一種永磁同步電機的無模型電流控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及永磁同步電機控制領(lǐng)域，具體地說是一種永磁同步電機的無模型電流 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動汽車永磁同步電機(PMSM)驅(qū)動系統(tǒng)中存在多種不確定性，主要表現(xiàn)為PMSM的 參數(shù)不確定性和逆變器非線性。PMSM的參數(shù)不確定性主要表征為電機參數(shù)的變化，電機負 載運行所伴隨的溫度變化、鐵磁材料的磁導率隨溫度變化及磁路飽和程度不同呈現(xiàn)出的非 線性變化是引起電機參數(shù)變化的重要原因。逆變器的非線性特性主要來源于功率開關(guān)器件 設(shè)置的死區(qū)時間、非理想開關(guān)特性以及功率開關(guān)器件存在的寄生電容。PMSM的參數(shù)不確定 性和逆變器非線性會直接影響PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，導致PMSM出現(xiàn)電流瞬態(tài)響 應(yīng)速度下降、電流脈動、轉(zhuǎn)矩脈動及諧波損耗增加等現(xiàn)象，嚴重時甚至直接影響系統(tǒng)的運行 穩(wěn)定性。
[0003] 為了實現(xiàn)計及參數(shù)不確定性的PMSM控制，解決方案之一是在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)運行時 通過PMSM參數(shù)的在線辨識實現(xiàn)控制器參數(shù)的自適應(yīng)更新。另一種解決方案是是基于PMSM數(shù) 學模型設(shè)計擾動觀測器，在線估計出參數(shù)不確定產(chǎn)生的擾動量再進行PMSM控制器設(shè)計，提 升系統(tǒng)的控制性能及魯棒性。無論是基于參數(shù)辨識自適應(yīng)更新PMSM控制器參數(shù)的解決方 案，還是基于擾動觀測器設(shè)計PMSM控制器的解決方案，均依賴于PMSM定子交、直軸電壓的準 確獲取。對于電動汽車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)，定子交、直軸電壓難以直接檢測而且難以實現(xiàn)與定子 電流的同步采樣，為此，通常采用逆變器的直軸電壓指令替代PMSM定子直軸電壓，逆變器的 交軸電壓指令替代PMSM定子交軸電壓，但是逆變器存在的非線性特性使逆變器的直軸電壓 指令和定子直軸電壓之間、逆變器的交軸電壓指令與定子交軸電壓間存在偏差，減小該偏 差的措施是實施逆變器非線性補償。
[0004] 逆變器非線性補償可歸類為基于時間的補償法和基于電壓的補償法兩大類。基于 時間補償法因補償難度較大已很少采用，目前國內(nèi)外的研究熱點已轉(zhuǎn)向基于觀測器設(shè)計的 逆變器非線性在線補償法，但仍然存在如何簡化系統(tǒng)設(shè)計、有效克服電機參數(shù)變化對逆變 器非線性補償?shù)挠绊懖⑻嵘a償精度和快速性等亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有電動汽車PMSM電流控制方法的不足，提出一種永磁同步電 機的無模型電流控制方法，以期能提升電動汽車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能;使系統(tǒng)兼 具強魯棒性，從而實現(xiàn)電動汽車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的高效安全運行。
[0006] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明一種永磁同步電機的無模型電流控制方法，應(yīng)用于由逆變器、電流傳感器、 位置傳感器和直流電源構(gòu)成的永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特點是，所述無模型電流控制包 括:交軸無模型電流調(diào)節(jié)器、直軸無模型電流調(diào)節(jié)器、坐標變換模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模 塊；
