CN102386834A - 永磁同步电机的矢量控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的矢量控制方法和装置。方法包括：将等效于转子坐标系下的d轴电流和q轴电流解耦，通过PI调节获得d轴电压和q轴电压，进行空间矢量脉宽调制，用调制后的信号控制牵引逆变器以驱动电机运行；作为解耦控制信号的d轴电流的给定值和q轴电流的给定值通过如下方法获得：将转子实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；根据d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值获得d轴电流的给定值；然后根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

Description

永磁同步电机的矢量控制方法和装置

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术，尤其涉及永磁同步电机的矢量控制方法和装置。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。

永磁同步电机的矢量控制技术可以使永磁同步电机获得很好的瞬态响应特性，实现对负载扰动和给定值变化的快速响应，因此获得了广泛的应用。永磁同步电机的矢量控制技术是将实际的定子三相电流等效为转子坐标系下的d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq，并根据上述方法获得d轴电流的给定值i_sd ^*和q轴电流的给定值i_sq ^*，经过解耦控制，即通过PI调节使得i_sd＝i_sd ^*、i_sq＝i_sq ^*，并采用i_sd＝i_sd ^*、i_sq＝i_sq ^*时的电压作为输出电压信号u_s。输出电压信号u_s具有两个分量，分别为u_sq和u_sd。在控制上，对u_sq和u_sd进行空间矢量脉宽调制，使用调制后得到的开关信号控制牵引逆变器工作，将直流电源逆变为三相交流电输入到永磁同步电机，驱动永磁同步电机运行，从而实现对永磁同步电机的矢量控制。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：

q轴电流的给定值i_sq ^*是由给定电流控制信号i_s ^*和上述获得的d轴电流的给定值i_sd ^*决定的。这样所获得的d轴电流的给定值i_sd ^*和q轴电流的给定值i_sq ^*与电机的转矩没有直接的关系，因此，现有技术可能会导致电机的转矩不稳定、鲁棒性差等问题。

发明内容

本发明提供一种永磁同步电机的矢量控制方法和装置，用以解决现有技术中的缺陷，实现了简单而方便地调节d轴电流和q轴电流，达到对永磁同步电机的有效控制，实现永磁同步电机的稳定运行。

本发明提供了一种永磁同步电机的矢量控制方法，包括：将等效于转子坐标系下的d轴电流和q轴电流进行解耦，通过PI调节获得d轴电压和q轴电压，然后进行空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器以驱动永磁同步电机运行；

作为解耦控制信号的d轴电流的给定值和q轴电流的给定值通过如下方法获得：

将转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；

根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；

根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；

根据d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值获得d轴电流的给定值；

根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

如上所述的永磁同步电机的矢量控制方法，所述根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值包括：

将给定转矩作为MTPA的输入信号，MTPA的输出信号即为d轴电流的初始给定值。

如上所述的永磁同步电机的矢量控制方法，所述根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值包括：

当电机实际角速度信号小于电机额定角速度信号时，d轴电流的调节值为0；

当电机实际角速度信号大于或等于电机额定角速度信号时，d轴电流的调节值与电机实际角速度信号成比例增加。

所述的永磁同步电机的矢量控制方法，所述根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值包括：

根据如下所述的转矩公式获得q轴电流的给定值：

${T_e}^{*}=\frac{3}{2}{P}_n[{i_{\mathrm{sq}}}^{*}{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}}^{*}{i_{\mathrm{sd}}}^{*}]$

其中，T_e ^*为给定转矩、P_n为所述永磁同步电机的极对数、i_sq ^*为q轴电流的给定值、ψ_f为所述永磁同步电机的永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感、i_sd ^*为d轴电流的给定值。

本发明实施例还提供了一种永磁同步电机的矢量控制装置，包括通过信号连接起来的d轴电流控制模块、q轴电流控制模块、解耦模块、调制模块、牵引逆变器和检测模块；所述d轴电流控制模块包括：

所述d轴电流控制模块包括：

转矩获得单元，用于将检测模块检测到的永磁同步电机转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；

初始给定值获得单元，用于根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；

调节值获得单元，用于根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；

给定值获得单元，用于将d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值相加获得d轴电流的给定值；

所述q轴电流控制模块包括：

给定值获得单元，用于根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

本发明提供的永磁同步电机的矢量控制方法和装置，通过给定转矩，并利用MTPA获得d轴电流的初始给定值，利用实际角速度信号获得d轴电流的调节值，从而得到d轴电流的给定值，并根据d轴电流的给定值和转矩公式计算q轴电流的给定值，从而达到了永磁同步电机在恒转矩区的最大转矩电流比控制和恒功率区的弱磁控制，矢量控制效果良好，运行稳定。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制框图；

