CN101355337A - 基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的位置偏差，并将该偏差设定为互相正交(±90°)，并构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子磁场进行控制(转子磁场为常量)来实现对永磁同步电动机转矩的控制。本发明可节约实现基本的磁场定向矢量控制策略的系统资源，在要求不高的应用场合简化系统结构并降低成本，在高要求的伺服驱动控制中降低系统开销，将控制资源让给复杂的控制从而提高控制性能。

Description

基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法

技术领域

本发明涉及伺服驱动控制领域中的电动机的驱动控制方法，特别是涉及基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，具体说是在永磁同步电动机的控制中，保证定转子磁场正交，并采用极坐标来对电动机的转矩进行控制的方法。

背景技术

目前，国内、外永磁同步电机的驱动控制大都采用磁场定向矢量控制策略。矢量控制思想源于20世纪70年代由德国的F.Blaschke等人针对异步电机提出的“感应电机的磁场定向控制原理”。磁场定向矢量控制把三相静止坐标系下的定子三相电流i_A、i_B和i_C通过CLARK(3/2变换，即将三相电流i_A、i_B和i_C变换成两相电流i_α、i_β)变换，等效成静止αβ直角坐标系下的交流电流i_α、i_β，再经转子磁场定向的PARK(两相静止/旋转变换，即将静止的定子坐标系上两相电流i_α、i_β变换到旋转的转子坐标系上的两相电流i_d和i_q)变换，等效成两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q，i_d相当于直流电机的励磁电流，i_q也相当于直流电机的电枢电流，对i_d和i_q分别进行调节后，再经过反PARK和反CLARK(上述两个变换的反变换：i_d和i_q到i_α、i_β的变换和i_α、i_β到i_A、i_B和i_C的2/3变换)变换输出三相SVPWM波形控制逆变器驱动电机运行。具体地说，基于传统矢量控制的基本思想是在磁场定向直角坐标系上，将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流和产生转矩的转矩电流，并使两个分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。转子磁链定向控制的永磁同步电机的定子磁链方程为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}=L_d{i}_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ψ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=L_q{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，ψ_sd，ψ_sq——直轴、交轴定子磁链；

L_d，L_q——定子绕组d、q轴等效电感；

i_sd，i_sq——直轴、交轴定子电流。

永磁同步电机的定子电压方程为，

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=r_s{i}_{\mathrm{sd}}+p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=r_s{i}_{\mathrm{sq}}+p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，u_sd，u_sq——定子电压矢量的d、q轴分量；

ω——转子角频率；

p——微分算子。

由式(1)和式(2)以及电机统一理论中介绍的转矩公式整理可得转矩，

T_d＝p_m(ψ_sdi_sq-ψ_sqi_sd)＝p_m[ψ_ri_sq+(L_d-L_q)i_sdi_sq]    (3)

从式(3)可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量，如果使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量(id＝0)，电磁转矩方程，

T_d＝p_mψ_ri_sq    (4)

图1为实现上述控制思想的控制方框图，如图1所示，由给定的转速和检测到的电机转速比较，通过PI速度控制器得到定子q轴电流的参考输入i_sqref，定子d轴电流的参考值i_sdref设置为0；反馈得到转子旋转坐标系下定子实际电流分量i_d和i_q，分别与i_sdref和i_sqref比较，通过PI控制器调节，两个电流环分别实现闭环，而为了得到转子旋转坐标为基准的坐标系，必须将定子坐标变换到旋转坐标，即PARK变换。但是，矢量在坐标系之间的相互变换运算如CLARK、反CLARK、PARK和反PARK变换等，需要大量的计算，占用了大量的系统资源，对控制器的处理能力要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，可降低实现基本的磁场定向矢量控制策略对系统资源要求，在要求不高的应用场合简化系统结构并降低成本，在高要求的伺服驱动控制中节约系统开销，将控制资源让给复杂的控制从而提高控制性能。

本发明的另一个目的在于提供实现上述方法的装置。

本发明一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的相位偏差，并将该偏差设定为互相正交(±90°)，构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子磁场进行控制(定子电流)(转子磁场为常量)实现对永磁同步电动机转矩的控制。这样既可以省去部分复杂的坐标变换的计算，又可以保留矢量控制思想的种种优点。

本发明的具体控制过程为：(1)首先将检测的永磁同步电动机的三相电流获得合成的三相电流矢量以极坐标的形式(幅值和相位)表示，得到定子磁场的相位；根据编码器的信号获得转子磁场的相位；(2)然后根据两者计算定、转子磁场的相位差和计算与正交设定之间偏差并进行闭环控制，从而确保定转子磁场处于正交，使电动机的转矩仅由定子电流确定；(3)最后在极坐标系中，通过调节器获得定子电流的模值与极角两个控制量，并把定子电流的在极坐标系的模值与极角两个控制量转换成三相坐标的控制量，输出到逆变器开关器件的控制端，对逆变器的关元件进行控制而实现了对永磁同步电动机的控制。

