CN101938245A - 隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法，该方法首先根据转矩观测器观测得到的电机转矩确定在一定的负载转矩下所需的定子磁链交轴分量，从减小电机直轴电流提高功率因数角度出发以转子永磁体磁链作为定子磁链直轴分量，合成定子磁链直交轴分量最终得到直接转矩控制方法中的定子磁链给定，该定子磁链给定随着电机负载转矩的变化而自适应变化，在保证转矩响应快速性的同时实现永磁同步电机高功率因数运行。

Description

隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法

技术领域

本发明所涉及的是一种适用于隐极式永磁同步电机的磁链自适应直接转矩控制方法，属永磁同步电机直接转矩控制应用方法

背景技术

永磁同步电机因其损耗小、效率高、功率密度高等诸多优点使得其应用范围几乎涵盖了航空航天、国防、工业以及日常生活的各个领域，特别是在高性能交流调速场合，永磁同步电机的应用范围进一步扩大。

直接转矩控制方法不要求严格的磁场定向，省去了电流环，对电机参数依赖低，能够实现对电机转矩的直接控制，动态性能优良，受到了广泛关注。

1997年在美国IEEE PE杂志上公开了一种永磁同步电机直接转矩控制方案。随后，国内外技术人员对该技术进行了深入研究，取得了很多成果。纵观所取得的研究成果，虽然在具体实现方法上各有特点，但大多通过保持定子磁链幅值恒定，迅速控制转矩角实现对电机转矩的有效控制。传统永磁同步电机直接转矩控制方法在额定条件下运行时，定子磁链给定一般为其额定值，而当电机空载运行时，电机转矩仅用来克服摩擦阻力的影响，如果仍然要求保持定子磁链为其额定值，则在空载情况下需要提供额外的定子无功电流来保持定子磁链幅值恒定，而无功电流的引入必然导致电机功率因数降低，因此，有必要研究永磁同步电机直接转矩控制方法中定子磁链新的控制方法，以保证永磁同步电机具有良好动态性能的同时电机功率因数得到有效提高。

发明内容

本发明的目的是：解决传统隐极式永磁同步电机直接转矩控制在电机空载和轻载运行时功率因数偏低的问题，以保证电机在具有良好动态性能的同时也具有很高的功率因数。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路三大部分组成。主回路由隐极式永磁同步电机与功率变换器串联，将功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器和电压传感器组成；控制回路由模数转换器连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元，产生功率变换器所需的驱动信号，再连于与功率变换器相连的变换器控制信号处理单元所组成。在检测回路中，采用无速度传感器技术实现对电机转速的闭环控制；在控制回路中不需要电流闭环控制。

隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法，其特征在于，隐极式永磁同步电机转矩取决于定子磁链幅值和转矩角二者共同作用的结果，由于永磁同步电机转子永磁体磁链恒定，而定子磁链幅值和转矩角正弦值二者的乘积即为定子磁链交轴分量，则电机转矩直接和定子磁链交轴分量成正比，通过控制定子磁链交轴分量即可实现对电机转矩的直接控制，而对定子磁链直轴分量没有要求。由于定子磁链交直轴分量直接和电流交直轴分量相关，而电机电流直轴分量没有参与电机转矩的产生，额外的直轴电流分量会增加无功电流分量，降低电机功率因数，从保持电机转矩响应的快速性同时提高电机运行的功率因数角度对定子磁链给定进行控制。根据直接转矩控制方法中的转矩观测器首先得到电机实际转矩，由电机实际转矩确定所需的定子磁链交轴分量，由于定子电流的直轴分量没有参与电机转矩的产生，从尽量减小无功电流角度确定定子磁链直轴分量为转子永磁体磁链，合成定子磁链交轴分量和定子磁链直轴分量最终得到直接转矩控制方法中的定子磁链给定值，以该给定值作为直接转矩控制中的磁链给定实现电机定子磁链随电机转矩的变化而自适应的变化，在保证电机转矩响应快速性的同时实现电机高功率因数运行。

