CN102594250B - 无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，属于电机控制领域。它解决了现有最大转矩电流比控制策略中存在的计算方法复杂、得到的电流给定值精度差的问题。控制系统包括永磁同步电机、逆变器、空间矢量脉宽调制单元、三相-两相坐标变换单元、静止-旋转坐标变换单元、傅里叶分析单元、矢量角调节单元、转速调节器、最大转矩电流比控制单元、第一电流调节器、第二电流调节器、旋转-静止坐标变换单元和转子位置及转速观测器；控制方法基于电流矢量角γ自动调节比较电流幅值大小并自动搜索最大转矩电流比的运行点。本发明适用于电机最大转矩电流比矢量控制。

Description

无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

内置式永磁同步电机具有转子磁路结构不对称性。与表贴式永磁同步电机相比，利用这种不对称性，当采用适当的控制方式时所输出的转矩会含有磁阻转矩，从而提高转矩输出能力。其高转矩电流比、高功率质量比和高效率等特性越来越受到人们的青睐。为了充分利用内置式永磁同步电机这些特性，提高电机的过载能力和功率密度，控制系统中可采用最大转矩电流比控制策略。这种控制策略的实现是通过设定合适的d、q轴电流给定值，使得在输出相同转矩下，定子电流幅值可达最小。

为了实现最大转矩电流比控制策略，目前已有的方法主要为多项式拟合法和离线测试查表法等。通过转矩方程对电流求导数，能够得到实现最大转矩电流比控制的电流非线性给定关系式，然而该关系式的计算较复杂，多项式拟合法便是利用某些数学软件工具拟合出一个与所得到的关系式近似的多项式，来求取电流给定值，从而避免复杂计算。这种拟合的方法本身就是近似的，外加拟合时所代入的是电机的定值参数，并未考虑受电机参数变化的影响，因此这种方法所计算出来的电流给定值精度较差。

离线测试查表法是基于对电机的离线测试并制成数据表，采用在线查表的方式来进行电流给定。这种方法虽然不需要复杂的计算，也考虑了电机参数变化等因素，但其工作量较大、通用性也较差，只适合用于经过测试的电机，不适合应用于通用变频器，并且还存在着占用硬件资源的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有最大转矩电流比控制策略中存在的计算方法复杂、得到的电流给定值精度差的问题，提供一种无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法。

本发明所述无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统，它包括永磁同步电机，它还包括逆变器、空间矢量脉宽调制单元、三相-两相坐标变换单元、静止-旋转坐标变换单元、傅里叶分析单元、矢量角调节单元、转速调节器、最大转矩电流比控制单元、第一电流调节器、第二电流调节器、旋转-静止坐标变换单元和转子位置及转速观测器，

转子位置及转速观测器通过采集到的永磁同步电机的a相定子电流i_a、c相定子电流i_c、逆变器的直流母线电压u_dc和空间矢量脉宽调制单元输出的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc，估计电机转子位置和转速，转子位置及转速观测器输出的电机转速估计值

与电机转速给定值

作差后输入给转速调节器，转速调节器的电机电流矢量幅值给定值

输出端连接最大转矩电流比控制单元的电流输入端，最大转矩电流比控制单元的电流矢量角输入端连接矢量角调节单元的电流矢量角γ输出端，最大转矩电流比控制单元输出的q轴电流给定值

与静止-旋转坐标变换单元输出的q轴电流反馈值i_q作差后输入给第一电流调节器的电流输入端，最大转矩电流比控制单元输出的d轴电流给定值

与静止-旋转坐标变换单元输出的d轴电流反馈值i_d作差后输入给第二电流调节器的电流输入端，第一电流调节器的q轴电压给定值

输出端连接旋转-静止坐标变换单元的q轴电压给定值输入端，第二电流调节器d轴电压给定值

输出端连接旋转-静止坐标变换单元的d轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元的转子位置电角度输入端连接转子位置及转速观测器的转子位置电角度估计值