一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置，包括整流单元、逆变器、永磁同步电动机、转子位置编码器、电流传感器、控制单元、操作单元等部件。其中整流单元经逆变器与永磁同步电动机连接，三相交流市电经整流单元整流成稳定的直流电，再经过逆变器逆变成电压和频率都可调的三相交流电后向永磁同步电动机供电，实现对永磁同步电动机的转速和力矩的控制，其特征在于转子位置编码器和电流传感器的输入端分别与永磁同步电动机连接，输出端分别与控制单元连接，控制单元的控制输出连接逆变器，操作单元与控制单元的相应操作信号输入端口连接；转子位置编码器实时检测永磁同步电动机转子位置，转子位置编码器输出信号输入控制单元，作为确定逆变器换相和电动机速度处理的依据，电流传感器实时检测永磁同步电动机的电流信号，电流传感器输出信号输入控制单元作为进行力矩处理的依据，控制单元接受转子位置编码器的转子位置信号和电流传感器检测的电动机电流信号进行电流环和速度环的各种处理，输出控制信号去实时控制逆变器的开关实现对电动机速度和转矩控制。

本发明装置还设有显示报警单元，显示报警单元与控制单元上相应的显示输出端口连接，控制单元将状态和报警信号输出到显示报警单元进行显示和报警。

本发明装置还设有上位主机，上位主机与控制单元上相应的数据通讯端口连接，控制单元接受上位主机的设定信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1)由于计算量减少，可以在原有的基础上缩短控制周期，实现精细控制而进一步提高控制性能；

2)由于控制环节减少，可以降低系统的运算积累误差，提高运算精度从而提高控制性能；

3)由于降低了系统的开销，有可能降低系统运算器件的要求，节约成本。

附图说明

图1是基于传统矢量控制的基本思想框图；

图2是本发明控制原理框图；

图3是本发明三相电流矢量合成示意图；

图4本发明的控制矢量合成图；

图5是实施例结构图；

图6是与图1对应的传统矢量控制流程图；

图7是与图2对应的本发明矢量控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如附图5所示，本发明基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置包括整流单元1、逆变器2、永磁同步电动机3、转子位置编码器4、电流传感器5、控制单元6、操作单元7、显示报警单元8和上位主机9。整流单元1经逆变器2与永磁同步电动机连接，转子位置编码器4和电流传感器5的输入端分别与永磁同步电动机3连接，输出端分别与控制单元6连接，控制单元6还分别与逆变器2、操作单元7、显示报警单元8和上位主机9连接。三相交流市电经整流单元1整流成稳定的直流电，再经过逆变器2逆变成电压和频率都可调的三相交流电后向永磁同步电动机3供电，实现对永磁同步电动机3的转速和力矩的控制。转子位置编码器4实时检测永磁同步电动机3转子位置，转子位置编码器4输出信号输入控制单元6，作为确定逆变器换相和电动机速度计算的基础。电流传感器5实时检测永磁同步电动机3的电流信号，电流传感器5输出信号输入控制单元6作为进行前述力矩运算的基础。控制单元6接受操作单元7或者上位主机9的设定信号和操作信号，接受转子位置编码器4的转子位置信号和电流传感器5检测的电动机电流信号进行电流环和速度环的各种运算，输出控制信号去实时控制逆变器的开关实现对电动机速度和转矩控制，同时将状态和报警信号输出到显示报警单元8进行显示和报警。本实施例中，整流单元1可采用日本新电元s30vta80 29型三相桥模块；逆变单元2可采用日本三菱产PM100RSE060型智能模块，电流为60A；永磁同步电动机3可采用三洋电机，其型号为P60B18350MXS1J永磁同步电动机；转子位置编码器4为附加在电动机3内的光电编码器，2000个脉冲/转；电流传感器5可采用LEM公司的LTSR 25-NP的霍尔电流传感器；控制单元6可采用TI(德州仪器)公司的TMS320QF2812数字信号处理器(DSP)；操作单元7采用广州诺信数字测控设备有限公司生产的SDS9-4CNCF型机床数字控制器；显示报警单元8采用普通发光二极管，它控制单元采用普通按钮。上位主机9还可以是其它数字控制器等部件。

与传统的矢量控制策略不同，本发明基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制思想如下：

根据电动机的转矩：T＝F_sF_r sinθ    (5)