图3为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

图1为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制方法流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤101：检测永磁同步电机的两相定子电流i_a、i_b，并计算出i_c，以及永磁同步电机的转子位置θ；

其中，三相定子电流也即牵引逆变器的三相输出电流，该电流可以由电流传感器检测得到，由于三相电流和为零，所以一般检测其中的两相，另一相经过计算即可获得。其中，i_a表示A相电流瞬时值，i_b表示B相电流瞬时值，i_c表示C相电流瞬时值。

常用于检测转子位置θ的设备有：增量式光电编码器、绝对式光电编码器、旋转变压器等，本实施例中以旋转变压器为例进行说明。

步骤102：对永磁同步电机的三相定子电流i_a、i_b和i_c进行坐标变换，得到d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq。

其中需要说明的是，转子坐标系下的电流控制信号i_s可以分解为两个分量，分别为d轴电流的实际值i_sd以及q轴电流的实际值i_sq。

需要说明的是，首先需要将永磁同步电机的三相定子电流i_a、i_b和i_c从静止坐标系下的三相变换到静止坐标系下的两相，再从静止坐标系下的两相变换到两相同步旋转(d、q)坐标系下的两相，从而得到转子坐标系下的电流控制信号i_s的两个分量：d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq。

还需要补充说明的是，在两相同步旋转(d、q)坐标系中，转子磁极产生的磁场与定子磁场相对应时为d轴，逆时针旋转90度为q轴。

其中，可以根据如下公式获得转子坐标系下的电流控制信号i_s的两个分量i_sd和i_sq：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$

步骤103：根据检测到的转子位置θ计算永磁同步电机的实际角速度信号ω_r；

其中，可以通过如下公式获得实际角速度信号ω_r：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

步骤104：将永磁同步电机的实际角速度信号ω_r与给定角速度信号ω_r ^*进行比较，对比较信号进行PI调节，获得永磁同步电机转子所需的给定转矩T_e ^*；

这里需要说明的是，给定角速度信号ω_r ^*是永磁同步电机欲达到的角速度，是一个预先给定的标准信号，当反馈的实际角速度信号ω_r与给定角速度信号ω_r ^*不相符时，永磁同步电机需要对永磁同步电机的给定转矩进行调整，以使得实际角速度信号ω_r更加接近甚至是达到给定角速度信号ω_r ^*。考虑到实际的情况，通常实际角速度信号ω_r很难达到给定角速度信号ω_r ^*，所以整个控制过程是一个不断循环、调整的过程，以使得实际角速度信号ω_r无限接近于给定角速度信号ω_r ^*。

步骤105：根据给定转矩T_e ^*获得d轴电流的初始给定值i_sdl ^*；

其中，可以将给定转矩T_e ^*作为最大转矩电流比模块(Maximum Torque PerAmpere，以下简称为：MTPA)的输入信号，MTPA根据给定转矩T_e ^*得到永磁同步电机d轴电流的初始给定值i_sdl ^*。这个可以通过查表等方式获得给定转矩T_e ^*对应的d轴电流的初始给定值i_sdl ^*。

对于MTPA需要进行说明的是：在对永磁同步电机进行矢量控制的过程中，为了达到最优控制，一般要求最小的电流要达到最大的转矩输出。这就是MTPA的作用，它使永磁同步电机输出同样的转矩而电流最小。

步骤106：根据永磁同步电机的实际角速度信号ω_r获得d轴电流的调节值Δi_sd；

其中，具体的获得方法可以为：

当电机实际角速度信号ω_r小于电机额定角速度信号ω_e时，d轴电流的调节值Δi_sd为0；

当电机实际角速度信号ω_r大于或等于电机额定角速度信号ω_e时，d轴电流的调节值Δi_sd与电机实际角速度信号Δi_sd成比例增加，比例系数可以根据电机的实际情况进行确定。

步骤107：将步骤105中获得的d轴电流的初始给定值i_sdl ^*和步骤106中获得的d轴电流的调节值Δi_sd相加，从而获得d轴电流的给定值i_sd ^*；

步骤108：根据步骤107中获得的d轴电流的给定值i_sd ^*以及转矩公式得到q轴电流的给定值i_sq ^*；

具体的获得方法可以根据下式进行计算：

$T_e=\frac{3}{2}{P}_n[i_{\mathrm{sq}}{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sd}}]$

其中，T_e为永磁同步电机的输出转矩、P_n为永磁同步电机的极对数、i_sq为q轴电流的实际值、ψ_f为永磁同步电机的永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感、i_sd为d轴电流的实际值。