附图说明

图1永磁同步电机直接转矩控制系统硬件组成框图。

图2永磁同步电机相量图。

图3定子绕组为三角形连接的永磁同步电机电压矢量和定转子磁链位置示意图。

图1中各框图内的编号名称分别是；1、永磁同步电机，2、功率变换器，3、变换器控制电路，4、基于数字信号处理器的控制单元，5、模数转换器A/D，6、电流传感器和电压传感器。

图2中符号名称：，

-端电压相量，

-电机电流相量，

-电机空载反电势相量，θ_UI-电机端电压相量和电机电流相量之间的夹角，即功率因数角，θ_EI-电机电流相量和空载反电势相量之间的夹角，即为内功率因数角，δ-电机端电压相量和空载反电势相量之间的夹角，即为转矩角。

图3中符号名称：αβ-两相静止坐标系，ψ_s-电机定子磁链幅值，θ_se-定子磁链相对于α轴角度，ψ_f-转子永磁体磁链，θ_re-转子磁链相对于α轴角度，δ-定子磁链和转子磁链之间的夹角，V1～V6-六个运动电压矢量。

具体实施方法

根据附图叙述本发明的具体实施方式、工作原理和工作过程：

本发明所提出的隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法基于图1所示永磁同步电机直接转矩控制硬件系统来实现，该硬件系统包括由隐极式永磁同步电机1、功率变换器2二者连接而成的主回路；由电流传感器和电压传感器6组成的检测回路，由模数转换器A/D 5连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元4后再连于变换器控制信号3所组成的控制回路。功率变换器可由分立的IGBT功率管或功率场效应管组成，也可由集成的智能功率模块(IPM)构成；电流电压传感器为霍尔传感器，或为采样电阻。传感器将主回路上的电流和电压转变为弱电的模拟电压信号，进入模数转换器A/D，由它将模拟信号转换为数字信号，再送给DSP控制单元所用。根据采样得到的信号计算出定子磁链和转矩，通过磁链和转矩调节器选择最优电压矢量，经由变换器控制信号3，发出驱动信号控制主回路中的功率变换器。在控制回路中没有电流闭环并采用无速度传感器技术实现对电机转速的闭环控制。

在图1所示硬件平台上进行永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法的具体实现，结合附图叙述本发明提出的隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法基本原理及设计过程如下：

对于隐极式永磁同步电机，其转矩如式(1)所示，

$T_e=\frac{3p}{3L_s}{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中T_e为电机转矩，p为电机极对数，L_s为电机直交轴电感，ψ_s为定子磁链，ψ_f为转子磁链，δ为定转子磁链之间的夹角，即转矩角。在dq转子同步旋转坐标系中有式(2)所示关系，其中，ψ_sd，ψ_sq分别为定子磁链直轴和交轴分量，L_d，L_q分别为直轴和交轴电感，i_sd，i_sq分别为电机直轴电流和交轴电流分量，

ψ_sd＝L_di_sd+ψ_f

ψ_sq＝L_qi_sq                      (2)

${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}^2}$

根据转矩表达式(1)可得电机转矩和定子磁链分量之间的关系如下：

$T_e=\frac{3p}{2L_s}{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\δ}---\left(3\right)$

$=\frac{3p}{2L_s}{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}$

从式(3)中可知，电机转矩仅和定子磁链的交轴分量有关，二者之间为正比关系，也即，只要改变ψ_sq，就能控制电机转矩。这个思想比传统直接转矩控制通过两个控制环：控制ψ_s幅值和转矩角要来得简洁，同时式(3)中对ψ_sd无任何要求，为提高功率因数，显然，我们希望无功电流尽可能的小。而无功电流由i_sd和谐波电流组成，既然式(3)对ψ_sd无任何要求，自然，直轴电流i_sd越小越好，当它为零时，ψ_sd＝ψ_f。这样，对于一个所需要的电磁转矩T_e，就能确定对应的ψ_sd和ψ_sq，也即有一个确定的定子磁链，它的幅值可由式(4)计算得到，其中

