机、第一变换器、第二变换器、磁链计算模块、角度计算模块、角速度计算模块、光电编码盘、前馈电流控制器、第三变换器、第四变换器、SVPWM脉冲发生器、控制绕组侧功率变换器以及直流侧；本发明专利技术控制系统中前馈电流控制器控制结构简单、紧凑，控制精度高，具有快速的电流动态响应；该系统在充分考虑控制绕组完整电流回路特性基础上，加入前馈补偿，极大地提高了控制绕组定子电流的控制效果，可实现更好的稳定性以及更快的动态性能；该控制系统稳定性高，能够有效扩大无刷双馈电机稳定运行范围，在不同的运行速度下保持良好的性能。

A brushless doubly fed machine feed forward current control system, feedforward current controller and its design method

The invention discloses a feed-forward current control system, a feed-forward current controller and a design method for a brushless doubly-fed machine. The control system includes a power grid, a brushless doubly-fed machine, a first converter, a second converter, a flux calculation module, an angle calculation module, an angular velocity calculation module, a photoelectric encoding disk and a feed-forward current control. The feed-forward current controller in the control system of the invention has simple structure, compact control, high control precision and fast current dynamic response; the system fully considers the characteristics of the complete current loop of the control winding. On the basis of this, adding feed-forward compensation can greatly improve the control effect of stator current of control winding, achieve better stability and faster dynamic performance; the control system has high stability, can effectively expand the stable operation range of brushless doubly-fed machine, and maintain good performance at different operating speeds.

【技术实现步骤摘要】
一种无刷双馈电机前馈电流控制系统、前馈电流控制器及其设计方法
本专利技术涉及无刷双馈电机控制系统，特别是涉及一种无刷双馈电机前馈电流控制系统、前馈电流控制器及其设计方法。
技术介绍
随着电机制造技术的发展，一种性能更加优良的交流电机——无刷双馈电机在船舶发电、变速恒频发电系统、调速系统等领域起到了越来越重要的作用。无刷双馈电机可实现异步运行、同步运行以及双馈运行。无刷双馈电机性能稳定、结构简单，同时控制所需的变频器容量小，成本低，与广泛使用的双馈电机相比，没有电刷和滑环，可靠性更高。但是仍存在着控制难度大、转子损耗大等问题，还需要对无刷双馈电机的控制性能等方面作出进一步的研究。无刷双馈电机的控制方法包括标量控制、矢量控制、直接转矩控制等。标量控制是对功率绕组和控制绕组的定子电压和频率进行直接控制，进而改变电机运行状态，由于只需要对电压和频率进行控制，控制算法相对简单，但其抗干扰能力差；矢量控制主要通过电流环对无刷双馈电机进行控制，现有的研究尚未考虑控制系统稳定性及动态性的分析；直接转矩控制需要测量电机的端电压、电流以及转速用以估计电机的磁链和转矩，进而实现对电机控制，现有的控制方法缺乏对控制绕组电流回路特性的研究，控制系统的稳定性和动态性不佳。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的问题，本专利技术提出了一种无刷双馈电机前馈电流控制系统、前馈电流控制器及其设计方法。技术方案：本专利技术提供了一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，该控制系统包括电网、无刷双馈电机、第一变换器、第二变换器、磁链计算模块、角度计算模块、角速度计算模块、光电编码盘、前馈电流控制器、第三变换器、第四变换器、SVPWM脉冲发生器、控制绕组侧功率变换器以及直流侧；其中，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组分别连接到电网和功率变换器上，功率变换器另一端连接到直流侧；第一变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接前馈电流控制器；第二变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接磁链计算模块；磁链计算模块的一个输出连接前馈电流控制器，另一个输出一路连接第一变换器，另一路连接角度计算模块，第三路通过微分器连接角速度计算模块；角速度计算模块的输出连接前馈电流控制器；光电编码盘安装在无刷双馈电机转子上，光电编码盘的输出一路通过微分器连接角速度计算模块，另一路连接角度计算模块，角度计算模块的输出分别与第三变换器和第四变换器的一个输入相连；第三变换器的另一个输入与无刷双馈电机的控制绕组连接，其输出与前馈电流控制器连接；前馈电流控制器的输出与第四变换器连接，第四变换器的输出与SVPWM脉冲发生器的输入相连，SVPWM脉冲发生器的输出与功率变换器的输入相连。