CN102201779A - 永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法，其特征在于：该方法利用永磁同步电机在同步轴系下的定子磁链来检测电磁转矩，其计算方法无需定子电感L_d、L_q和永磁体磁链ψ_f等随电机运行状态变化较大的参数，保证了不同运行状态下电磁转矩计算的精确性。引入电磁转矩计算值的增量作为反馈，建立转矩角的自动寻优算法并通过转矩角的闭环控制得到定子d、q轴电流的给定值，在定子d、q轴电流的闭环控制的作用下实现最大转矩电流比的精确控制。该方法既提高了控制系统鲁棒性，又具有良好的稳态控制精度和动态跟踪能力，特别适用具有宽运行范围和希望最大限度发挥转矩潜能的永磁同步电机的控制领域。

Description

永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比的控制方法，特别是涉及一种永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高功率密度、低噪声，高转矩电流比、强鲁棒性等优势，在要求具有宽调速范围和优良的转矩特性的驱动控制领域中得到了广泛的应用。为了能够充分利用逆变器容量，最大限度的发挥永磁同步电机的转矩潜能，现有技术以转子磁场定向的永磁同步电机同步轴系下的数学模型为基础，根据电磁转矩与电机参数、定子d、q轴电流的关系，利用定子电感参数L_d、L_q和永磁体磁链参数ψ_f计算出最大电磁转矩所对应的定子d、q轴电流的给定值，并通过d、q轴电流的闭环控制来实现最大转矩电流比的控制。

检索国内外专利及相关文献对比分析，目前尚未发现与本发明方法类似的专利报道，但与本发明接近的国内外文献有以下两篇：

(1)李长红、陈明俊、吴小役，PMSM调速系统中最大转矩电流比控制方法的研究，《中国电机工程学报》，2005，25(21)：169-174

(2)Bing Cheng、Tod R.Tesch，Torque Feedforward Control Technique for Permanent-Magnet Synchronous Motors，IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(3)：969-974

文献(1)给出了一种可工程应用的近似最大转矩电流比的控制方法，该方法采用拉格朗日乘子算法求取永磁同步电机输出最大转矩下同步轴系d、q轴电流的给定值，并通过d、q轴电流的闭环控制实现最大转矩电流比控制。该方法采用的电磁转矩与定子d、q轴电流的关系式依赖于电机参数，电机参数的准确性对系统的运行和控制性能有较大影响，而永磁同步电机在不同运行状态下，其定子电感和永磁体磁链参数受到磁路饱和等因素影响会发生较大变化，由于该方法未考虑电机参数变化带来的影响，因而在运行范围较宽的领域内会偏离最大转矩电流比的运行点，不能最大限度的发挥永磁同步电机的转矩潜能和充分利用逆变器的容量。

文献(2)采用的电磁转矩与定子d、q轴电流的关系式仍然依赖于电机参数，为了考虑电机参数变化对最大转矩电流比控制精确性的影响，依据电机在有限元分析下得到的定子电感L_d、L_q和永磁体磁链ψ_f随i_d、i_q电流变化的三维图，通过查表法得到不同运行状态下的电机参数，实现了基于转矩前馈的最大转矩电流比控制方法。该方法虽然能够在较宽的运行范围内维持电机运行于最大转矩电流比的运行点，但是电机参数三维图绘制需要专业人员通过有限元分析后得到，计算过程比较复杂，而且针对不同的永磁同步电机必须重新绘制电机参数三维图，工作量较大，且需要占据大量的存储区域，此外，该方法还须根据不同电机进行存储数据的大量修改，因而在工程实际运用中存在较大的局限性。

