CN102255597B - 一种电机同步控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机同步控制方法、装置及系统，包括：当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，确定当前分频数；确定与所述调制比和所述当前分频数对应的预设开关角及定子磁链门限值；将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。本实施例公开的电机控制方法通过预先计算出的某一调制比对应的开关角，并确定与该开关角对应的定子磁链门限值，将实际的反馈磁链门限值与定子磁链门限值进行比较，根据比较结果确定输出的控制信号，避免了由于增加调制比造成过调制进而对过调制区进行处理的步骤。简化了系统的控制流程，提高了工作效率，同时使得电机定子运行轨迹为规则多边形。

Description

一种电机同步控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种电机同步控制方法、装置及系统。

背景技术

脉宽调制技术广泛应用于交流传动系统中以提高控制系统的驱动性能。工业应用领域要求逆变器调速范围宽，输出频率变化快。而在一些应用场合尤其是中大功率应用场合，如轨道交通牵引控制等，逆变器开关器件的开关频率非常低，因此需要采用分段同步脉宽调制技术以减小电流谐波，提高逆变器控制性能。

目前应用的同步调制方式，其核心思想是在固定位置上进行SVPWM拟合，对各拟合用基本电压矢量的作用顺序进行排列得到要求的分频数。以11分频调制中的扇区1为例，选择6°，18°，30°，42°，54°五个固定位置为参考电压矢量拟合点，在各个拟合点上依然采用SVPWM算法进行参考电压矢量的拟合，求出各个基本矢量的作用时间。各个拟合点处非零基本矢量和零矢量进行拟合参考矢量的切换顺序为：

6°：U₀(000)→U₁(100)→U₂(110)

18°：U₂(110)→U₁(100)→U₀(000)

30°：U₀(000)→U₁(100)→U₂(110)→U₇(111)

42°：U₇(111)→U₂(110)→U₁(100)

54°：U₁(100)→U₂(110)→U₇(111)

在扇区2，选择66°，78°，90°，102°，114°六个固定位置作为参考矢量拟合点，基本电压矢量作用顺序为：

66°：U₇(111)→U₂(110)→U₃(010)

78°：U₃(010)→U₂(110)→U₇(111)

90°：U₇(111)→U₂(110)→U₃(010)→U₀(000)

102°：U₀(000)→U₃(010)→U₂(110)

114°：U₂(110)→U₃(010)→U₀(000)

其他扇区同理可得。

现有同步调制算法根据目标输出频率确定载波比，然后确定拟合点的位置，确定拟合所用的参考电压矢量及其作用顺序，再根据输出频率计算出各参考电压矢量的作用时间，将相应的时间送入定时器，通过在相应的时间内输出相应的参考电压矢量达到调制目的。但是，由于调制比的增加会使得参考电压矢量位于过调制区，需要对此时的参考电压进行处理，使其实现调制的目的，因此在一定程度上会增加调制系统的调制时间和调制过程的复杂度，并且定子运行轨迹为非规则多边形，使得电流冲击较大且波形不规则。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电机同步控制方法、装置及系统。其具体方案如下：

一种电机同步控制方法，包括：

当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，根据定子频率ω和开关器件的容许开关频率确定当前分频数；

预先依据各次谐波电流总和最小的原则分别计算不同分频数下，不同调制比对应的开关角；

将与某一分频数下对应的开关角按照由小到大的顺序进行排列；

依次确定各个开关角为逆变器输出状态变化时刻所对应的角度；

依据定子磁链确定各个开关角所对应的定子磁链门限值；

获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链门限值；

将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

一种电机同步控制装置，包括：

模式确定模块，用于当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，根据定子频率ω和开关器件的容许开关频率确定当前分频数；

预设开关角模块，用于预先依据各次谐波电流总和最小的原则分别计算不同分频数下，不同调制比对应的开关角；

排序模块，用于将与某一分频数下对应的开关角按照由小到大的顺序进行排列；

确定角度模块，用于依次确定各个开关角为逆变器输出状态变化时刻所对应的角度；

确定定子磁链门限值模块，用于依据定子磁链确定各个开关角所对应的定子磁链门限值；

获取预设开关角和定子磁链门限值模块，用于获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链门限值；

输出控制模块，用于将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

一种电机控制系统，包括：如上所述的同步控制装置。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例公开的电机同步控制方法，通过预先计算出的某一调制比对应的开关角，并确定与该开关角对应的定子磁链门限值，将实际的反馈磁链门限值与定子磁链门限值进行比较，根据比较结果确定输出的控制信号，避免造成过调制，进而避免了对过调制区进行处理的步骤。