[0008] 在第k個采樣周期Tk下，所述坐標變換模塊對所述電流傳感器提供的定子a相電流 ia[k]和定子b相電流ib[k]、以及所述位置傳感器提供的轉(zhuǎn)子實際位置角a[k]進行坐標變 換，獲得實際定子直軸電流id[k]和實際定子交軸電流i q[k];
[0009] 所述交軸無模型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)第k-n-1個采樣周期Tk-^的逆變器的交軸電壓指 令至第k-Ι個采樣周期IV 1的逆變器的交軸電壓指令第k-n個采樣周期 IVn的實際定子交軸電流iq[k-n]至第k個采樣周期Tk的實際定子交軸電流i q[k]進行處理， 獲得逆變器的交軸電壓指令|>]，η為設(shè)定的正整數(shù)；
[0010] 所述直軸無模型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)第k-η-Ι個采樣周期Tk-^的逆變器的直軸電壓指 令至第k-Ι個采樣周期IW的逆變器的直軸電壓指令第k-n個采樣周期 IVn的實際定子直軸電流id[k-n]至第k個采樣周期Tk的實際定子直軸電流id[k]進行處理， 獲得逆變器的直軸電壓指令〃;
[0011]所述空間矢量脈寬調(diào)制模塊對所述逆變器的交軸電壓指令〃和逆變器的直軸 電壓指令進行處理，獲得逆變器控制信號3^];[10;[10并傳遞給所述逆變器；
[0012] 所述逆變器利用所述逆變器控制信號53[1^]、義[1^]、5。[1^]控制所述永磁同步電機 定子的三相電壓;從實現(xiàn)對所述永磁同步電機的無模型電流控制。
[0013] 本發(fā)明一種永磁同步電機的無模型電流控制方法，應(yīng)用于由逆變器、電流傳感器、 位置傳感器和直流電源構(gòu)成的永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特點是，所述無模型電流控制方 法是按如下步驟進行：
[0014] 步驟1、設(shè)定控制系統(tǒng)運行的采樣周期為T;
[0015] 步驟2、獲得第k個采樣周期Tk實際定子直軸電流id[k]，第k個采樣周期Tk實際定子 交軸電流i q[k]，第k個采樣周期Tk轉(zhuǎn)子實際位置角a[k];
[0016] 步驟2.1、利用所述電流傳感器檢測獲得第k個采樣周期Tk的定子a相電流ia[k]和 第k個采樣周期T k的定子b相電流ib[k];
[0017] 步驟2.2、利用所述位置傳感器檢測獲得第k個采樣周期Tk的轉(zhuǎn)子實際位置角α [k];
[0018] 步驟2.3、利用式（1)進行坐標變換，獲得基于轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下 永磁同步電機的第k個采樣周期Tk的實際定子直軸電流id[k]和第k個采樣周期T k的實際定 子交軸電流iq[k]:
[0020] 式（1)中，1 且k取為正整數(shù)，k = l，2,3，···；
[0021] 步驟3、定義η為數(shù)據(jù)窗口長度，根據(jù)第k-n-1個采樣周期Tkt1的逆變器直軸電壓指 令至第k-Ι個采樣周期T k-^逆變器直軸電壓指令第k-η-Ι個采樣周期 TkK的逆變器交軸電壓指令《$-?-1；|至第k-i個采樣周期逆變器交軸電壓指令 ?,#-1；|、第1^11個采樣周期1^的實際定子直軸電流乜[1^]至第1^個采樣周期1\的實際定子 直軸電流id[k]、第k-n個采樣周期T k-n的實際定子交軸電流Uk-n]至第k個采樣周期Tk的實 際定子交軸電流i q[k]，利用式(2)獲得第k個采樣周期Tk的定子直軸未知部分估計量鳥 和第k個采樣周期Tk的定子交軸未知部分估計量& μ]:
[0022]
[0023] 式（2)中：ad為直軸電壓糸數(shù)，Ctq為交軸電壓糸數(shù)，叫與％為設(shè)定參數(shù)，m表不累加求 和符號Σ的下標，且m的下界為k-η+Ι，上界為k;當k-n+1 ^ 0時，令id[k_n] = 0, ") /;] = 0 ,
[0024] 步驟4,根據(jù)第k個采樣周期Tk的定子直軸電流指令MM和第k個采樣周期Tk的定子 交軸電流指令ζ M ,利用式⑶計算第k個采樣周期Tk的定子直軸電流指令微分f M與第k 個采樣周期Tk的定子交軸電流指令微分: di 1 J
[002!