优选的，所述前馈电流控制器包括第一比较单元、比例积分控制器、第一前馈补偿项、第二前馈补偿项、第三前馈补偿项、第二比较单元和第三比较单元，其中，第一比较单元的输入为控制绕组参考电流矢量ics*和实际电流矢量ics，第一比较单元的输出与比例积分控制器的输入相连，比例积分控制器的输出与第二比较单元的一个输入相连，第三前馈补偿项作为第二比较单元的另一个输入，第二比较单元的输出与第三比较单元的一个输入相连，第一前馈补偿项和第二前馈补偿项作为第三比较单元的另外两个输入项，第三比较单元的输出为控制绕组参考电压矢量ucs*，功率绕组实际电流矢量ips作为第一前馈补偿项的输入，控制绕组实际电流矢量ics作为第二前馈补偿项的输入。优选的，所述磁链计算模块采集功率绕组定子电压在两相静止坐标系的数值upαs和upβs，并使用upαs和upβs计算功率绕组定子电压的相角θu及幅值|us|：根据功率绕组定子电压和磁链的关系，计算功率绕组磁链的相角θp和幅值ψp：其中，ωp为功率绕组电量的角速度。优选的，所述角度计算模块由光电编码盘以及磁链计算模块获得的转子位置角θm和功率绕组磁链相角θp，计算得到控制绕组电量的角度θc，它们之间关系为：θc＝θp-(pp+pc)θm；其中，pp和pc分别为功率电机和控制电机的极对数。优选的，所述角速度计算模块将光电编码盘以及磁链计算模块获得的转子位置角θm和功率绕组磁链相角θp进行微分，计算得到转子角速度ωm、功率绕组电量的角速度ωp：然后根据控制绕组电量角速度ωc与ωm、ωp的关系，计算出ωc的大小，它们之间关系为：ωc＝ωp-(pp+pc)ωm；其中，pp和pc分别为功率电机和控制电机的极对数。优选的，所述SVPWM脉冲发生器使用空间矢量脉宽调制技术生成三相PWM波。优选的，所述控制绕组侧功率变换器采用三相全桥逆变电路。本专利技术还提供了一种前馈电流控制器，包括第一比较单元、比例积分控制器、第一前馈补偿项、第二前馈补偿项、第三前馈补偿项、第二比较单元和第三比较单元，其中，第一比较单元的输入为控制绕组参考电流矢量ics*和实际电流矢量ics，第一比较单元的输出与比例积分控制器的输入相连，比例积分控制器的输出与第二比较单元的一个输入相连，第三前馈补偿项作为第二比较单元的另一个输入，第二比较单元的输出与第三比较单元的一个输入相连，第一前馈补偿项和第二前馈补偿项作为第三比较单元的另外两个输入项，第三比较单元的输出为控制绕组参考电压矢量ucs*，功率绕组实际电流矢量ips作为第一前馈补偿项的输入，控制绕组实际电流矢量ics作为第二前馈补偿项的输入。优选的，所述第一前馈补偿项为其包含一阶惯性环节，其中，k2＝Lmc/Lmp，Lmc、Lmp、Lsp分别为控制绕组的互感、功率绕组的互感、功率绕组的自感，τ为一阶惯性环节的时间常数，ωc为控制绕组电量角速度，ips为功率绕组实际电流矢量，其dq轴电流分量为ipds和ipqs；所述第二前馈补偿项为电感前馈项jωcLscics，Lsc为控制绕组的自感，ics为控制绕组实际电流矢量，其dq轴电流分量为icds和icqs；所述第三前馈补偿项为磁通前馈项jωck2ψp，ψp为功率绕组磁链幅值。本专利技术还提供了一种设计上述前馈电流控制器的方法，该方法包括以下步骤：(1)构建控制绕组电流回路的完整模型，其完整模型公式为：(Rsc+sLsc)ics(s)＝ucs(s)-k2(s+jωc)Lspips(s)-jωcLscics(s)+k2(s+jωc)ψp(s)；其中，Rsc为控制绕组的电阻，Lsc为控制绕组的自感，ucs为控制绕组实际电压矢量，其dq轴分量为ucds和ucqs；k2＝Lmc/Lmp，Lmc、Lmp、Lsp分别为控制绕组的互感、功率绕组的互感、功率绕组的自感，ωc为控制绕组电量角速度；ips为功率绕组实际电流矢量，其dq轴分量为ipds和ipqs；ics为控制绕组实际电流矢量，其dq轴分量为icds和icqs；ψp为功率绕组磁链幅值；(2)建立功率绕组实际电流矢量ips和控制绕组实际电流矢量ics之间的耦合关系，其耦合关系式为：其中，k＝LmpLmc/(LspLr′)，k1＝Lr/Lr′，Lr为转子电感，Lr′＝Lr-Lmp2/Lsp为转子暂态电感；且其中，ωm为转子转速，Tr'为转子的暂态时间常数，Tr'＝Lr′/Rr，Lr′＝Lr-Lmp2/Lsp为转子暂态电感，Rr为转子电阻；(3)基于步骤(1)中的模型和步骤(2)中的耦合关系，构建控制绕组电流回路的结构，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：该控制系统包括电网(1)、无刷双馈电机(2)、第一变换器(3)、第二变换器(4)、磁链计算模块(5)、角度计算模块(6)、角速度计算模块(7)、光电编码盘(8)、前馈电流控制器(9)、第三变换器、第四变换器(10)、SVPWM脉冲发生器(11)、控制绕组侧功率变换器(12)以及直流侧(13)；其中，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组分别连接到电网和功率变换器上，功率变换器另一端连接到直流侧；第一变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接前馈电流控制器；第二变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接磁链计算模块；磁链计算模块的一个输出连接前馈电流控制器，另一个输出一路连接第一变换器，另一路连接角度计算模块，第三路通过微分器连接角速度计算模块；角速度计算模块的输出连接前馈电流控制器；光电编码盘安装在无刷双馈电机转子上，光电编码盘的输出一路通过微分器连接角速度计算模块，另一路连接角度计算模块，角度计算模块的输出分别与第三变换器和第四变换器的一个输入相连；第三变换器的另一个输入与无刷双馈电机的控制绕组连接，其输出与前馈电流控制器连接；前馈电流控制器的输出与第四变换器连接，第四变换器的输出与SVPWM脉冲发生器的输入相连，SVPWM脉冲发生器的输出与功率变换器的输入相连。...