输出端，旋转-静止坐标变换单元的α轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元的α轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元的β轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元的β轴电压给定值输入端，空间矢量脉宽调制单元的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc输出端连接逆变器的功率开关管状态输入端，逆变器的三相电流输出端与永磁同步电机的三相电流输出端对应连接；

永磁同步电机的a相定子电流i_a输入给三相-两相坐标变换单元的a相定子电流输入端，永磁同步电机的c相定子电流i_c输入给三相-两相坐标变换单元的c相定子电流输入端，三相-两相坐标变换单元的电机α轴电流值i_α输出端连接静止-旋转坐标变换单元的电机α轴电流输入端，三相-两相坐标变换单元的电机β轴电流值i_β输出端连接静止-旋转坐标变换单元的电机β轴电流输入端，静止-旋转坐标变换单元的转子位置电角度估计值输入端连接转子位置及转速观测器的转子位置电角度估计值

输出端，静止-旋转坐标变换单元的q轴电流反馈值i_q输出端连接傅里叶分析单元的q轴电流反馈值输入端，静止-旋转坐标变换单元的d轴电流反馈值i_d输出端连接傅里叶分析单元的d轴电流反馈值输入端，傅里叶分析单元的电机转速估计值输入端连接转子位置及转速观测器的电机转速估计值

输出端，傅里叶分析单元的q轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元的q轴电流反馈平均值输入端，傅里叶分析单元的d轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元的d轴电流反馈平均值输入端。

本发明所述一种基于上述无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：对永磁同步电机的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量；

步骤二：将步骤一中获得的一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元；

步骤三：由矢量角调节单元根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方

并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ；

步骤四：由最大转矩电流比控制单元进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

实现对永磁同步电机的最大转矩电流比矢量控制。

所述步骤一中对永磁同步电机的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的具体方法为：

q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的获取方式相同，下面以d轴电流直流分量的获取方式为例进行说明：

傅里叶分析单元每次采集d轴电流反馈值i_d后，采用电流累加器i_sum对d轴电流反馈值i_d进行累加，采用计数器count1对采集电流的次数进行计数；

判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N，

$N=\frac{10\mathrm{kHz}}{6\·2\·p\·{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r/2\mathrm{\π}},$

式中N为永磁同步电机的对应转速下，电流累加器i_sum在一个电流周期内需累加次数的一半；

kHz表示千赫兹；

为由转子位置及转速观测器观测获得的电机转速估计值；

p为永磁同步电机的极对数；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为是，用电流累加器i_sum的累加结果除以N，并将计算结果存入电流平均值寄存器i_aver1，同时将电流累加器i_sum和计数器count1清零；

然后，判定电流周期结束标志位flag是否满足flag=1，若判定结果为是，则电流平均值寄存器i_aver1除以2，得到d轴电流直流分量；将该d轴电流直流分量存入电流平均值寄存器i_aver2，并将所述电流平均值寄存器i_aver1和电流周期结束标志位flag清零，计数器count2执行加1计数；若判定结果为否，则傅里叶分析单元继续进行d轴电流反馈值i_d的采样；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为否，则傅里叶分析单元继续进行d轴电流反馈值i_d的采样。

所述步骤二中将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元的具体方法为：

将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均的方法相同，下面以将一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均的方法为例进行说明：

判定傅里叶分析单元的计数器count2是否满足count2=6，式中6代表d轴电流直流分量在一个电流周期内的6次脉动，若判定结果为是，则将所述电流平均值寄存器i_aver2除以6，将该计算结果存入电流平均值寄存器i_aver，并将电流平均值寄存器i_aver2和计数器count2清零，所述电流平均值寄存器i_aver内存储的所述计算结果为对一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均获得的d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}，将d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}输出给矢量角调节单元。