上述方案虽能在一定范围内满足永磁同步电机最大转矩电流比控制的需求，但由于这些方案中所采用的控制模型均局限于采用定子电感参数L_d、L_q和永磁体磁链参数ψ_f来得到电磁转矩与定子d、q轴电流的关系，因而在工程实际运用中急需一种永磁同步电机最大转矩电流比的新的控制方法来解决现有永磁同步电机最大转矩电流比的控制方法对定子电感和永磁体磁链参数的依赖性，使最大转矩电流比控制在电机参数变化的条件下仍然具备高精确性，实现充分利用逆变器的容量和最大限度发挥永磁同步电机转矩潜能的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有永磁同步电机最大转矩电流比的控制方法的不足，而提供一种永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法。该方法的原理为：利用永磁同步电机在同步轴系下的定子磁链来检测电磁转矩，引入电磁转矩的增量作为反馈，建立转矩角(定子电流矢量与同步轴系d轴间的电角度)的自动寻优算法，得到定子d、q轴电流的给定值，因此无需利用定子电感参数L_d、L_q和永磁体磁链参数ψ_f参与计算，避免了不同运行状态下电机参数变化造成的影响，实现最大转矩电流比的精确检测与控制。

本发明提供的永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法，它可以通过以下方案加以实现：

a)首先通过检测定子相电流I_sa、I_sb和转子位置角θ经abc/dq坐标变换而得到转子磁场定向的同步轴系下的定子电流分量I_sd和I_sq；

b)通过检测电机旋转电角速度ω_e，建立定子磁链检测电磁转矩的方程；永磁同步电机在同步轴系下的稳态电压方程为

U_sd＝R_sI_sd-ω_eψ_q

U_sq＝R_sI_sq+ω_eψ_d

其中：U_sd、U_sq为定子控制电压在同步轴系下的分量；R_s为定子电阻；ω_e为电机旋转电角速度；ψ_d、ψ_q为定子磁链在同步轴系下的分量。

ψ_d、ψ_q的计算式为

${\mathrm{\ψ}}_q=\frac{R_s{I}_{\mathrm{sd}}-U_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_e}$

${\mathrm{\ψ}}_d=\frac{{U_{\mathrm{sq}}-R}_s{I}_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_e}$

上式表明：与定子磁链ψ_d、ψ_q有关的电机参数只有定子电阻R_s，而与定子电感L_d、L_q和永磁体磁链ψ_f无关。

根据a)中得到的I_sd和I_sq值，利用U_sd、U_sq的当前状态值、检测得到的ω_e值和定子电阻参数R_s计算出定子磁链值。

电磁转矩T_em的计算式为

T_em＝p(ψ_dI_sq-ψ_qI_sd)

上式表明：由于ψ_d、ψ_q的值仅受R_s的影响，因此T_em的检测值也仅受R_s的影响，避免了不同运行状态磁路饱和程度不同而造成的L_d、L_q和ψ_f参数发生较大变化对电磁转矩检测准确性的影响。

再根据定子磁链值ψ_d、ψ_q和a)中所得到的I_sd、I_sq值计算出电磁转矩检测值。

c)引入电磁转矩增量ΔT_em反馈并建立转矩角β的控制方程；

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{em}}=\frac{T_{\mathrm{em}\left(n\right)}-T_{\mathrm{em}(n-1)}}{T_{\mathrm{em}(n-1)}}$

其中：T_em(n)、T_em(n-1)分别为电磁转矩当前的检测值和前一次的检测值。

转矩角β的控制方程为

β＝β₀+PI(ΔT_em)

其中：β₀为定子电流矢量角度的前一运行状态值；PI(ΔT_em)为ΔT_em的比例积分控制器的输出值。

d)根据定子电流矢量幅值的给定值和转矩角β而得到定子d、q轴电流的给定值

和

与定子电流矢量幅值的给定值

和转矩角β的关系式为

$I_{\mathrm{sd}}^{*}=I_s^{*}\cos \mathrm{\β}$

$I_{\mathrm{sq}}^{*}=I_s^{*}\sin \mathrm{\β}$

e)建立带有交叉解耦项和前馈项的d、q轴的控制电压方程；前馈项U_sd′和U_sq′的值由电压稳态方程式计算

U_sd＝RI_sd-ω_eψ_q

U_sq＝RI_sq+ω_eψ_d

交叉解耦项U_sd″和U_sq″由d轴电流调节器输出PI(I_sd)与q轴电流调节器输出PI(I_sq)计算

U_sd″＝R{PI(I_sd)}-ω_eL_q{PI(I_sq)}

U_sq″＝R{PI(I_sq)}+ω_eL_d{PI(I_sd)}

d、q轴控制电压值的计算式为

U_sd＝U_sd′+U_sd″

U_sq＝U_sq′+U_sq″

f)通过d、q轴控制电压U_sd、U_sq和转子位置角θ经dq/αβ坐标变换而得到定子静止两相轴系的电压分量U_sα和U_sβ；

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ U_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]$