便为定子磁链给定，

ψ_sd＝ψ_f

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=\frac{2T_e{L}_s}{3p{\mathrm{\ψ}}_f}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ψ}}_s^{*}=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}}^2}$

从式(4)中可知，相比于传统永磁同步电机直接转矩控制方法，本方法中定子磁链给定不再是一个恒定不变的值，它随着电机转矩的变化而变化，我们把这种控制方法称为磁链自适应直接转矩控制。

当采用磁链自适应直接转矩控制方法时，需要对电机功率因数变化情况进行定量分析。而在直接转矩控制方法中，电机端电压由一系列离散的电压矢量构成，直接测量电机端电压和电机电流之间的功率因数角比较困难，这里通过一种间接的方法来得到功率因数角以便于定量分析。对于永磁同步电机，其端电压相量

电机电流相量

和电机空载反电势相量

之间的相量示意图如图2所示，以图2中所示的相对位置为参考，可得到三个角度之间满足如下关系：

δ＝θ_UI+θ_EI                       (5)

结合图2可知，式(5)中内功率因数角θ_EI和电机直交轴电流分量之间有如下关系成立：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{EI}}=\arctan \frac{I_{\mathrm{sd}}}{I_{\mathrm{sq}}}---\left(6\right)$

又根据转矩表达式(1)可知，电机转矩角可表示为下式：

$\mathrm{\δ}=\arcsin \frac{2T_e{L}_s}{3p{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f}---\left(7\right)$

综上可知永磁同步电机直接转矩控制系统中电机功率因数角可由下式求得：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{UI}}=\arcsin \frac{2T_e{L}_s}{3p{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f}-\arctan \frac{I_{\mathrm{sd}}}{I_{\mathrm{sq}}}---\left(8\right)$

通过式(8)即可得到电机不同负载转矩条件下的功率因数。下面介绍一下磁链自适应直接转矩控制方法控制过程。

根据式(4)所确定的定子磁链给定，同时，结合下式所示磁链和转矩调节器得到定子磁链和转矩调节器输出结果，

和传统永磁同步电机直接转矩控制方法不同的是，磁链自适应直接转矩控制方法中定子磁链给定不再是一个定值，而是根据电机转矩情况自适应变化，其值由式(4)确定。式(9)中φ为磁链调节器输出标志，φ为1表示需要增加定子磁链，φ为0表示需要减小定子磁链。

为电机给定转矩，ΔT_err为转矩调节器中零电压矢量作用范围，τ为转矩调节器输出标志，τ为1表示需要增加电机转矩，τ为-1表示需要减小电机转矩，τ为0表示需要保持电机转矩。根据图1中子磁链相对于α轴角度θ_se的变化范围得到永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制电压矢量选择表如表1所示：

表1永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制电压矢量选择表

永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法根据观测到的电机转矩结合式(4)确定定子磁链给定，将观测到的电机实际定子磁链和电机转矩经过式(9)分别得到磁链和转矩调节器输出结果，结合定子磁链所处扇区根据表1选择电压矢量实现对电机转矩的直接控制。

Claims (1)

1.一种隐极式永磁同步电机磁链自适应直接转矩控制方法，其特征在于，从提高电机功率因数同时保持快速的转矩响应的角度，对隐极式永磁同步电机直接转矩控制中的定子磁链进行动态控制，电机定子磁链由直轴分量和交轴分量组成，由于定子磁链的交轴分量和电机转矩成正比，由电机转矩确定定子磁链交轴分量，而由于对定子磁链直轴分量没有要求，为降低无功电流分量，提高电机功率因数，定子磁链的直轴分量取转子永磁体磁链的量值，由这样得到的定子磁链交、直轴分量合成得到直接转矩控制所需要的定子磁链幅值给定，该定子磁链给定随着电机负载转矩的变化而自适应变化，在保证转矩响应快速性的同时实现永磁同步电机高功率因数运行。

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