CN101286724B - 一种永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩控制方法，技术特征在于：根据磁链和转矩估计器计算当前时刻定子磁链和转矩的估计值，转矩估计值与转矩参考值之间的误差经过一简单的PI调节得到定、转子磁链动态速度差Δω_s，再与稳态旋转速度ω之和即可得到定子磁链总的旋转速度，得到了总的磁链旋转速度ω_s ^*后，通过参考磁链计算模型可得到在下一个采样周期给定的参考磁链矢量ψ_s ^*。参考磁链矢量ψ_s ^*与估计的当前时刻的磁链矢量ψ_s通过简单的计算可以得到在下一采样周期应施加的空间电压矢量U_s ^*，空间电压矢量U_s ^*再经过空间矢量调制方法产生电压源逆变器的开关信号。有益效果：由于采用空间矢量的概念来分析PMSM的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。

Description

一种永磁同步电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩控制方法，是一种利用空间矢量调制的永磁同步电机(PMSM)直接转矩的控制方法，属于交流电机传动技术领域。

背景技术

直接转矩控制是高性能的电机控制方案，在异步电机上已经得到比较成熟的应用，如ABB公司生产的ACS600变频器，有文献将其控制思想应用于永磁同步电机获得了优良的动态特性，但仍然存在以下几个问题：1)由于通常的逆变器只能产生6个有效空间电压矢量和2个零矢量，而在永磁同步电机直接转矩控制的开关表中只利用这6个有效电压矢量来实施控制，可供选择的矢量非常少；2)在同时控制磁链和转矩时，8个空间电压矢量没有一个可以较准确地同时满足系统对磁链和转矩的双重要求，会产生较大的磁链和转矩脉动；3)直接转矩控制采用滞环比较器来实施转矩和磁链误差的闭环控制，不可避免会造成功率器件开关频率不固定，影响了功率器件开关频率的最优化使用，在一定程度上造成较大的磁链和转矩脉动。

在《电工技术学报》2002年第17卷第1期7～11页刊登的“永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究”一文(作者田淳等)，对直接转矩控制方法应用于永磁同步电机控制进行了改进，提出了在开关表内容中增加零矢量且将两点式滞环比较器改为三点式滞环比较器的方法，该方法可以在一定程度上减小系统的磁链和转矩脉动，但仍然存在前述的三个问题，并没有从根本上得到解决。

在《电气传动》2003年第1期18～21页刊登的“一种恒定开关频率的永磁同步电动机直接转矩控制方法”(作者李练兵等)。该方法利用DSP对功率器件的控制周期是系统采样周期的整数倍来实现功率器件开关频率恒定，从而解决了前述的第三个问题。但该技术仍然存在不足：1)由于功率器件的开关周期是系统采样周期的整数倍，因此会存在磁链和转矩误差超过所设置的误差范围才实施控制，即不能精确控制磁链和转矩；2)开关表内容仍然存在且还是只能利用最多8个空间电压矢量，无法同时满足系统对磁链和转矩的双重要求，因此磁链和转矩脉动仍然较大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种永磁同步电机直接转矩控制方法，直接在定子坐标系下分析PMSM的数学模型以及控制电机的磁链和转矩，不需要将PMSM与直流电机作比较、等效、转化和像矢量控制那样的旋转坐标变换等复杂的变换和计算。同时由于采用空间矢量的概念来分析PMSM的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。

本发明方法的控制原理框图如图1所示。其中，磁链和转矩估计器计算当前时刻定子磁链和转矩的估计值，转矩估计值与转矩参考值之间的误差经过一简单的PI调节器得到定、转子磁链动态速度差Δω_s，再与稳态旋转速度ω之和即可得到定子磁链总的旋转速度，即下一个采样周期给定的磁链的参考速度ω_s ^*，在得到了总的磁链旋转速度ω_s ^*后，通过参考磁链计算模型可得到在下一个采样周期给定的参考磁链矢量ψ_s ^*。参考磁链矢量ψ_s ^*与估计的当前时刻的磁链矢量ψ_s通过简单的计算可以得到在下一采样周期应施加的空间电压矢量U_s ^*，空间电压矢量U_s ^*再经过空间矢量调制(Space VectorModulation，SVM)发生器产生电压源逆变器的开关信号，从而驱动永磁同步电机。永磁同步电机动态变化过程如图2所示。

