CN101577517A - 一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及方法，属于交流电机传动技术领域。本装置包括永磁同步电机、信号检测电路、处理器和逆变器。永磁同步电机的电流信号、直流母线电压信号分别输出给信号检测电路，信号检测电路将其送至处理器进行处理得到开关信号给逆变器，进而控制电机。本发明根据定子磁链幅值误差和电磁转矩误差分别估算定子旋转坐标系下的参考电压矢量，再将参考电压矢量变换到定子两相静止坐标系下，最后以空间矢量调制方式产生逆变器的开关信号以控制永磁同步电机。本发明采用空间矢量调制方法并以比例控制器替代传统的滞回比较器，可有效降低磁链和转矩的脉动，采用的电压矢量估算方法简单，可简化控制系统结构使之易于实现。

Description

一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及方法

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，尤其是一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及方法。

背景技术

直接转矩控制是一种高性能的交流调速控制策略，首先由德国的depenbrock和日本的takahashi针对异步电机应用而分别提出，后由ABB公司在20世纪90年代推出了相应的产品。1997年澳大利亚新南威尔士大学的Rahman教授将直接转矩控制方法引入到永磁同步电机(PMSM)中。

永磁同步电机的常规直接转矩控制方法采用转矩滞回比较器和磁链滞回比较器，根据定子磁链的位置，从开关表里选取合适的电压矢量对磁链和转矩进行控制。由于可供选择的电压矢量只有8个，选择的电压矢量无法同时满足系统对磁链和转速的双重要求，会导致电机系统出现较大的转矩和磁链波动；另外，滞回比较器会导致系统的开关频率不恒定。近年来，空间矢量调制(SVM)方法被引入到直接转矩控制中来，如专利ZL 200710019081，但是所采用的电压估算方法较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有直接转矩控制方法的上述缺陷，提供了一种永磁同步电机的新型直接转矩控制方法。该方法利用空间矢量调制技术获得更多的、连续变化的空间电压矢量，并用电压估算算法替代滞回比较器，控制方法简单并且实现了对定子磁链和电机电磁转矩的精确控制，提高了直接转矩系统的性能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括永磁同步电机1、信号检测电路2、处理器3和逆变器4。其中：

永磁同步电机1与信号检测电路2相连接，永磁同步电机1的电流信号输出给信号检测电路2；

信号检测电路2和逆变器4相连接，逆变器4输出永磁同步电机1的直流母线电压信号给信号检测电路2；

信号检测电路2和处理器3相连接，信号检测电路2的输出电压、电流信号送至处理器3；

处理器3和逆变器4相连接，处理器3输出的开关信号给逆变器4；

逆变器4和永磁同步电机1相连接，逆变器4输出三相交流电给永磁同步电机1。

本发明的控制方法：是根据定子磁链幅值误差和电磁转矩误差分别估算定子旋转坐标系下的参考电压矢量，再将参考电压矢量变换到定子两相静止坐标系下，最后以空间矢量调制方式产生逆变器的开关信号以控制永磁同步电机。

实现该控制方法的处理器包括3/2变换模块5、磁链和转矩估算模块6、磁链电压转换模块7、转矩电压转换模块8、坐标变换模块9和SVM模块10，均在处理器3中用软件实现，依次有以下步骤：

1)根据输入到处理器3的电压、电流信号经3/2变换模块5、磁链和转矩估算模块6估算当前定子磁链和电磁转矩，其中，3/2变换模块5完成坐标变换功能，磁链和转矩估算模块6实现磁链和转矩估算；

2)磁链和转矩估算模块6输出磁链幅值|ψ_s|与给定磁链幅值|ψ_s ^*|的误差经过磁链电压转换模块7得到参考电压矢量分量u′_x；磁链和转矩估算模块6输出的转矩T与给定转矩T^*的误差经过转矩电压转换模块8得到参考电压矢量分量u′_y；xy坐标系为定子旋转坐标系，其中，x轴定位沿着定子磁链瞬时指向方向，y轴定位于x轴逆时针旋转90度的方向；