【技术特征摘要】
1.一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：该控制系统包括电网(1)、无刷双馈电机(2)、第一变换器(3)、第二变换器(4)、磁链计算模块(5)、角度计算模块(6)、角速度计算模块(7)、光电编码盘(8)、前馈电流控制器(9)、第三变换器、第四变换器(10)、SVPWM脉冲发生器(11)、控制绕组侧功率变换器(12)以及直流侧(13)；其中，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组分别连接到电网和功率变换器上，功率变换器另一端连接到直流侧；第一变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接前馈电流控制器；第二变换器的输入连接无刷双馈电机的功率绕组，输出连接磁链计算模块；磁链计算模块的一个输出连接前馈电流控制器，另一个输出一路连接第一变换器，另一路连接角度计算模块，第三路通过微分器连接角速度计算模块；角速度计算模块的输出连接前馈电流控制器；光电编码盘安装在无刷双馈电机转子上，光电编码盘的输出一路通过微分器连接角速度计算模块，另一路连接角度计算模块，角度计算模块的输出分别与第三变换器和第四变换器的一个输入相连；第三变换器的另一个输入与无刷双馈电机的控制绕组连接，其输出与前馈电流控制器连接；前馈电流控制器的输出与第四变换器连接，第四变换器的输出与SVPWM脉冲发生器的输入相连，SVPWM脉冲发生器的输出与功率变换器的输入相连。2.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述前馈电流控制器包括第一比较单元(21)、比例积分控制器(22)、第一前馈补偿项(23)、第二前馈补偿项(24)、第三前馈补偿项(25)、第二比较单元(26)和第三比较单元(27)，其中，第一比较单元的输入为控制绕组参考电流矢量ics*和实际电流矢量ics，第一比较单元的输出与比例积分控制器的输入相连，比例积分控制器的输出与第二比较单元的一个输入相连，第三前馈补偿项作为第二比较单元的另一个输入，第二比较单元的输出与第三比较单元的一个输入相连，第一前馈补偿项和第二前馈补偿项作为第三比较单元的另外两个输入项，第三比较单元的输出为控制绕组参考电压矢量ucs*，功率绕组实际电流矢量ips作为第一前馈补偿项的输入，控制绕组实际电流矢量ics作为第二前馈补偿项的输入。3.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述磁链计算模块采集功率绕组定子电压在两相静止坐标系的数值upαs和upβs，并使用upαs和upβs计算功率绕组定子电压的相角θu及幅值|us|：根据功率绕组定子电压和磁链的关系，计算功率绕组磁链的相角θp和幅值ψp：其中，ωp为功率绕组电量的角速度。4.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述角度计算模块由光电编码盘以及磁链计算模块获得的转子位置角θm和功率绕组磁链相角θp，计算得到控制绕组电量的角度θc，它们之间关系为：θc＝θp-(pp+pc)θm；其中，pp和pc分别为功率电机和控制电机的极对数。5.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述角速度计算模块将光电编码盘以及磁链计算模块获得的转子位置角θm和功率绕组磁链相角θp进行微分，计算得到转子角速度ωm、功率绕组电量的角速度ωp：然后根据控制绕组电量角速度ωc与ωm、ωp的关系，计算出ωc的大小，它们之间关系为：ωc＝ωp-(pp+pc)ωm；其中，pp和pc分别为功率电机和控制电机的极对数。6.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述SVPWM脉冲发生器使用空间矢量脉宽调制技术生成三相PWM波。7.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机前馈电流控制系统，其特征在于：所述控制绕组侧功率变换器采用三相全桥逆变电路。8.一种前馈电流控制器，其特征在于：包括第一比较单元(21)、比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，许利通，魏新迟，文宏辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32