技术方案

本发明是一种根据定子磁链和转矩各自误差的大小采用参考磁链计算模型计算出控制这些误差收敛的参考定子电压矢量，再以空间矢量调制(SVM)发生器的方式发出电压逆变器的开关信号，以控制永磁同步电机转矩的方法。技术特征在于它依次含有以下步骤：

(1)根据设定的速度参考值ω^*和电机编码器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考转矩T_e ^*，(K_p1＞0，K_i1＞0)，其中：e_ω＝ω^*-ω；

(2)参考转矩T_e ^*与估算转矩T_e之差经PI调节得到定子磁链和转子磁链旋转速度差Δω_s：Δω_s＝K_p2·e_T+K_i2∫e_Tdt，(K_p2＞0，K_i2＞0)，其中：

(3)定转子磁链旋转速度差Δω_s与转子速度ω相加得到定子磁链总的旋转速度，即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ω_s ^*；

(4)将ω_s ^*和当前估算的定子磁链ψ_s采用参考磁链模型得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψ_s ^*；所述的参考磁链模型步骤为：

a)由ω_s ^*·T_s相乘得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ；

b)由γ_s+Δδ相加得在下一时刻参考磁链的相位角γ_s ^*；

c)根据得到参考磁链ψ_s ^*在静止两相坐标系αβ下的分量；

(5)根据

得到磁链误差Δψ_s在静止两相坐标系αβ下的分量；

(6)根据

得到参考电压矢量U_s ^*在αβ坐标系下的分量，其中，T_s为系统采样周期；

(7)根据空间矢量调制方法SVM对参考电压矢量U_s ^*进行电压矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号S_A、S_B、S_C。

所述的步骤2、4和5中，当前时刻定子磁链估计值ψ_s、γ_s和转矩的估计值T_e由如下步骤得到：

(1)通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流i_A、i_B、i_C及母线电压U_dc；

(2)由于逆变器在一个采样周期内的开关状态S_A、S_B、S_C已知，因此由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量：

$i_{\mathrm{\α}}=i_A-\frac{1}{2}(i_B+i_C)$

$i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{2}(i_B-i_C)$

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2S_A-S_B-S_C)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}(S_B-S_C)$

(3)根据

计算当前磁链在αβ坐标系下的分量ψ_sα和ψ_sβ；

(4)根据计算当前磁链幅值|ψ_s|，根据γ_s＝arctan(ψ_sβ/ψ_sα)计算相位角γ_s；

(5)根据

计算转矩估计值T_e。

所述的参考速度ω^*≤电机额定速度。

所述的根据永磁同步电机本身特性和系统性能要求设定K_p1、K_i1和K_p2、K_i2，并满足K_p1＞0、K_i1＞0和K_p2＞0、K_i2＞0。

有益效果

本发明方法同直接转矩控制相比具有以下优点：1)采用参考磁链计算模型单元和空间电压矢量调制单元替代了直接转矩控制中的磁链和转矩的滞环比较器和开关表，依据磁链和转矩误差的大小精确计算出控制这些误差收敛的定子电压矢量，因此磁链和转矩脉动大大减小；2)通过SVM方法可以合成所需要的任意空间电压矢量，从理论上来说可以达到无穷多个；3)实现了逆变器功率器件开关频率的恒定和功率器件最优化使用。

附图说明

图1：基于空间矢量调制的PMSM直接转矩控制方法原理框图

图2：定子磁链动态控制原理图

图3：生成空间电压矢量U_s ^*的向量图

图4：电机转速响应曲线

图5：电机转矩响应曲线

图6：定子相电流i_A响应曲线

图7：转矩角δ变化曲线

图8：转矩角增量Δδ变化曲线

图9：转矩角增量Δδ稳态时的放大图

图10：定子磁链轨迹

图11：系统硬件电路结构框图

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

本发明的实施例的系统硬件结构如图11所示，包括：整流电路、滤波电路、逆变器、隔离驱动电路、电流和电压检测电路、中央处理器和人机接口电路，此外，对于本系统还可以增加编码器来检测电机转速，从而构成永磁同步电机调速控制系统。

为验证本发明方法，采用Matlab7.1-Simulink6.0进行仿真验证。仿真中永磁同步电机参数为：U_N＝220v；n_P＝4；R_s＝2.875Ω；L_d＝8.5mH；L_q＝8.5mH；ψ_f＝0.175Wb；n_N＝3000(r/min)。具体仿真条件设定为：空载启动，初始速度1200(r/min)，0.1s阶跃至1400(r/min)，在0.2s时突加负载至2N·m，最大转矩限定为4N·m。