g)通过U_sα和U_sβ按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号实现对逆变器的控制。

附图说明

图1为本发明提供的定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法示意图。

图2为本发明提供的定子磁链检测电磁转矩的示意图。

图3为定子电流矢量幅值的给定值

恒定时的定子电流幅值I_s、定子d、q轴电流I_sd和I_sq、电磁转矩T_em和转矩角β的运行效果图。在附图3中，包括4.2秒前采用I_d＝0的控制效果和4.2秒后采用本发明的控制效果。

图4为定子电流矢量幅值的给定值

发生阶跃变化时的定子电流幅值I_s、定子d、q轴电流I_sd和I_sq电磁转矩T_em和转矩角β的运行效果图。在附图4中，3.2秒时定子电流矢量幅值的定值

从60安培阶跃到80安培。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

在附图1中，永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法，它可以通过以下方案来加以实施。

a)信号检测部分

定子相电流I_sa、I_sb信号检测：利用霍尔电流传感器检测I_sa、I_sb信号，经调理电路和滤波器处理后送入控制器的AD转换通道，实现对电流信号的检测；

转子位置角和转速检测：利用与电机转子同轴旋转的旋转变压器的输出信号，经旋转变压器解码芯片译码后送入控制器，实现对转子位置角和转速的检测。

b)控制算法部分

I_sd、I_sq计算：利用信号检测获得的定子相电流I_sa、I_sb和转子位置角θ经abc/dq坐标变换得到I_sd和I_sq。

定子磁链计算：结合附图2，根据信号检测获得的电角速度ω_e和I_sd、I_sq的计算值以及U_sd、U_sq的当前状态值计算定子磁链值。

电磁转矩计算：结合附图2，根据定子磁链的计算值ψ_d、ψ_q和I_sd、I_sq的计算值计算电磁转矩。

转矩角闭环控制：利用电磁转矩计算值的增量ΔT_em构成的比例积分调节器实现β＝β₀+PI(ΔT_em)。

MPPA计算：根据定子电流矢量幅值的给定值和转矩角闭环控制输出的转矩角β计算定子d、q轴电流的给定值

和

交叉解耦项和前馈项计算：根据电压稳态方程式计算前馈项U_sd′和U_sq′，由d轴电流调节器输出PI(I_sd)与q轴电流调节器输出PI(I_sq)计算交叉解耦项U_sd″和U_sq″，将U_sd′、U_sq′和U_sd″、U_sq″分别相加得到d、q轴控制电压值。

U_sα、U_sβ计算：通过d、q轴控制电压U_sd、U_sq和转子位置角θ经dq/αβ坐标变换得到定子静止两相轴系的电压分量U_sα和U_sβ。

SVPWM计算：通过U_sα和U_sβ按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号，实现对逆变器的控制。

该方法的运行效果，在附图3、附图4中已给出。

本发明提供的控制方法，既提高了控制系统鲁棒性，又具有良好的稳态控制精度和动态跟踪能力，特别适用具有宽运行范围和希望最大限度发挥转矩潜能的永磁同步电机的控制领域，该发明具有以下优点：

1.采用定子磁链检测电磁转矩无需定子电感参数L_d、L_q和永磁体磁链参数ψ_f，避免了不同运行状态电机参数变化造成的影响，消除了永磁同步电机最大转矩电流比控制对电机参数的依赖性，提高了控制系统的鲁棒性。

2.该方法通过电磁转矩增量的反馈进行转矩角自动跟踪的闭环控制，实现最大转矩电流比运行点的自动跟踪，无需采用大量存储空间来保存不同运行状态下的电机参数，节省了控制器存储空间，而转矩角闭环控制实现简单可靠，有效解决了文献(2)使用查表法带来的需要占用大量存储空间以及复杂的离线计算分析的问题。