所述步骤三中由矢量角调节单元根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方

并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ的具体方法为：

步骤三一：使矢量角调节单元的计数器count3开始计数；

步骤三二：判定计数器count3是否满足count3=f₀，f₀为等待转速调节器输出稳定的时间的累加次数，若判定结果为是，则根据d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}和q轴电流直流分量平均值i_{q_DC}计算电流矢量幅值的平方

$I_s^2=i_{d\_\mathrm{DC}}^2+i_{q\_\mathrm{DC}}^2,$

然后执行步骤三三；

若判定结果为否，则执行步骤三十；

步骤三三：判定矢量角调节单元的初始执行标志位start是否满足start=1，若判定结果为是，则使

start=0，

为记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器，然后执行步骤三四；若判定结果为否，则直接执行步骤三四；

步骤三四：判定是否满足

若判定结果为是，则使

γ_min=γ，△γ=-△γ，γ_min为记录电流矢量幅值估计最小值时对应的电流矢量角γ的寄存器，△γ为每次需调节的电流矢量角度，然后执行步骤三五；若判定结果为否，则直接执行步骤三五；

步骤三五：令γ=γ_min；执行步骤三六；

步骤三六：判定最优电流矢量角输出标志位flag2是否满足flag2=1，若判定结果为是，则电流矢量幅值最小值重置计数器count4加1，然后执行步骤三七；若为否，则令所述标志位flag2=1，然后执行步骤三八；

步骤三七：判定所述电流矢量幅值最小值重置计数器count4是否满足count4=5，式中5表示每2秒对记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器进行一次重置，若判定结果为是，则令

count4=0，然后执行步骤三八；若判定结果为否，则直接执行步骤三八；

步骤三八：使γ+=△γ，△γ=-△γ，flag2=0，然后执行步骤三九；

步骤三九：使所述计数器count3清零，然后判定γ是否满足γ_min0≤γ≤γ_max0，γ_min0为预置的最小输出电流矢量角，γ_max0为预置的最大输出电流矢量角，若是，则执行步骤三十；

若否，则当γ≥γ_max0，令γ=γ_max0；当γ≤γ_min0，令γ=γ_min0；然后执行步骤三十；

步骤三十：电流矢量角γ调节结束。

所述步骤四中由最大转矩电流比控制单元进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

的具体方法为：

根据下式计算获得q轴电流给定值

和d轴电流给定值

$i_q^{*}=I_s^{*}\sin \mathrm{\γ},$

$i_d^{*}=I_s^{*}\cos \mathrm{\γ}.$

所述△γ的取值为|△γ|=2°。

本发明的优点是：本发明充分利用了内置式永磁同步电机的特性，提高了电机的过载能力和功率密度，本发明基于电流矢量角γ自动调节比较电流幅值大小可以自动搜索最大转矩电流比的运行点，避免了现有算法的复杂性，对电机参数变化具有较强的鲁棒性，不需要大量的离线测试及存储空间，并且易于实现、通用性较强。

附图说明

图1为本发明控制系统的原理框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为对永磁同步电机的d轴电流反馈值i_d和q轴电流反馈值i_q进行傅里叶分析的流程图；

图4为电流矢量角γ的调节过程流程图；

图5为当永磁同步电机转速给定值

为500rpm时带额定负载运行的实验结果曲线图；图中T_d为负载转矩。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统，它包括永磁同步电机1，它还包括逆变器2、空间矢量脉宽调制单元3、三相-两相坐标变换单元4、静止-旋转坐标变换单元5、傅里叶分析单元6、矢量角调节单元7、转速调节器8、最大转矩电流比控制单元9、第一电流调节器10、第二电流调节器11、旋转-静止坐标变换单元12和转子位置及转速观测器13，

转子位置及转速观测器13通过采集到的永磁同步电机1的a相定子电流i_a、c相定子电流i_c、逆变器2的直流母线电压u_dc和空间矢量脉宽调制单元3输出的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc，估计电机转子位置和转速，转子位置及转速观测器13输出的电机转速估计值