3)对参考电压u′_x、u′_y进行限幅，得到u_x ^*、u_y ^*分别作为磁链电压转换模块7和转矩电压转换模块8的输出；

4)坐标变换模块9实现坐标系变换功能，将输入的u_x ^*、u_y ^*变换到定子静止αβ坐标系，得到电压分量u_α ^*和u_β ^*；

5)SVM模块10实现空间矢量调制功能，送至SVM模块10的u_α ^*、u_β ^*通过空间矢量调制算法产生逆变器的开关信号S_a、S_b、S_c控制逆变器4。

本发明具有以下优点：

1)采用空间矢量调制方法并以比例控制器替代传统的滞回比较器，可有效降低磁链和转矩的脉动；

2)采用的电压矢量估算方法简单，可简化控制系统结构使之易于实现；

3)保证了逆变器开关频率恒定，可减少开关损耗并充分利用功率器件。

附图说明

图1是系统结构框图

图2是坐标系示意图

图中：1、永磁同步电机，2、信号检测电路，3、处理器，4、逆变器，5、3/2变换模块，6、磁链和转矩估算模块，7、磁链电压转换模块，8、转矩电压转换模块，9、坐标变换模块，10、SVM模块。

具体实施方式

下面结合图1、图2对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例包括有永磁同步电机1、信号检测电路2、处理器3和逆变器4。其中，模块5到模块10为控制算法，均在处理器3中通过软件实现。具体实施步骤如下：

1)通过信号检测电路2检测的永磁同步电机1的直流母线电压u_dc、定子绕组线电流信号i_a、i_b输入到处理器3，也即该信号进入3/2变换模块5，经3/2变换模块5进行坐标变换得到αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，并将上述信号送至磁链和转矩估算模块6，则具体算法如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ -i_a-i_b\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=u_{\mathrm{dc}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$

式中S_a、S_b、S_c为当前时刻逆变器4的开关信号。

2)通过磁链和转矩估算模块6估算出αβ坐标系下定子磁链分量ψ_sα与ψ_sβ，当前磁链幅值|ψ_s|和转矩估计值T，算法如下：

ψ_sα＝∫(u_α-R_si_α)dt

ψ_sβ＝∫(u_β-R_si_β)dt

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

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

式中R_s为永磁同步电机的定子电阻，N_p为永磁同步电机的极对数。

3)磁链和转矩估算模块6输出磁链幅值|ψ_s|与给定磁链幅值|ψ_s ^*|的误差经过磁链电压转换模块7得到参考电压矢量分量u′_x，算法如下：

$u_x^{\′}=k_2\×\left(\right|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}|-|{\mathrm{\ψ}}_s\left|\right)$

式中k₂＞0。

4)磁链和转矩估算模块6输出的转矩T与给定转矩T^*的误差经过转矩电压转换模块8得到参考电压矢量分量u′_y，算法如下：

u′_y＝k₁×(T^*-T)

式中k₁＞0。

5)对参考电压u′_x、u′_y进行限幅，得到u_x ^*作为磁链电压转换模块7的输出、u_y ^*作为转矩电压转换模块8的输出，具体算法如下：

若 $\sqrt{u_x^{\′2}+u_y^{\′2}}>\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}$

则 $u_x^{*}=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\sqrt{u_x^{\′2}+u_y^{\′2}}}{u}_x^{\′}$

$u_y^{*}=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\sqrt{u_x^{\′2}+u_y^{\′2}}}{u}_y^{\′}$

否则 $u_x^{*}=u_x^{\′}$

$u_y^{*}=u_y^{\′}$

6)坐标变换模块9根据磁链位置θ将输入的u_x ^*、u_y ^*变换成αβ坐标系下的电压分量u_α ^*和u_β ^*，算法如下：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}$

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_x^{*}\\ u_y^{*}\end{array}\right]$