3.该方法利用带有交叉解耦项和前馈项的d、q轴电流调节器，配合转矩角自动跟踪的闭环控制，可提高在宽运行范围下电流调节的稳态精度和动态响应速度。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机定子磁链检测电磁转矩的最大转矩电流比的控制方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：

a)首先通过检测定子相电流I_sa、I_sb和转子位置角θ经abc/dq坐标变换而得到转子磁场定向的同步轴系下的定子电流分量I_sd和I_sq；

b)通过检测电机旋转电角速度ω_e，建立定子磁链检测电磁转矩的方程；永磁同步电机在同步轴系下的稳态电压方程为

U_sd＝R_sI_sd-ω_eψ_q

U_sq＝R_sI_sq+ω_eψ_d

其中：U_sd、U_sq为定子控制电压在同步轴系下的分量；R_s为定子电阻；ω_e为电机旋转电角速度；ψ_d、ψ_q为定子磁链在同步轴系下的分量。

ψ_d、ψ_q的计算式为

${\mathrm{\ψ}}_q=\frac{R_s{I}_{\mathrm{sd}}-U_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_e}$

${\mathrm{\ψ}}_d=\frac{{U_{\mathrm{sq}}-R}_s{I}_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_e}$

上式表明：与定子磁链ψ_d、ψ_q有关的电机参数只有定子电阻R_s，而与定子电感L_d、L_q和永磁体磁链ψ_f无关。

根据a)中得到的I_sd和I_sq值，利用U_sd、U_sq的当前状态值、检测得到的ω_e值和定子电阻参数R_s计算出定子磁链值。

电磁转矩T_em的计算式为

T_em＝p(ψ_dI_sq-ψ_qI_sd)

上式表明：由于ψ_d、ψ_q的值仅受R_s的影响，因此T_em的检测值也仅受R_s的影响，避免了不同运行状态磁路饱和程度不同而造成的L_d、L_q和ψ_f参数发生较大变化对电磁转矩检测准确性的影响。

再根据定子磁链值ψ_d、ψ_q和a)中所得到的I_sd、I_sq值计算出电磁转矩检测值。

c)引入电磁转矩增量ΔT_em反馈并建立转矩角β的控制方程；

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{em}}=\frac{T_{\mathrm{em}\left(n\right)}-T_{\mathrm{em}(n-1)}}{T_{\mathrm{em}(n-1)}}$

其中：T_em(n)、T_em(n-1)分别为电磁转矩当前的检测值和前一次的检测值。

转矩角β的控制方程为

β＝β₀+PI(ΔT_em)

其中：β₀为定子电流矢量角度的前一运行状态值；PI(ΔT_em)为ΔT_em的比例积分控制器的输出值。

d)根据定子电流矢量幅值的给定值

和转矩角β而得到定子d、q轴电流的给定值

和

与定子电流矢量幅值的给定值

和转矩角β的关系式为

$I_{\mathrm{sd}}^{*}=I_s^{*}\cos \mathrm{\β}$

$I_{\mathrm{sq}}^{*}=I_s^{*}\sin \mathrm{\β}$

e)建立带有交叉解耦项和前馈项的d、q轴的控制电压方程；

前馈项U_sd′和U_sq′的值由电压稳态方程式计算

U_sd′＝RI_sd-ω_eψ_q

U_sq′＝RI_sq+ω_eψ_d

交叉解耦项U_sd″和U_sq″由d轴电流调节器输出PI(I_sd)与q轴电流调节器输出PI(I_sq)计算

U_sd″＝R{PI(I_sd)}-ω_eL_q{PI(I_sq)}

U_sq″＝R{PI(I_sq)}+ω_eL_d{PI(I_sd)}

d、q轴控制电压值的计算式为

U_sd＝U_sd′+U_sd″

U_sq＝U_sq′+U_sq″

f)通过d、q轴控制电压U_sd、U_sq和转子位置角θ经dq/αβ坐标变换而得到定子静止两相轴系的电压分量U_sα和U_sβ；

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ U_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]$

g)通过U_sα和U_sβ，按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号实现对逆变器的控制。

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