与电机转速给定值

作差后输入给转速调节器8，转速调节器8的电机电流矢量幅值给定值

输出端连接最大转矩电流比控制单元9的电流输入端，最大转矩电流比控制单元9的电流矢量角输入端连接矢量角调节单元7的电流矢量角γ输出端，最大转矩电流比控制单元9输出的q轴电流给定值

与静止-旋转坐标变换单元5输出的q轴电流反馈值i_q作差后输入给第一电流调节器10的电流输入端，最大转矩电流比控制单元9输出的d轴电流给定值

与静止-旋转坐标变换单元5输出的d轴电流反馈值i_d作差后输入给第二电流调节器11的电流输入端，第一电流调节器10的q轴电压给定值输出端连接旋转-静止坐标变换单元12的q轴电压给定值输入端，第二电流调节器11d轴电压给定值

输出端连接旋转-静止坐标变换单元12的d轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元12的转子位置电角度输入端连接转子位置及转速观测器13的转子位置电角度估计值

输出端，旋转-静止坐标变换单元12的α轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元3的α轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元12的β轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元3的β轴电压给定值输入端，空间矢量脉宽调制单元3的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc输出端连接逆变器2的功率开关管状态输入端，逆变器2的三相电流输出端与永磁同步电机1的三相电流输出端对应连接；

永磁同步电机1的a相定子电流i_a输入给三相-两相坐标变换单元4的a相定子电流输入端，永磁同步电机1的c相定子电流i_c输入给三相-两相坐标变换单元4的c相定子电流输入端，三相-两相坐标变换单元4的电机α轴电流值i_α输出端连接静止-旋转坐标变换单元5的电机α轴电流输入端，三相-两相坐标变换单元4的电机β轴电流值i_β输出端连接静止-旋转坐标变换单元5的电机β轴电流输入端，静止-旋转坐标变换单元5的转子位置电角度估计值输入端连接转子位置及转速观测器13的转子位置电角度估计值

输出端，静止-旋转坐标变换单元5的q轴电流反馈值i_q输出端连接傅里叶分析单元6的q轴电流反馈值输入端，静止-旋转坐标变换单元5的d轴电流反馈值i_d输出端连接傅里叶分析单元6的d轴电流反馈值输入端，傅里叶分析单元6的电机转速估计值输入端连接转子位置及转速观测器13的电机转速估计值

输出端，傅里叶分析单元6的q轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元7的q轴电流反馈平均值输入端，傅里叶分析单元6的d轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元7的d轴电流反馈平均值输入端。

本实施方式在现有永磁同步电机控制系统的基础上，采用转子位置及转速观测器13代替机械传感器对内置式永磁同步电机的转子位置角及转速进行估计。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法：它包括以下步骤：

步骤一：对永磁同步电机1的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量；

步骤二：将步骤一中获得的一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元7；

步骤三：由矢量角调节单元7根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ；

步骤四：由最大转矩电流比控制单元9进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

实现对永磁同步电机1的最大转矩电流比矢量控制。

本实施方式所述永磁同步电机1应用于交流传动系统，采用矢量控制，利用转子位置及转速观测器13对内置式永磁同步电机的转子位置角及转速进行估计，自动调节电流矢量角γ，根据不同电流矢量角γ所对应的电流幅值大小的比较，在线搜索最大转矩电流比运行点，不需要复杂计算及离线测试，即实现内置式永磁同步电机的最大转矩电流比控制策略。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述步骤一中对永磁同步电机1的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的具体方法为：

q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的获取方式相同，下面以d轴电流直流分量的获取方式为例进行说明：

傅里叶分析单元6每次采集d轴电流反馈值i_d后，采用电流累加器i_sum对d轴电流反馈值i_d进行累加，采用计数器count1对采集电流的次数进行计数；

判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N，

$N=\frac{10\mathrm{kHz}}{6\·2\·p\·{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r/2\mathrm{\π}},$

