CN103269191A - 一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法，通过采集电机三相定子电压与电流，经三相/两相静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压和电流，据此计算出电磁转矩和定子磁链实际反馈值。由给定与反馈转速之差，经PI控制器得到电磁转矩的初始给定值，经给定电磁转矩与定子磁链计算模块，得到电磁转矩和定子磁链的给定值。再由给定电压计算模块，得到两相静止坐标系αβ轴上的给定电压，最后经空间矢量脉宽调制生成逆变器的开关信号，触发逆变器的开关器件，实现永磁同步电机的直接转矩/磁链控制。本发明实现了永磁同步电动机低、中、高速的宽范围运行，无需旋转坐标变换，具有计算方便、动态响应快、鲁棒性强等优点。

Description

一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法。

背景技术

永磁同步电机相比异步电机具有高效率、高功率因数、体积小、重量轻、温升低等优势，因此受到国内外学者的广泛关注。传统的永磁同步电机直接转矩控制存在弱磁高速运行时转矩会有降落的问题，即在定子磁链弱磁到某个值之后，转矩角超过其限幅值，导致转矩与转矩角的比值由正变负，而无法提供正常转矩，导致电机运行失稳，无法实现高速运行。

而永磁同步电机的矢量控制不存在电机高速运行时失稳的情况，其原因在于矢量控制是在已知转子磁极位置的前提条件下，实现磁场定向控制，转子和转子磁场始终处于同步运行状态，不会失步。然而，矢量控制需要旋转坐标变化，运算复杂，动态性能没有直接转矩控制好。

为了拓宽直接转矩控制方法下的永磁同步电机运行范围，亟需探索一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法，使其同时具备矢量控制的宽范围运行和直接转矩控制的运算方便和动态性能优良的特性。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法,实现了永磁同步电机的高速弱磁控制，拓宽了运行范围，保证了电机高速运行的稳定性，具有运算方便、动态响应快、鲁棒性强等优点。

本发明的永磁同步电机驱动系统的直接转矩/磁链控制方法，包括如下步骤：

（1）利用电压电流传感器采集永磁同步电机的三相定子电压信号u_au_bu_c和三相定子电流信号i_ai_bi_c，通过三相/两相静止坐标变换模块对其进行坐标变换，得到两相静止αβ坐标系中的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β。利用速度编码器或无传感器技术得到转子的转速ω。

（2）根据所述的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β，通过反馈电磁转矩、定子磁链和电流矢量估计模块，计算出永磁同步电机的反馈电磁转矩T_e、反馈定子磁链Ψ_s和反馈定子磁链相对于α轴的夹角，同时计算出电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i。

（3）根据所述的转子永磁体转速ω和给定转速ω^*之差，经PI控制器得到电磁转矩的初始给定值T_e’。由所述的电磁转矩的初始给定值T_e’、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s、电流矢量相对于α轴的夹角θ_i和转速ω，通过给定电磁转矩与定子磁链计算模块，计算出给定电磁转矩T_e ^*和给定定子磁链Ψ_s ^*。

（4）给定电磁转矩T_e ^*与反馈电磁转矩T_e之差，经PI控制器，得到定子磁链的角度增量Δδ。将所述的角度增量Δδ、给定定子磁链Ψ_s ^*、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ通过给定电压计算模块，计算出α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β。

（5）根据α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β，利用空间矢量脉宽调制生成PWM信号对逆变器（1）进行控制。

所述的步骤（3）中，给定电磁转矩与定子磁链计算模块的流程为：

a.将反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i，通过i_M计算模块，根据公式i_M=I_s ^*cos(θ_i-δ)计算出电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M。

b.将反馈定子磁链Ψ_s、电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M、电磁转矩的初始给定值T_e’通过给定电磁转矩计算模块,先根据公式，计算给定电磁转矩的限幅值T_emax，以保证电机电流维持在最大值I_smax；其中，p是永磁同步电机的极对数，I_samx是定子电流的最大值。然后电磁转矩的初始给定值T_e’经过限幅后，得到电磁转矩的给定T_e ^*。

c．将电磁转矩的给定T_e ^*通过查询表查出对应转矩的定子磁链Ψ_s1 ^*。其中，查询表是一张根据最大转矩电流比MTPA算法得到的磁链-转矩对应表格，可根据电磁转矩查表得出对应的定子磁链，以获得单位电流下输出最大转矩的特性。