式中F_s-----电动机定子磁势  F_r---动机的转子磁势  θ为两磁势之间的夹角；当θ为

时，同样可以得到与式(4)相同形式T_d＝p_mψ_ri_S，即当两个磁场正交时，i_d＝0，i_q＝i_s，只要能够保证两个磁势正交，就可以像直流电动机一样，通过控制定子电流来控制电动机的转矩了。而在永磁同步电动机中，F_r的空间位置是可以观测的，F_S的空间位置是可以计算的。只要在合适的坐标下保持 ${\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_s=\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 规律就可以实现上述转矩的控制。这样就不用将定子电流再变换到转子坐标系下，因而可以省略掉基于直角坐标控制中的PARK变换，简化运算和节省资源。本发明的原理控制框图如附图2所示，在极坐标系下将三相电流合成一个矢量，通过控制其模值和极角这两个极坐标系下的变量，实现基于极坐标系的矢量控制。三相电流矢量合成如附图3。采集到两相电流后，可以计算出第三相的电流值，从而得到静止ABC坐标系下定子三相电流值i_A、i_B和i_C，在极坐标系下，三个电流矢量相加，得到电流合矢量，如图3所示，极坐标下表示为；

电流合矢量的极坐标表达形式为，

$i_S|=\sqrt{{i_{\mathrm{\α}}}^2+{i_{\mathrm{\β}}}^2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\θ}}_S=\arccos \left(\frac{i_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{\α}}}^2+{i_{\mathrm{\β}}}^2}}\right)---\left(10\right)$

因为，θ_A＝0°，θ_B＝120°，θ_C＝240°，所以，

$i_{\mathrm{\α}}=\left|i_A\right|-\frac{1}{2}\left(\right|i_B|+|i_C\left|\right);$ $i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{2}\left(\right|i_B|-i_C|);$ 且|i_C|＝-(|i_A|+|i_B|)；

代入式(9)(10)得

$\left\{\begin{array}{c}\left|i_S\right|=\sqrt{{\left|i_A\right|}^2+\left|i_A\right|\left|i_B\right|+{\left|i_B\right|}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_S=\arccos (\sqrt{\frac{3}{2}}\×\frac{\left|i_A\right|}{\left|i_S\right|})\end{array}\right.---\left(11\right)$

有关环节说明如下：

(1)反馈电流合矢量模值调节

给定的电流合矢量i^*与反馈电流合矢量i_S在极坐标系下表达为：

速度给定与速度反馈比较经过PI调节，输出量可以视为极坐标系下电流合矢量的模值给定|i^*|，与反馈的电流合矢量的模值|i_S|比较经过PI调节，输出空间电压合矢量的模值|U_O|。

(2)反馈电流合矢量极角调节

电机编码器反馈转子极轴转动的角度θ_r，由于矢量控制的关键是将定子电流合矢量的方向控制在与极轴垂直的方向上，超前还是滞后90°由电机旋转的方向决定，若取逆时针方向旋转，则需要将定子电流合矢量控制在θ_r+90°的方向上，同时与电流检测反馈的实际电流合矢量的极角θ_s比较，Δθ＝(θ_r+90°)-θ_s，然后进行PI调节输出θ′_o，空间电压合矢量的极角，

θ_o＝θ′_o+θ_r    (12)

(3)电压空间合矢量生成SVPWM波形输出

调节后输出得电压空间合矢量表达为：

直接按照表1根据θ_o判断扇区，

表1

令相邻两个基本电压空间矢量U_x/U_y在一个载波周期T内的作用时间T_x/T_y如附图4。其中：

$\left|U_O\right|e^{{\mathrm{\θ}}_o}=\frac{T_x}{T}\×\left|U_x\right|e^{{\mathrm{\θ}}_x}+\frac{T_y}{T}\×\left|U_y\right|e^{{\mathrm{\θ}}_y}---\left(14\right)$

根据三角形的正弦定理有

同时，由 ${\left|U_x\right|}_{=}{\left|U_y\right|}_{=}\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_D,$ 代入式(15)解得，

式中，U_D为直流母线电压；三个时间比较器的切换时间T₁、T₂和T₃

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=\frac{1}{4}(T_s-T_x-T_y)\\ T_b=T_a+\frac{1}{2}{T}_x\\ T_c=T_b+\frac{1}{2}{T}_y\end{array}\right.---\left(17\right)$

对于不同的扇区，T₁、T₂和T₃按照表2取值，

表2

扇区N	1	2	3	4	5	6
							T1	Tb	Ta	Ta	Tc	Tc	Tb
T2	Ta	Tc	Tb	Tb	Ta	Tc
							T3	Tc	Tb	Tc	Ta	Tb	Ta