式中N为永磁同步电机1的对应转速下，电流累加器i_sum在一个电流周期内需累加次数的一半；

kHz表示千赫兹；

为由转子位置及转速观测器13观测获得的电机转速估计值；

p为永磁同步电机1的极对数；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为是，用电流累加器i_sum的累加结果除以N，并将计算结果存入电流平均值寄存器i_aver1，同时将电流累加器i_sum和计数器count1清零；

然后，判定电流周期结束标志位flag是否满足flag=1，若判定结果为是，则电流平均值寄存器i_aver1除以2，得到d轴电流直流分量；将该d轴电流直流分量存入电流平均值寄存器i_aver2，并将所述电流平均值寄存器i_aver1和电流周期结束标志位flag清零，计数器count2执行加1计数；若判定结果为否，则傅里叶分析单元6继续进行d轴电流反馈值i_d的采样；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为否，则傅里叶分析单元6继续进行d轴电流反馈值i_d的采样。

本实施方式中，电流累加器i_sum每累加一次，计数器count1加1。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述步骤二中将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元7的具体方法为：

将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均的方法相同，下面以将一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均的方法为例进行说明：

判定傅里叶分析单元6的计数器count2是否满足count2=6，式中6代表d轴电流直流分量在一个电流周期内的6次脉动，若判定结果为是，则将所述电流平均值寄存器i_aver2除以6，将该计算结果存入电流平均值寄存器i_aver，并将电流平均值寄存器i_aver2和计数器count2清零，所述电流平均值寄存器i_aver内存储的所述计算结果为对一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均获得的d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}，将d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}输出给矢量角调节单元7。

具体实施方式五：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述步骤三中由矢量角调节单元7根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方

并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ的具体方法为：

步骤三一：使矢量角调节单元7的计数器count3开始计数；

步骤三二：判定计数器count3是否满足count3=f₀，f₀为等待转速调节器输出稳定的时间的累加次数，若判定结果为是，则根据d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}和q轴电流直流分量平均值i_{q_DC}计算电流矢量幅值的平方

$I_s^2=i_{d\_\mathrm{DC}}^2+i_{q\_\mathrm{DC}}^2,$

然后执行步骤三三；

若判定结果为否，则执行步骤三十；

步骤三三：判定矢量角调节单元7的初始执行标志位start是否满足start=1，若判定结果为是，则使start=0，

为记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器，然后执行步骤三四；若判定结果为否，则直接执行步骤三四；

步骤三四：判定是否满足若判定结果为是，则使

γ_min=γ，△γ=-△γ，γ_min为记录电流矢量幅值估计最小值时对应的电流矢量角γ的寄存器，△γ为每次需调节的电流矢量角度，然后执行步骤三五；若判定结果为否，则直接执行步骤三五；

步骤三五：令γ=γ_min；执行步骤三六；

步骤三六：判定最优电流矢量角输出标志位flag2是否满足flag2=1，若判定结果为是，则电流矢量幅值最小值重置计数器count4加1，然后执行步骤三七；若为否，则令所述标志位flag2=1，然后执行步骤三八；

步骤三七：判定所述电流矢量幅值最小值重置计数器count4是否满足count4=5，式中5表示每2秒对记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器

进行一次重置，若判定结果为是，则令

count4=0，然后执行步骤三八；若判定结果为否，则直接执行步骤三八；

步骤三八：使γ+=△γ，△γ=-△γ，flag2=0，然后执行步骤三九；

步骤三九：使所述计数器count3清零，然后判定γ是否满足γ_min0≤γ≤γ_max0，γ_min0为预置的最小输出电流矢量角，γ_max0为预置的最大输出电流矢量角，若是，则执行步骤三十；