将转速ω通过弱磁磁链计算模块计算出对应转速的定子磁链Ψ_s2 ^*。其中，弱磁磁链计算模块是根据公式

，由转速ω决定定子磁链的大小。其中，

，V_dc是逆变器的直流母线电压。

将Ψ_s1 ^*和Ψ_s2 ^*通过比较模块，取两者中小者作为定子磁链的给定值Ψ_s ^*。

本发明的有益效果是，本发明的控制方法是基于定子磁链定向的永磁同步电机直接转矩/磁链控制。相比于传统的直接转矩控制方法，本发明对转矩和定子磁链给定计算方法进行了改进，在计算转矩的限幅值时不再依赖电机参数，而是根据定子电流在定子磁链方向上的分量得到最大转矩电流，从而确定转矩限幅值。而定子磁链给定值是根据MTPA算法和弱磁控制，通过比较得到。本发明的效果在于，克服了传统直接转矩控制存在的高速转矩跌落导致的系统崩溃的问题，拓宽了电机运行范围，能够同时保持电压和电流幅值最大，不需要复杂的旋转坐标变换，具有计算简单、动态响应快、鲁棒性强等优点。

附图说明

图1是本发明的直接转矩/磁链控制方法的控制框图示意图；

图2是本发明的给定电磁转矩和定子磁链计算模块的示意图；

图3是传统永磁同步电机直接转矩控制的电流、转速和转矩波形示意图。

图4是本发明的直接转矩/磁链控制的电流、转速和转矩波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图1为本发明的永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法的结构框图。其主电路包括逆变器1、直流电压源2和一台永磁同步电机3。控制器根据采集到的永磁同步电机的三相电压信号u_au_bu_c、三相电流信号i_ai_bi_c、转速信号ω，进行处理计算，得到PWM信号作用于逆变器1，使电机获得优良的运行性能。

本发明的直接转矩/磁链控制方法，其步骤如下：

（1）采集电压电流信号及转速信号。

利用电压电流传感器4采集永磁同步电机的三相定子电压信号u_au_bu_c和三相定子电流信号i_ai_bi_c，利用速度编码器5得到转子的转速ω。

将采集到的三相定子电压信号u_au_bu_c和三相定子电流信号i_ai_bi_c经过三相/两相静止坐标变换模块6进行坐标变换，得到两相静止αβ坐标系中的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β。

以电压为例，根据恒幅值变换，其三相/两相静止坐标变换为以下公式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

（2）计算反馈电磁转矩、定子磁链和电流矢量。

根据所述的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β，通过反馈电磁转矩、定子磁链和电流矢量估计模块7，计算出永磁同步电机的反馈电磁转矩T_e、反馈定子磁链Ψ_s和反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ，同时计算出电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i。

反馈电磁转矩、定子磁链和电流矢量估计模块7的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫(u_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\∫(u_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}\\ \mathrm{\δ}=a\tan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}\right)\end{array}\right.$

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}})$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_s=\sqrt{i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_i=a\tan \left(\frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}\right)\end{array}\right.$

其中，Ψ_α、Ψ_β分别为定子磁链在α、β轴上的分量，u_α、u_β分别为定子电压在α、β轴上的分量，i_α、i_β分别为定子电流在α、β轴上的分量。R为定子相电阻，p为极对数。

（3）计算给定电磁转矩和给定定子磁链。

将给定转速ω^*与转子转速ω相减得Δω，经PI控制器8得到电磁转矩的初始给定值T_e’。

将电磁转矩的初始给定值T_e’、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s、电流矢量相对于α轴的夹角θ_i和转速ω，通过给定电磁转矩与定子磁链计算模块9，计算出给定电磁转矩T_e ^*和给定定子磁链Ψ_s ^*。