进一步的，由于开关角依据各次谐波电流总和最小的原则计算获得，因而大大缩小了电机电流峰值，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的电机同步控制方法的流程图；

图2为本发明实施例公开的获得开关角对应的定子磁链门限值的流程图；

图3为本发明实施例公开的某种定子磁链轨迹示意图；

图4为本发明实施例公开的如图3所示的定子磁链示意图；

图5为本发明实施例公开的又一电机同步控制方法流程图；

图6为本发明实施例公开的电机同步控制装置的结构示意图；

图7为本发明实施例公开的电机控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开的电机同步控制方法应用于电机控制系统中的同步控制模式下，其流程如图1所示，包括：

步骤S 11、当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，确定当前分频数；

系统根据定子频率和调制比进行调制方式的判定，如定子频率ω大于某一设定值ω₀，同时调制比m_i大于某一设定值m₀，则系统运行于同步调制模式，否则运行于异步调制模式。当运行同步调制模式时，首先根据定子频率ω和开关器件的容许开关频率确定分频数，即确定系统应工作在11分频，或是9分频，或是其他分频数。

步骤S12、确定与所述调制比和所述当前分频数对应的预设开关角及定子磁链门限值；

确定当前分频数和调制比下的预设开关角，并确定定子磁链门限值。

本步骤中的预设开关角为预先在离线状态下，以调制比为变量进行计算，计算出每种分频数下，某一调制比对应的开关角。具体的计算方法可以根据实际情况进行设定，当需要将电机电流峰值减小时，预设开关角依据以下步骤获得：

依据各次谐波电流总和最小的原则分别计算不同分频数下，不同调制比对应的开关角。

进一步的，还可以包括如图2所示流程，获得开关角对应的定子磁链门限值：

步骤S21、将与某一分频数下对应的开关角按照由小到大的顺序进行排列；

步骤S22、依次确定各个开关角为逆变器输出状态变化时刻所对应的角度；

步骤S23、依据定子磁链确定各个开关角所对应的定子磁链门限值。

具体步骤可以为：运用效率最优算法，根据各次谐波电流总和最小进行逆变器开关角的优化计算，以调制比m_i为自变量，利用优化算法求出与之相对应的m个开关角α₁,α₁,...α_m。则在[0，360°]范围内A相开关角为：0,α₁,α₂,...α_m,π-α_m，...,π-α₂,π-α₁,π,π+α₁,π+α₂，...π+α_m,2π-α_m,...,2π-α₂,2π-α₁，将上述角度分别加上2π/3，4π/3得到B相和C相开关角（如大于2π则除以2π取余数）。将上述三相的开关角依次从小到大排列，则可得到逆变器输出状态变化时刻所对应的角度值及需要输出的电压矢量。

以11分频为例，某种定子磁链轨迹如图3所示，为六边形，每条边对应一个扇区，以扇区1为例，在扇区1内对应有11个开关状态，依次定义为α′₁,α′₂,...,α′₁₁，在相邻开关时刻内需要输出的电压矢量为：0~α′₁内为010；α′₁~α′₂内为000；α′₂~α′₃内为010；α′₃~α′₄内为000；α′₄~α′₅内为010；α′₅~α′₆内为000；α′₆~α′₇内为010；α′₇~α′₈内为000；α′₈~α′₉内为010；α′₉~α′₁₀内为000；α′₁₀~α′₁₁内为010。逆变器输出有效电压矢量时，定子磁链轨迹沿电压空间矢量方向移动；逆变器输出零电压矢量时，定子磁链轨迹则保持静止不动，得到的扇区1内定子磁链如图4所示，图中的黑点表示定子磁链在此静止不动。由图4可以看出，扇区1内有5个定子磁链门限值ψ₁，...，ψ₅。

因此本步骤中，确定与所述当前分频数对应的预设开关角及定子磁链门限值的过程包括：获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链门限值。