若否，则当γ≥γ_max0，令γ=γ_max0；当γ≤γ_min0，令γ=γ_min0；然后执行步骤三十；

步骤三十：电流矢量角γ调节结束。

本实施方式中，所有变量的清零和复位由控制芯片自动进行。

所述步骤三一中，每当得到d轴电流反馈值，count3便累加一次，即count3加1。当count3的值加到等于f₀时，便会清零，然后再次得到d轴电流反馈值时，又开始重新累加。

所述步骤三二中，每当矢量角调节单元7输出的电流矢量角γ改变时，都会使整个控制系统处于暂态。因此需要等待一段时间使系统达到稳态后，才能再次调解电流矢量角γ。所以计数器count3的功能实质就是为了提供这一段等待时间的。

本实施方式中，矢量角调节单元7能够实现在线自动搜索最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ。所述f₀的值应根据实际情况予以确定，本发明中电流采样频率为0.1毫秒，采用f₀=2000，即等待时间为0.2秒。因为相邻两次得到d轴电流反馈值的时间为0.1ms，这样count3便是每0.1ms累加一次。所以count3累加到2000时所用的时间便是，2000*0.1ms=0.2s，因此f₀只是为了可以使其等待0.2秒而对应的一个累加次数。

具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式五的进一步说明，所述步骤四中由最大转矩电流比控制单元9进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

的具体方法为：

根据下式计算获得q轴电流给定值

和d轴电流给定值

$i_q^{*}=I_s^{*}\sin \mathrm{\γ},$

$i_d^{*}=I_s^{*}\cos \mathrm{\γ}.$

具体实施方式七：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式五或六的进一步说明，所述△γ的取值为|△γ|=2°。

△γ的大小根据实际情况予以确定。

图5为由实验获得的曲线图，实验为在内置式永磁同步电机对拖加载实验平台上进行，实验方法在t₀时刻时开始使能，可见i_d、i_q的值开始减小，a相电流的幅值与使能之前相比也有明显减小，实验结果验证了本发明方法的有效性。

Claims (6)

1.无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，所述控制系统包括永磁同步电机（1），它还包括逆变器（2）、空间矢量脉宽调制单元（3）、三相-两相坐标变换单元（4）、静止-旋转坐标变换单元（5）、傅里叶分析单元（6）、矢量角调节单元（7）、转速调节器（8）、最大转矩电流比控制单元（9）、第一电流调节器（10）、第二电流调节器（11）、旋转-静止坐标变换单元（12）和转子位置及转速观测器（13），

转子位置及转速观测器（13）通过采集到的永磁同步电机（1）的a相定子电流i_a、c相定子电流i_c、逆变器（2）的直流母线电压u_dc和空间矢量脉宽调制单元（3）输出的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc，估计电机转子位置和转速，转子位置及转速观测器（13）输出的电机转速估计值与电机转速给定值

作差后输入给转速调节器（8），转速调节器（8）的电机电流矢量幅值给定值

输出端连接最大转矩电流比控制单元（9）的电流输入端，最大转矩电流比控制单元（9）的电流矢量角输入端连接矢量角调节单元（7）的电流矢量角γ输出端，最大转矩电流比控制单元（9）输出的q轴电流给定值与静止-旋转坐标变换单元（5）输出的q轴电流反馈值i_q作差后输入给第一电流调节器（10）的电流输入端，最大转矩电流比控制单元（9）输出的d轴电流给定值

与静止-旋转坐标变换单元（5）输出的d轴电流反馈值i_d作差后输入给第二电流调节器（11）的电流输入端，第一电流调节器（10）的q轴电压给定值

输出端连接旋转-静止坐标变换单元（12）的q轴电压给定值输入端，第二电流调节器（11）d轴电压给定值

输出端连接旋转-静止坐标变换单元（12）的d轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元（12）的转子位置电角度输入端连接转子位置及转速观测器（13）的转子位置电角度估计值

输出端，旋转-静止坐标变换单元（12）的α轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元（3）的α轴电压给定值输入端，旋转-静止坐标变换单元（12）的β轴电压给定值