需要说明的是，上式中的输出转矩参数T_e可以用给定转矩T_e ^*代替，q轴电流的实际值i_sq可以使用q轴电流的给定值i_sq ^*代替，d轴电流的实际值i_sd可以使用q轴电流的给定值i_sd ^*代替，因此上式可以演变为：

${T_e}^{*}=\frac{3}{2}{P}_n[{i_{\mathrm{sq}}}^{*}{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}}^{*}{i_{\mathrm{sd}}}^{*}]$

其中，T_e ^*为给定转矩、P_n为永磁同步电机的极对数、i_sq ^*为q轴电流的给定值、ψ_f为永磁同步电机的永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感、i_sd ^*为d轴电流的给定值。

之所以可以做这样的代替，理由是：给定转矩T_e ^*为设置的期望信号，而输出转矩T_e为输出的实际信号，输出转矩T_e是给定转矩T_e ^*的响应，理想状态下，输出转矩T_e与给定转矩T_e ^*是相等的，因此在实际的计算过程中，可以使用给定转矩T_e ^*代替输出转矩T_e进行计算。同理，理想状态下，q轴电流的给定值i_sq ^*与q轴电流的实际值i_sq是相等的，d轴电流的给定值i_sd ^*与d轴电流的实际值i_sd是相等的。

步骤109：利用d轴电流的给定值i_sd ^*、q轴电流的给定值i_sd ^*进行d、q轴的解耦控制，以获得永磁同步电机的输出电压信号u_s(包括其在d轴的分量u_sd和其在q轴的分量u_sq)。

其中，解耦控制主要应用到的参数包括：d轴电流的给定值i_sd ^*、q轴电流的给定值i_sq ^*、步骤102中获得的实际电流信号i_s的d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq，以及转子位置θ。

解耦控制的实质是通过PI调节使得i_sd＝i_sd ^*、i_sq＝i_sq ^*，并使用i_sd＝i_sd ^*、i_sq＝i_sq ^*时的电压信号作为d轴电压u_sd和q轴电压u_sq。

步骤110：将步骤109中获得的永磁同步电机的输出电压信号u_s(包括其在d轴的分量u_sd和其在q轴的分量u_sq)作为空间矢量脉冲宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，以下简称为：SVPWM)的输入，SVPWM输出的信号输入到牵引逆变器中，以使得牵引逆变器根据其获得的信号调节输出给永磁同步电机的三相定子电流，从而驱动永磁同步电机运行，实现对永磁同步电机的矢量控制。

图2为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制框图，如图2所示，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，图中简称为：PMSM)的转子运行过程中的实际角速度信号ω_r作为反馈角速度信号与转子的给定角速度信号ω_r ^*进行比较，两者之间的差值即为永磁同步电机转子角速度的PI调节依据。转子角速度的PI输出得到永磁同步电机转子的给定转矩T_e ^*，给定转矩T_e ^*作为永磁同步电机的MTPA的输入信号之一获得d轴电流的初始给定值i_sdl ^*，与d轴电流调节值Δi_sd共同组成d轴电流的给定值i_sd ^*，d轴电流的给定值i_sd ^*与q轴电流的给定值i_sq ^*符合一给定的转矩公式，根据给定转矩T_e ^*与d轴电流的给定值i_sd ^*获得q轴电流的给定值i_sq ^*。

其中，反馈的实际角速度信号ω_r是根据转子位置θ得到的，永磁同步电机的转子位置θ是通过与永磁同步电机相连接的旋转变压器(Resolverto Digital Converter，图中简称为：RDC)及其解码芯片得到的。

d轴电流的给定值i_sd ^*、q轴电流的给定值i_sq ^*、转子位置θ、d轴电流的实际值i_sd以及q轴电流的实际值i_sq共同完成d、q轴之间的解耦控制。解耦控制的输出结果为输出电压信号u_s在d轴的分量u_sd和q轴的分量u_sq。

输出电压信号u_s在d轴的分量u_sd和输出电压信号u_s在q轴的分量u_sq经过SVPWM、牵引逆变器后得到永磁同步电机的端电流(包括A相电流瞬时值i_a、B相电流瞬时值i_b和C相电流瞬时值i_c)，该永磁同步电机的端电流输入到永磁同步电机定子上的绕组以形成电机的磁场。其中，永磁同步电机的端电流可以由电流传感器得到，该永磁同步电机的端电流经过3s/2s变换(即静止坐标系下的3相到2相的变换)和2s/2r变换(即2相静止坐标系到2相旋转坐标系的转换)，得到d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq。

如上所述，d轴电流和q轴电流的调节采用PI调节，其中d轴电流的实际值i_sd与q轴电流的实际值i_sq作为实际电流信号i_s的两个分量。因此，当d轴电流的实际值i_sd确定后，将最大输出允许电流信号也即实际电流信号i_s的平方减去d轴电流的实际值i_sd的平方之后，再开平方，结果即为q轴电流的最大允许值，这样就实现了电流极限圆的作用，做到了在电流极限圆内稳定运行。