步骤S13、将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

根据电机模型检测到的反馈磁链值ψ_s与定子磁链门槛值进行比较，可确定出要求输出的作为控制信号的空间电压矢量。

如在扇区1内的控制步骤为：

1、当ψ_s小于ψ₁时，则输出空间电压矢量010，直到ψ_s≥ψ₁，进入状态2；

2、当ψ_s≥ψ₁，则输出空间电压矢量000，保持在状态2，如果保持在状态2下导通时间

则进入到状态3；

3、当ψ_s≥ψ₁，并且ψ_s<ψ₂时，输出空间电压矢量010，直到ψ_s≥ψ₂，进入到状态4；

4、当ψ_s≥ψ₂，则输出空间电压矢量000，保持在状态4，如果保持在状态4下导通时间

则进入到状态5；

5、当ψ_s≥ψ₂，并且ψ_s<ψ₃，输出空间电压矢量010，则进入到状态6；

6、当ψ_s≥ψ₃，则输出空间电压矢量000，保持在状态6，如果保持在状态6下导通时间

则进入到状态7；

7、当ψ_s≥ψ₃，并且ψ_s<ψ₄，输出空间电压矢量010，则进入到状态8；

8、当ψ_s≥ψ₄，则输出空间电压矢量000，保持在状态8，如果保持在状态8下导通时间

则进入到状态9；

9、当ψ_s≥ψ₄，并且ψ_s<ψ₅，输出空间电压矢量010，则进入到状态10；

10、当ψ_s≥ψ₅，则输出空间电压矢量000，保持在状态10，如果保持在状态10下导通时间

则进入到状态11；

11、输出空间电压矢量010，直至磁链进入扇区2。

通过上述过程，根据反馈磁链值ψ_s与预先设定的一定调制比下开关角所对应的定子磁链门槛值的比较，可以确定在第一扇区内当前需要输出的空间电压矢量是000还是010，对控制信号进行及时的调整，避免调制比增加时出现过调制，并且避免了对过调制区进行处理的步骤，简化了控制过程，并且，实现了控制定子磁链按照规则的轨迹运行，减小了电流冲击的目的，提高了控制过程的可靠性。

本发明实施例公开的又一电机同步控制方法的流程如图5所示，包括：

步骤S51、当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，确定当前分频数；

步骤S52、获取与所述当前分频数对应的预设开关角；

此时的预设开关角为在离线状态下，预先计算出的。

步骤S53、利用所述预设开关角和定子磁链计算得到定子磁链门限值；

根据预设开关角和定子磁链计算得到定子磁链门限值。

步骤S54、将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

本实施例公开的电机同步控制方法中，定子磁链门限值为控制过程中，依据定子磁链实施计算出的，与预先进行计算的方式相比，更能准确的反应当前的控制系统的特点，使得控制过程更加准确，提高了系统的工作性能。

本发明同时公开了一种电机同步控制装置，其结构如图6所示，包括：模式确定模块61，用于当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，确定当前分频数；预设开关角及磁链门限值确定模块62，用于确定与所述调制比和所述当前分频数对应的预设开关角及定子磁链门限值；输出控制模块63，用于将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

进一步的，所述预设开关角及磁链门限值确定模块62包括：

预设开关角获取单元621，用户获取与所述当前分频数对应的预设开关角；

磁链门限值计算单元622，用于利用所述预设开关角和定子磁链计算得到定子磁链门限值。

进一步的，当预设开关角和定子磁链门限值为依据图2所示流程预先计算时，本实施例中的预设开关角及磁链门限值确定模块62可以直接获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链值。

本实施例公开的电机同步控制装置，根据反馈磁链值ψ_s与定子磁链门槛值的比较，可以确定当前需要输出空间电压矢量，从而控制定子磁链按照规则的轨迹运行。

更近一步的，本发明同时公开了一种电机控制系统，其结构如图7所示，包括：转矩给定单元71、磁链计算单元72、反馈电流计算单元73、电压重构计算单元74、电机模型计算单元75、定子频率计算单元76、转矩控制调节单元77、调制比计算单元78、磁链控制调节单元79、电机同步控制装置710和逆变单元711。

其中，转矩给定单元71用于设定电机M的输出的目标转矩T^*；磁链计算单元72用于进行磁链指令ψ^*的计算设定，在基频以下按恒转矩控制，基频以上按恒功率控制，需要根据输出频率进行弱磁控制；反馈电流计算单元73：用于根据检测到的电机相电流经坐标变化后得到静止坐标系α，β轴反馈电流，其中，α轴和β轴反馈电流I_α和I_β的计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ I_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{3}& \frac{2\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\end{array}\right]$ (公式1)