输出端连接空间矢量脉宽调制单元（3）的β轴电压给定值输入端，空间矢量脉宽调制单元（3）的逆变器的六个功率开关管的开关状态S_abc输出端连接逆变器（2）的功率开关管状态输入端，逆变器（2）的三相电流输出端与永磁同步电机（1）的三相电流输出端对应连接；

永磁同步电机（1）的a相定子电流i_a输入给三相-两相坐标变换单元（4）的a相定子电流输入端，永磁同步电机（1）的c相定子电流i_c输入给三相-两相坐标变换单元（4）的c相定子电流输入端，三相-两相坐标变换单元（4）的电机α轴电流值i_α输出端连接静止-旋转坐标变换单元（5）的电机α轴电流输入端，三相-两相坐标变换单元（4）的电机β轴电流值i_β输出端连接静止-旋转坐标变换单元（5）的电机β轴电流输入端，静止-旋转坐标变换单元（5）的转子位置电角度估计值输入端连接转子位置及转速观测器（13）的转子位置电角度估计值

输出端，静止-旋转坐标变换单元（5）的q轴电流反馈值i_q输出端连接傅里叶分析单元（6）的q轴电流反馈值输入端，静止-旋转坐标变换单元（5）的d轴电流反馈值i_d输出端连接傅里叶分析单元（6）的d轴电流反馈值输入端，傅里叶分析单元（6）的电机转速估计值输入端连接转子位置及转速观测器（13）的电机转速估计值输出端，傅里叶分析单元（6）的q轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元（7）的q轴电流反馈平均值输入端，傅里叶分析单元（6）的d轴电流反馈平均值输出端连接矢量角调节单元（7）的d轴电流反馈平均值输入端，其特征在于：所述控制系统的控制方法包括以下步骤：

步骤一：对永磁同步电机（1）的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量；

步骤二：将步骤一中获得的一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元（7）；

步骤三：由矢量角调节单元（7）根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方

，并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ；

步骤四：由最大转矩电流比控制单元（9）进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

，实现对永磁同步电机（1）的最大转矩电流比矢量控制。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一中对永磁同步电机（1）的q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d进行傅里叶分析，提取q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的具体方法为：

q轴电流直流分量和d轴电流直流分量的获取方式相同，下面以d轴电流直流分量的获取方式为例进行说明：

傅里叶分析单元（6）每次采集d轴电流反馈值i_d后，采用电流累加器i_sum对d轴电流反馈值i_d进行累加，采用计数器count1对采集电流的次数进行计数；

判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N，

$N=\frac{10\mathrm{kHz}}{6\·2\·p\·{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r/2\mathrm{\π}},$ ，

式中N为永磁同步电机（1）的对应转速下，电流累加器i_sum在一个电流周期内需累加次数的一半；

kHz表示千赫兹；

为由转子位置及转速观测器（13）观测获得的电机转速估计值；

p为永磁同步电机（1）的极对数；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为是，用电流累加器i_sum的累加结果除以N，并将计算结果存入电流平均值寄存器i_aver1，同时将电流累加器i_sum和计数器count1清零；

然后，判定电流周期结束标志位flag是否满足flag=1，若判定结果为是，则电流平均值寄存器i_aver1除以2，得到d轴电流直流分量；将该d轴电流直流分量存入电流平均值寄存器i_aver2，并将所述电流平均值寄存器i_aver1和电流周期结束标志位flag清零，计数器count2执行加1计数；若判定结果为否，则傅里叶分析单元（6）继续进行d轴电流反馈值i_d的采样；

若判定计数器count1的当前计数值是否满足count1=N的结果为否，则傅里叶分析单元（6）继续进行d轴电流反馈值i_d的采样。

3.根据权利要求2所述的无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤二中将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均，输出给矢量角调节单元（7）的具体方法为：