如上所述，正是因为q轴电流的给定值是通过转矩公式得到的，就避免了永磁同步电机在弱磁区的转矩波动，实现系统稳定运行。

本发明提供的永磁同步电机的矢量控制方法，通过给定转矩，并利用MTPA获得d轴电流的初始给定值，利用实际角速度信号获得d轴电流的调节值，从而得到d轴电流的给定值，并根据该d轴电流的给定值和转矩公式计算q轴电流的给定值，从而达到了永磁同步电机在恒转矩区的最大转矩电流比控制和恒功率区的弱磁控制，矢量控制效果良好，运行稳定。。

图3为本发明实施例提供的永磁同步电机的矢量控制装置结构示意图，如图3所示，该装置包括：通过信号连接起来的d轴电流控制模块301、q轴电流控制模块302、解耦模块303、调制模块304、牵引逆变器305和检测模块306。

其中，d轴电流控制模块301包括：转矩获得单元、初始给定值获得单元、调节值获得单元；q轴电流控制模块302包括给定值获得单元。

具体的，d轴电流控制模块301中：

具体的，d轴电流控制模块301中：

转矩获得单元用于将永磁同步电机转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩。

初始给定值获得单元用于根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；其中，该初始给定值获得单元可以为MTPA，将给定转矩作为MTPA的输入信号，MTPA的输出信号即为d轴电流的初始给定值。

调节值获得单元用于根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值。

给定值获得单元用于将d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值相加，获得d轴电流的给定值。

具体的，q轴电流控制模块302中：

给定值获得单元，用于根据d轴电流的给定值和给定转矩获得q轴电流给定值。

其中，根据如下所述的转矩公式获得q轴电流给定值：

${T_e}^{*}=\frac{3}{2}{P}_n[{i_{\mathrm{sq}}}^{*}{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}}^{*}{i_{\mathrm{sd}}}^{*}]$

其中，T_e ^*为给定转矩、P_n为所述永磁同步电机的极对数、i_sq ^*为q轴电流的给定值、ψ_f为所述永磁同步电机的永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感、i_sd ^*为d轴电流的给定值。

本发明提供的永磁同步电机的矢量控制装置，通过给定转矩，并利用MTPA获得d轴电流的初始给定值，利用实际角速度信号获得d轴电流的调节值，从而得到d轴电流的给定值，并根据该d轴电流的给定值和转矩公式计算q轴电流的给定值，从而达到了永磁同步电机在恒转矩区的最大转矩电流比控制和恒功率区的弱磁控制，矢量控制效果良好，运行稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机的矢量控制方法，包括：将等效于转子坐标系下的d轴电流和q轴电流进行解耦，通过PI调节获得d轴电压和q轴电压，然后进行空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器以驱动永磁同步电机运行；其特征在于：

作为解耦控制信号的d轴电流的给定值和q轴电流的给定值通过如下方法获得：

将转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；

根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；

根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；

根据d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值获得d轴电流的给定值；

根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的矢量控制方法，其特征在于：

所述根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值包括：

将给定转矩作为MTPA的输入信号，MTPA的输出信号即为d轴电流的初始给定值。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的矢量控制方法，其特征在于：

所述根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值包括：

当电机实际角速度信号小于电机额定角速度信号时，d轴电流的调节值为0；

当电机实际角速度信号大于或等于电机额定角速度信号时，d轴电流的调节值与电机实际角速度信号成比例增加。

4.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的矢量控制方法，其特征在于：

所述根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值包括：

根据如下所述的转矩公式获得q轴电流的给定值：

${T_e}^{*}=\frac{3}{2}{P}_n[{i_{\mathrm{sq}}}^{*}{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}}^{*}{i_{\mathrm{sd}}}^{*}]$

其中，T_e ^*为给定转矩、P_n为所述永磁同步电机的极对数、i_sq ^*为q轴电流的给定值、ψ_f为所述永磁同步电机的永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感、i_sd ^*为d轴电流的给定值。

5.一种永磁同步电机的矢量控制装置，包括通过信号连接起来的d轴电流控制模块、q轴电流控制模块、解耦模块、调制模块、牵引逆变器和检测模块；其特征在于：

所述d轴电流控制模块包括：

转矩获得单元，用于将检测模块检测到的永磁同步电机转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；

初始给定值获得单元，用于根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；

调节值获得单元，用于根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；

给定值获得单元，用于将d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值相加获得d轴电流的给定值；

所述q轴电流控制模块包括：

给定值获得单元，用于根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

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