其中，I_A和I_B分别为实时采集到的电机A，B相电流。

电压重构计算单元74用于根据测量到的中间电压值U_d和逆变器控制脉冲S_abc处理得到静止坐标系α，β轴上的电机相电压U_αβ。

电机模型计算单元75用于根据反馈的相电流，相电压以及电角频率进行电机模型的计算，观测出电机的定子磁链ψ_μ，转子磁链ψ_r以及实际电机转矩T_f。具体过程如下公式2所示：

$\stackrel{\&CenterDot;}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;}}}=u_s-i_s\&times;R_s$

$\stackrel{\&CenterDot;}{{\mathrm{\&psi;}}_r}=\frac{R_r}{L_{\mathrm{\&sigma;}}}({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;}}-{\mathrm{\&psi;}}_r)+\mathrm{j\&omega;}{\mathrm{\&psi;}}_r$

$i_s=\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;}}}{L_{\mathrm{\&mu;}}}+\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;}}-{\mathrm{\&psi;}}_r}{L_{\mathrm{\&sigma;}}}$

$T_f=\frac{3}{2}{P}_n({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;\&alpha;}}{i}_{\mathrm{s\&beta;}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&mu;\&beta;}}{i}_{\mathrm{s\&alpha;}})$ （公式2)

其中：ψ_μ为定子磁链，ψ_r为转子磁链，u_s为定子电压，i_s为定子电流，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_σ为转子漏感，P_n为电机极对数，L_μ为互感，ω为电角速度，T_f为实际电机转矩。

定子频率计算单元76用于根据目标转矩和测量出的电角速度ω计算得到电机定子频率。

ω_s＝ω+3P_n×|ψ_r|²×T^*/(2×R_r)                   (公式3)

转矩控制调节单元77根据目标转矩和电机模型计算单元观测出的实际电机转矩进行比例、积分PI调节，得到动态角频率ω′_s。

ω′_s=K_p(T^*-T_f)+K_i∫(T^*-T_f)dt(公式4)

调制比计算单元78：根据角频率ω_s和ω′_s得到系统的调制比m_i。

磁链控制调节单元79：根据磁链指令ψ^*和电机模型反馈磁链ψ_μ进行磁链的PI控制调节。

ψ＝K_p(ψ^*-ψ_f)+K_i∫(ψ^*-ψ_f)dt+ψ^*                (公式5)

电机同步控制装置710用于，当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，确定当前分频数，确定与所述调制比和所述当前分频数对应的预设开关角及定子磁链门限值，将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

逆变单元711根据控制信号进行六路开关器件的切换进行调制。

当运行于异步调制模式时，仍可采用传统SVPWM算法进行异步调制。

本实施例公开的电机控制方法通过预先计算出的某一调制比对应的开关角，并确定与该开关角对应的定子磁链门限值，将实际的反馈磁链门限值与定子磁链门限值进行比较，根据比较结果确定输出的控制信号，避免了由于增加调制比造成过调制进而对过调制区进行处理的步骤。简化了系统的控制流程，提高了工作效率，同时使得电机定子运行轨迹为规则多边形。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种电机同步控制方法，其特征在于，包括：

当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，根据定子频率ω和开关器件的容许开关频率确定当前分频数；

预先依据各次谐波电流总和最小的原则分别计算不同分频数下，不同调制比对应的开关角；

将与某一分频数下对应的开关角按照由小到大的顺序进行排列；

依次确定各个开关角为逆变器输出状态变化时刻所对应的角度；

依据定子磁链确定各个开关角所对应的定子磁链门限值；

获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链门限值；

将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

2.一种电机同步控制装置，其特征在于，包括：

模式确定模块，用于当依据获取的当前调制比和定子频率确定当前调制模式为同步调制时，根据定子频率ω和开关器件的容许开关频率确定当前分频数；

预设开关角模块，用于预先依据各次谐波电流总和最小的原则分别计算不同分频数下，不同调制比对应的开关角；

排序模块，用于将与某一分频数下对应的开关角按照由小到大的顺序进行排列；

确定角度模块，用于依次确定各个开关角为逆变器输出状态变化时刻所对应的角度；

确定定子磁链门限值模块，用于依据定子磁链确定各个开关角所对应的定子磁链门限值；

获取预设开关角和定子磁链门限值模块，用于获取与所述当前分频数对应的预设开关角及与所述预设开关角对应的定子磁链门限值；

输出控制模块，用于将获取的反馈磁链值与所述定子磁链门限值进行比较，依据比较结果输出控制信号。

3.一种电机控制系统，其特征在于，包括：如权利要求2所述的同步控制装置。

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