实施例包含的具体步骤如下：

1.设定K_p1＝2，K_i1＝0.2；K_p2＝5000，K_i2＝0.01；

2.设定参考速度ω^*＝1200(r/min)，小于电机额定速度；

3.设定参考磁链幅值

等于电机转子永磁体磁链幅值。

4.计算当前时刻定子磁链估计值ψ_s和转矩的估计值T_e如下：

(4.1).通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流i_A、i_B、i_C及母线电压U_dc；

(4.2).由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量：

$i_{\mathrm{\α}}=i_A-\frac{1}{2}(i_B+i_C)$

$i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{2}(i_B-i_C)$

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2S_A-S_B-S_C)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}(S_B-S_C)$

(4.3).计算当前磁链在αβ坐标系下的分量ψ_sα和ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{\α}}-R_s{i}_{\mathrm{\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{\β}}-R_s{i}_{\mathrm{\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.$

(4.4).由下式计算当前磁链幅值|ψ_s|和相位角γ_s：

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}^2}$

γ_s＝arctan(ψ_sβ/ψ_sα)

(4.5).由下式计算转矩估计值T_e：

$T_e=\frac{3}{2}{N}_p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}):$

5.通过以下步骤实施电机控制：

(5.1).由以下步骤获得参考转矩T_e ^*：

(5.1.1).e_ω＝ω^*-ω

(5.1.2). $T_e^{*}=K_{p1}\·e_{\mathrm{\ω}}+K_{i1}\∫e_{\mathrm{\ω}}\mathrm{dt}$ (K_p1＞0，K_i1＞0)

(5.2).定子磁链和转子磁链旋速度度差Δω_s：

(5.2.1).e_T＝T^*-T

(5.2.2).Δω_s＝K_p2·e_T+K_i2∫e_Tdt    (K_p2＞0，K_i2＞0)

(5.3).定转子磁链旋速度度差Δω_s与转子速度ω相加得到定子磁链总的旋速度度，即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ω_s ^*；

(5.4).将已知的ω_s ^*和当前估算的定子磁链ψ_s(包括磁链幅值|ψ_s ^*|和相位角γ_s)输入至参考磁链计算模型来得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψ_s ^*：

(5.4.1).由ω_s ^*·T_s就可以得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ；

(5.4.2).再由γ_s+Δδ即可算出在下一时刻参考磁链的相位角γ_s ^*；

(5.4.3).通过下式计算参考磁链ψ_s ^*在静止两相坐标系αβ下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\γ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\γ}}_s^{*}\end{array}\right.$

(5.5).计算磁链误差Δψ_s在静止两相坐标系αβ下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{s\α}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{s\β}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right.$

(5.6).计算参考电压矢量U_s ^*在αβ坐标系下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}^{*}=\frac{{\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{T_s}\\ U_{\mathrm{s\β}}^{*}=\frac{{\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{T_s}\end{array}\right.$

其中，T_s为系统采样周期；

(5.7).根据空间矢量调制(SVM)来进行电压矢量合成(图5)，计算逆变器所需要的三相开关控制信号S_A、S_B、S_C：

(5.7.1).由下式计算参考定子电压矢量的幅值|U_s ^*|和相位角

：

$\left|U_s^{*}\right|=\sqrt{{U_{\mathrm{s\α}}^{*}}^2+{U_{\mathrm{s\β}}^{*}}^2}$

(5.7.2).通过

确定合成参考定子电压的两个相邻基本电压矢量：

定子电压矢量在第I扇区，采用U₁和U₂

定子电压矢量在第II扇区，采用U₂和U₃

定子电压矢量在第III扇区，采用U₃和U₄

定子电压矢量在第IV扇区，采用U₄和U₅

定子电压矢量在第V扇区，采用U₅和U₆

定子电压矢量在第VI扇区，采用U₆和U₁

(5.7.3).采用由下式计算定子电压矢量相邻的有效电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用的时间：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=\frac{T_s}{2U_{\mathrm{dc}}}(3U_{\mathrm{s\α}}-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{s\β}})\\ T_2=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}{U}_{\mathrm{s\β}}\\ T_0=T_s-T_1-T_2\end{array}\right.$

(5.7.4).随着U_s ^*的增加，输出电压的基波电压幅值也线性增加，零矢量作用的时间T₀逐渐减小，但应满足以下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1+T_2\≤T_s\\ T_0\≥0\end{array}\right.$