将一个电流周期内的q轴电流直流分量和d轴电流直流分量分别进行平均的方法相同，下面以将一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均的方法为例进行说明：

判定傅里叶分析单元（6）的计数器count2是否满足count2=6，式中6代表d轴电流直流分量在一个电流周期内的6次脉动，若判定结果为是，则将所述电流平均值寄存器i_aver2除以6，将该计算结果存入电流平均值寄存器i_aver，并将电流平均值寄存器i_aver2和计数器count2清零，所述电流平均值寄存器i_aver内存储的所述计算结果为对一个电流周期内的d轴电流直流分量进行平均获得的d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}，将d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}输出给矢量角调节单元（7）。

4.根据权利要求3所述的无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三中由矢量角调节单元（7）根据q轴电流直流分量平均值和d轴电流直流分量平均值求取电流矢量幅值的平方

，并比较相邻两次电流矢量幅值的平方

的大小，输出最大转矩电流比运行点所对应的电流矢量角γ的具体方法为：

步骤三一：使矢量角调节单元（7）的计数器count3开始计数；

步骤三二：判定计数器count3是否满足count3=f₀，f₀为等待转速调节器输出稳定的时间的累加次数，若判定结果为是，则根据d轴电流直流分量平均值i_{d_DC}和q轴电流直流分量平均值i_{q_DC}计算电流矢量幅值的平方

：

$I_s^2=i_{d\_\mathrm{DC}}^2+i_{q\_\mathrm{DC}}^2,$ ，

然后执行步骤三三；

若判定结果为否，则执行步骤三十；

步骤三三：判定矢量角调节单元（7）的初始执行标志位start是否满足start=1，若判定结果为是，则使，start=0，为记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器，然后执行步骤三四；若判定结果为否，则直接执行步骤三四；

步骤三四：判定是否满足

，若判定结果为是，则使

，γ_min=γ，△γ=-△γ，γ_min为记录电流矢量幅值估计最小值时对应的电流矢量角γ的寄存器，△γ为每次需调节的电流矢量角度，然后执行步骤三五；若判定结果为否，则直接执行步骤三五；

步骤三五：令γ=γ_min；执行步骤三六；

步骤三六：判定最优电流矢量角输出标志位flag2是否满足flag2=1，若判定结果为是，则电流矢量幅值最小值重置计数器count4加1，然后执行步骤三七；若为否，则令所述标志位flag2=1，然后执行步骤三八；

步骤三七：判定所述电流矢量幅值最小值重置计数器count4是否满足count4=5，式中5表示每2秒对记录电流矢量幅值估计最小值的寄存器

进行一次重置，若判定结果为是，则令

，count4=0，然后执行步骤三八；若判定结果为否，则直接执行步骤三八；

步骤三八：使γ+=△γ，△γ=-△γ，flag2=0，然后执行步骤三九；

步骤三九：使所述计数器count3清零，然后判定γ是否满足γ_min0≤γ≤γ_max0，γ_min0为预置的最小输出电流矢量角，γ_max0为预置的最大输出电流矢量角，若是，则执行步骤三十；

若否，则当γ≥γ_max0，令γ=γ_max0；当γ≤γ_min0，令γ=γ_min0；然后执行步骤三十；

步骤三十：电流矢量角γ调节结束。

5.根据权利要求4所述的无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤四中由最大转矩电流比控制单元（9）进行计算，获得电机最大转矩电流比运行点所对应的q轴电流给定值

和d轴电流给定值

的具体方法为：

根据下式计算获得q轴电流给定值

和d轴电流给定值

：

$i_q^{*}=I_s^{*}\sin \mathrm{\γ},$ ，

$i_d^{*}=I_s^{*}\cos \mathrm{\γ}.$ 。

6.根据权利要求4所述的无位置传感器内置式永磁同步电机最大转矩电流比矢量控制系统的控制方法，其特征在于：所述△γ的取值为|△γ|=2°。

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