7)送至SVM模块10的u_α ^*、u_β ^*通过空间矢量调制算法产生开关信号S_a、S_b、S_c控制逆变器4，进而驱动电机。

图2是坐标系示意图，包括xy坐标系和αβ坐标系。xy坐标系为定子旋转坐标系，其中，x轴定位沿着定子磁链瞬时指向方向，y轴定位于x轴逆时针旋转90度的方向；αβ坐标系为定子静止坐标系，其中，α轴定位在定子A相绕组轴线方向，β轴定位于α轴逆时针旋转90度的方向；x轴与α轴之间的夹角为θ。

Claims (2)

1、一种永磁同步电机的直接转矩控制装置，其特征在于：包括永磁同步电机(1)、信号检测电路(2)、处理器(3)和逆变器(4)；其中：

永磁同步电机(1)与信号检测电路(2)相连接，永磁同步电机(1)的电流信号输出给信号检测电路(2)；

信号检测电路(2)和逆变器(4)相连接，逆变器(4)输出永磁同步电机(1)的直流母线电压信号给信号检测电路(2)；

信号检测电路(2)和处理器(3)相连接，将永磁同步电机(1)的电压、电流信号送至处理器(3)，处理器(3)经过计算得到开关信号给逆变器(4)；

逆变器(4)和永磁同步电机(1)相连接，逆变器(4)输出三相交流电给永磁同步电机(1)。

2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机的直接转矩控制装置的控制方法，其特征在于，实现该控制方法的处理器(3)包括通过软件实现的3/2变换模块(5)、磁链和转矩估算模块(6)、磁链电压转换模块(7)、转矩电压转换模块(8)、坐标变换模块(9)和SVM模块(10)，其具体步骤如下：

1)信号检测电路(2)将永磁同步电机(1)的直流母线电压u_dc、定子绕组线电流信号i_a、i_b输入到处理器(3)中的3/2变换模块(5)，经3/2变换模块(5)进行坐标变换得到αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，并将上述信号送至磁链和转矩估算模块(6)；

2)磁链和转矩估算模块(6)估算出αβ坐标系下定子磁链幅值|ψ_s|和转矩估计值T；

3)磁链和转矩估算模块(6)输出磁链幅值|ψ_s|与给定磁链幅值|ψ_s ^*|的误差经过磁链电压转换模块(7)得到参考电压矢量分量u′_x，算法如下：

$u_x^{\′}=k_2\×\left(\right|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}|-|{\mathrm{\ψ}}_s\left|\right)$ 其中：k₂＞0；

4)磁链和转矩估算模块(6)输出的转矩T与给定转矩T^*的误差经过转矩电压转换模块(8)得到参考电压矢量分量u′_y，算法如下：

u′_y＝k₁×(T^*-T)  其中：k₁＞0；

5)分别对参考电压矢量分量u′_x、u′_y进行限幅，得到u_x ^*作为磁链电压转换模块(7)的输出、u_y ^*作为转矩电压转换模块(8)的输出，具体算法如下：

若 $\sqrt{{u_x^{\′}}^2+{u_y^{\′}}^2}>\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}$

则 $u_x^{*}=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\sqrt{{u_x^{\′}}^2+{u_y^{\′}}^2}}{u}_x^{\′}$

$u_y^{*}=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\sqrt{{u_x^{\′}}^2+{u_y^{\′}}^2}}{u}_y^{\′}$

否则 $u_x^{*}=u_x^{\′}$

$u_y^{*}=u_y^{\′}$

6)坐标变换模块(9)根据磁链位置θ将u_x ^*、u_y ^*变换成αβ坐标系下的电压分量u_α ^*和u_β ^*，算法如下：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}$

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{*}\\ {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\β}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_x^{*}\\ u_y^{*}\end{array}\right]$

7)送至SVM模块(10)的u_α ^*、u_α ^*通过空间矢量调制算法产生开关信号来控制逆变器(4)，进而驱动永磁同步电机(1)。

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