(5.7.5).根据基本电压矢量和零矢量以及各自作用的时间确定逆变器三相开关控制信号S_A、S_B、S_C：

逆变器产生的有效电压矢量和零矢量所对应的三相开关信号分别为U_i(S_A S_B S_C)：U₁(100)、U₂(110)、U₃(010)、U₄(011)、U₅(001)、U₆(101)和两个零电压矢量U₇(000)、U₈(111)；在一个SVM周期T_s内基本电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用顺序如下：

U₇作用T₀/4→U_N作用T_N/2→U_N+1作用T_N+1/2→U₈作用T₀/2→U_N+1作用T_N+1/2→U_N作用Y_N/2→U₇作用T₀/4；

根据基本电压矢量与逆变器三相开关信号S_A、S_B、S_C之间的对应关系，得出逆变器开关控制信号，从而驱动永磁同步电机。

图4为转速响应曲线，图5为转矩响应曲线，图6为定子相电流响应曲线。图7-图10分别为转矩角δ变化曲线、转矩角增量Δδ变化曲线、转矩角增量Δδ稳态时的放大图、定子磁链轨迹。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：根据定子磁链和转矩各自误差的大小采用参考磁链计算模型计算出控制这些误差收敛的参考定子电压矢量，再以空间矢量调制发生器的方式发出电压逆变器的开关信号，以控制永磁同步电机转矩的方法，具体而言，它依次含有以下步骤：

(1)根据设定的速度参考值ω^*和电机编码器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考转矩T_e ^*，

K_p1为第一比例增益，K_p1＞0，K_i1为第一积分增益K_i1＞0，其中：e_ω＝ω^*-ω；

(2)参考转矩T_e ^*与估算转矩T_e之差经PI调节得到定子磁链和转子磁链旋转速度差Δω_s：Δω_s＝K_p2·e_T+K_i2∫e_Tdt，K_p2为第二比例增益，K_p2＞0；K_i2为第二积分增益K_i2＞0；其中：

(3)定子磁链和转子磁链旋转速度差Δω_s与速度反馈值ω相加得到定子磁链总的旋转速度，即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ω_s ^*；

(4)将ω_s ^*和当前估算的定子磁链ψ_s采用参考磁链模型得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψ_s ^*；所述的参考磁链模型步骤为：

a)由ω_s ^*·T_s得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ，其中，T_s为系统采样周期；

b)由γ_s+Δδ得在下一时刻参考磁链的相位角γ_s ^*，γ_s为当前时刻的相位角；

c)根据

得到参考磁链Ψ_s ^*在静止两相坐标系αβ下的分量ψ_sα ^*和分量ψ_sβ ^*；其中ψ_sα ^*为当前磁链的坐标系αβ下的α分量，ψ_sβ为当前磁链的坐标系αβ下的β分量；

(5)根据

得到磁链误差ΔΨ_s在静止两相坐标系αβ下的α分量Δψ_sα和β分量Δψ_sβ；

(6)根据

得到参考电压矢量U_s ^*在αβ坐标系下的α分量U_sα ^*和β分量U_sβ ^*；

(7)根据空间矢量调制方法SVM对参考电压矢量U_s ^*进行电压矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号S_A、S_B、S_C。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述的步骤2、4和5中，当前估算的定子磁链ψ_s、γ_s和估算转矩T_e由如下步骤得到：

(1)通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流i_A、i_B、i_C及母线电压U_dc；

(2)由于逆变器在一个采样周期内的开关控制信号S_A、S_B、S_C已知，因此由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量：

$i_{\mathrm{\α}}=i_A-\frac{1}{2}(i_B+i_C)$

$i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{2}(i_B-i_C)$

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2S_A-S_B-S_C)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}(S_B-S_C)$

其中：i_α为定子电流在静止两相坐标系αβ下的α分量，i_β为β分量；u_α为定子电压在静止两相坐标系αβ下的α分量，u_β为β分量；

(3)根据

计算当前磁链在αβ坐标系下的α分量ψ_sα和β分量ψ_sβ；R_s为定子电阻；

(4)根据

计算当前磁链幅值|ψ_s|，根据γ_s＝arctan(ψ_sβ/ψ_sα)计算当前相位角γ_s；

(5)根据

计算转矩估计值T_e；N_p为电机的极对数。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述的设定的速度参考值ω^*≤电机额定速度。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述的参考磁链矢量ψ_s ^*的幅值

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述的根据永磁同步电机本身特性和系统性能要求设定K_p1、K_i1和K_p2、K_i2，并满足K_p1＞0、K_i1＞0和K_p2＞0、K_i2＞0。

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