,
[0026] 式(3)中，當k_l < 0時，令-1] [A-- 1] =.0
[0027] 步驟5、利用式(4)計算獲得第k個采樣周期Tk的逆變器直軸電壓指令〃,,μ]和第k個 采樣周期T k的逆變器交軸電壓指令<:μ]:
[0028]
[0029] 式(4)中，Kdp為直軸無模型電流控制器的比例系數(shù)，Kqp為交軸無模型電流控制器 的比例系數(shù)；
[0030] 步驟6、利用所述空間矢量脈寬調(diào)制模塊對所述第k個采樣周期Tk的逆變器直軸電 壓指令UM、第k個采樣周期T k的逆變器交軸電壓指令<[^|以及第k個采樣周期Tk的轉(zhuǎn)子 實際位置角a[k]進行處理，獲得第k個采樣周期T k的逆變器控制信號33[1^]、&[1^]、&[1^]，用 于控制所述永磁同步電機定子的三相電壓；
[0031] 步驟7、將k+Ι賦值給k;并返回步驟2執(zhí)行，實現(xiàn)對所述永磁同步電機的無模型電流 控制。
[0032]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0033] 1、本發(fā)明基于PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)獲得定子直軸與交軸未知部分估計 量，再基于對系統(tǒng)未知部分的估計設(shè)計無模型電流調(diào)節(jié)器。PMSM無模型電流控制方法，無需 建立永磁同步電機的數(shù)學模型即可實現(xiàn)快速且準確的電流控制，一體化地解決了存在參數(shù) 不確定性與逆變器非線性的PMSM電流控制關(guān)鍵技術(shù)，在提升電動汽車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)和 穩(wěn)態(tài)性能的同時，使系統(tǒng)兼具強魯棒性，實現(xiàn)了電動汽車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的高效安全運行。 [0034] 2、本發(fā)明步驟三中采用的方法僅需要PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)(采樣電流）、輸出 數(shù)據(jù)(電壓指令），即可獲得定子直軸與交軸未知部分估計量，不依賴PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)， 且未知部分估計量中包含了逆變器非線性的影響。
[0035] 3、由于PMSM的參數(shù)不確定性，經(jīng)典的雙PI電流調(diào)節(jié)器前饋解耦控制存在交直軸難 以完全解耦問題，而本發(fā)明步驟五中采用的控制方法，有效克服了該不足，且控制器設(shè)計簡 單，需整定參數(shù)少，具有良好的工程應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明控制方法方框圖；
[0037]圖2為本發(fā)明所設(shè)置的控制系統(tǒng)中交軸無模型電流調(diào)節(jié)器原理圖；
[0038]圖3為本發(fā)明所設(shè)置的控制系統(tǒng)中直軸無模型電流調(diào)節(jié)器原理圖；
[0039] 圖4為采用基于PI調(diào)節(jié)器的電流環(huán)控制方法獲得的交軸與直軸電流實驗圖；
[0040] 圖5為采用本發(fā)明所提出的控制方法獲得的交軸與直軸電流實驗圖。
【具體實施方式】
[0041] 本實施例中，一種永磁同步電機的無模型電流控制裝置，應(yīng)用于由逆變器、電流傳 感器、位置傳感器和直流電源構(gòu)成的永磁同步電機控制系統(tǒng)，本實施例中，設(shè)置包括:交軸 無模型電流調(diào)節(jié)器、直軸無模型電流調(diào)節(jié)器、坐標變換模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模塊；
[0042] 在第k個采樣周期Tk下，采用坐標變換模塊對電流傳感器提供的定子a相電流ia[k] 和定子b相電流ib[k]、以及位置傳感器提供的轉(zhuǎn)子實際位置角a[k]進行坐標變換，獲得實 際定子直軸電流id[k]和實際定子交軸電流i q[k];
[0043] 交軸無模型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)第k-n-1個采樣周期Tkt1的逆變器的交軸電壓指令 -至第k-!個采樣周期IV 1的逆變器的交軸電壓指令《#-1；|、第k-η個采樣周期 IVn的實際定子交軸電流iq[k-n]至第k個采樣周期Tk的實際定子交軸電流i q[k]進行處理， 獲得逆變器的交軸電壓指令< 為人工設(shè)定的正整數(shù)；
[0044] 直軸無模型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)第k-η-Ι個采樣周期Tkt1的逆變器的直軸電壓指令 至第k-Ι個采樣周期IV1的逆變器的直軸電壓指令第k-n個采樣周期 IVn的實際定子直軸電流id[k-n]至第k個采樣周期Tk的實際定子直軸電流id[k]進行處理， 獲得逆變器的直軸電壓指令《〗P];
[0045] 空間矢量脈寬調(diào)制模塊對逆變器的交軸電壓指令和逆變器的直軸電壓指令 ⑷進行處理，獲得逆變器控制信號3^];[10;[10并傳遞給逆變器；
[0046] 逆變器利用逆變器控制信號Sa[k]、Sb[k]、Sc[k]控制永磁同步電機定子的三相電 壓