将T₁、T₂和T₃作为三个比较寄存器的比较值，得到SVPWM波形输出控制逆变器驱动电机运行。

根据上述原理，如图2、图7所示本发明的控制方法包括如下具体步骤：

第一步 确定转子磁极的初始位置

当电动机处于静止状态时，首先监测电动机转子磁极的位置，将电动机的定子通入一个测试信号，读入电动机编码器的信号就可以得到电动机转子磁极的初始位置；

第二步，根据转子位置按照定转子磁极正交的要求确定电动机定子的电流矢量电动机静止时，电流设有反馈，幅角为(正负号根据转动方向确定)，电流幅值为设定的启动电流，这两个设定值分别输入到各自的PI调节器并得到输出Θ_S-R和|U|，进而计算T_X和T_Y，通过SVPWM环节计算并产生相应的触发脉冲信号，开关模块在触发信号的作用下将模块直流母线电压加到电动机定子端，产生要求的电流矢量，电动机便在电流矢量的作用下旋转起来；

第三步，读入定子电流的实际值I_a和I_b，并按照式(11)计算定子电流的幅值|I_S|和相位角Θ_S，

第四步，从电动机的编码器读取电动机的转子位置，计算定、转子位置差并按照式(12)计算幅角设定值Θ₀。

由于第三步和第四步不断进行转子位置的偏差检测并进行偏差的闭环调节，而PI调节器的积分调节作用使得定、转子磁场始终保持正交，只要出现偏差，该闭环调节就产生向减少偏差方向的调节作用；

第五步，在电动机的定、转子磁场保持正交的条件下，就可以按照式(3)或式(4)来控制电动机的转矩，其控制的过程与直流电动机的过程方法相似。速度调节器的输出就是电流设定值，在定转子磁场正交的条件下，sinθ＝1，永磁电机的转子磁场在非弱磁条件下为恒定值，转矩与定子磁场成正比即与定子电流为正比。经过变换的电流幅值|I_S|与电流设定值进行比较求出电流的偏差，然后经过电流调节器进行闭环调节，输出电流矢量设定值|U|，通过计算得到SVPWM的控制信号T_x和T_y，使开关模块产生新的电压矢量加到电动机的电子绕组。只要出现偏差，该闭环调节就产生向减少偏差方向的调节作用。另外，转速环的控制与传统的矢量控制相同，不在赘述。

Claims (5)

1、一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，其特征在于利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的位置偏差，并将该偏差设定为±90°，构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子电流(定子磁场)进行控制以实现对永磁同步电动机转矩的控制。

2、根据权利要求1所述的基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，其特征在于具体控制过程为：(1)首先将检测的永磁同步电动机的三相电流获得合成的三相电流矢量以极坐标的形式(幅值和相位)表示，得到定子磁场的相位；根据编码器的信号获得转子磁场的相位；(2)然后根据两者计算定、转子磁场的相位差和计算与正交设定之间偏差并进行闭环控制，从而确保定转子磁场处于正交，使电动机的转矩仅由定子电流确定；(3)最后在极坐标系中，通过调节器获得定子电流的模值与极角两个控制量，并把定子电流的在极坐标系的模值与极角两个控制量转换成三相坐标的控制量，输出到逆变器开关器件的控制端，对逆变器的关元件进行控制而实现了对永磁同步电动机的控制。

3、一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置，包括整流单元、逆变器、永磁同步电动机、转子位置编码器、电流传感器、控制单元、操作单元、整流单元经逆变器与永磁同步电动机连接，三相交流市电经整流单元整流成稳定的直流电，再经过逆变器逆变成电压和频率都可调的三相交流电后向永磁同步电动机供电，实现对永磁同步电动机的转速和力矩的控制，其特征在于：转子位置编码器和电流传感器的输入端分别与永磁同步电动机连接，输出端分别与控制单元连接，控制单元的控制输出连接逆变器，操作单元与控制单元的相应操作信号输入端口连接；转子位置编码器实时检测永磁同步电动机转子位置，转子位置编码器输出信号输入控制单元，作为确定逆变器换相和电动机速度处理的依据，电流传感器实时检测永磁同步电动机的电流信号，电流传感器输出信号输入控制单元作为进行力矩处理的依据，控制单元接受转子位置编码器的转子位置信号和电流传感器检测的电动机电流信号进行电流环和速度环的各种处理，输出控制信号去实时控制逆变器的开关实现对电动机速度和转矩控制。

4、根据权利要求1所述的基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置，其特征在于还设有显示报警单元，显示报警单元与控制单元上相应的显示输出端口连接，控制单元将状态和报警信号输出到显示报警单元进行显示和报警。

5、根据权利要求1所述的基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置，其特征在于还设有上位主机，上位主机与控制单元上相应的数据通讯端口连接，控制单元接受上位主机的速度设定信号。

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