给定电磁转矩和定子磁链计算模块9如图2所示，步骤如下：

a．将反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i，通过i_M计算模块13，根据以下公式计算出电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M。

i_M=I_s ^*cos(θ_i-δ)

b．将反馈定子磁链Ψ_s、电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M、电磁转矩的初始给定值T_e’通过给定电磁转矩计算模块14,先根据以下公式计算给定电磁转矩的限幅值T_emax，以保证电机电流维持在最大值I_smax；然后电磁转矩的初始给定值T_e’再经过限幅后，得到电磁转矩的给定T_e ^*。

$T_{e\max }=\frac{3}{2}p{\mathrm{\ψ}}_s\sqrt{I_{s\max }-i_M}$

其中p为极对数，I_smax为电机允许的定子电流最大值。

c．将电磁转矩的给定T_e ^*通过查询表15查出对应转矩的定子磁链Ψ_s1 ^*。其中，查询表15是一张根据最大转矩电流比MTPA算法得到的磁链转矩对应表格，可根据电磁转矩查表得出对应的定子磁链，以获得单位电流下输出最大转矩的特性。

将转速ω通过弱磁磁链计算模块16计算出对应转速的定子磁链Ψ_s2 ^*。其中，弱磁磁链计算模块16是根据公式

，由转速ω决定定子磁链的大小。其中，

，V_dc是逆变器1的直流母线电压。

将Ψ_s1 ^*和Ψ_s2 ^*通过比较模块17，取两者中小者作为定子磁链的给定值Ψ_s ^*。

（4）电压指令的生成。

将给定电磁转矩T_e ^*与反馈电磁转矩T_e的差经过PI控制器10，得到定子磁链的角度增量Δδ。

将定子磁链的角度增量Δδ、给定定子磁链Ψ_s ^*、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ通过给定电压计算模块11，计算出α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β。其步骤如下：

a.将定子磁链的角度增量Δδ与反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ相加，得到定子磁链的相对于α轴的夹角的给定δ^*。

b．根据定子磁链的给定值Ψ_s ^*、给定夹角δ^*与反馈定子磁链Ψ_s、反馈夹角δ，计算出电压矢量给定值V_s在α轴、β轴上的分量V_α、V_β。

计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\cos (\mathrm{\δ}*)-{\mathrm{\ψ}}_s\cos \mathrm{\δ}}{T_s}\\ V_{\mathrm{\β}}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\sin (\mathrm{\δ}*)-{\mathrm{\ψ}}_s\sin \mathrm{\δ}}{T_s}\end{array}\right.$

其中，T_s为系统的采样周期

（5）根据α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β，利用空间矢量脉宽调制12生成PWM信号对逆变器1进行控制。

实施例：

以下，我们对本实施方案进行仿真测试，所采用的永磁同步电机的参数如表1所示：

表1

极对数	2
		定子阻抗	18.6Ω
永磁磁链	0.447Wb
		直轴电感	0.3885H
交轴电感	0.4755H
		相电压	240V
相电流	1.4A
		额定转速	1500rpm
额定转矩	1.94Nm

测试的目标是使电机稳定运行于6000转/分。

图3为传统永磁同步电机直接转矩控制的电流、转速和转矩波形图。可以看出，电机输出转矩在时间t=0.25s时出现严重跌落，电流不稳，系统失去平衡，电机的转速也不再上升。

图4为本发明的永磁同步电机直接转矩/磁链控制的电流、转速和转矩波形图。可以看出，在整个加速阶段，电流幅值维持恒定并为最大限幅值，电机输出转矩在电机端电压达到限幅后开始减小，直到电机转速达到给定转速，转矩快速平稳地降至零，没有出现高速时的转矩跌落现象。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机直接转矩/磁链控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）利用电压电流传感器（4）采集永磁同步电机的三相定子电压信号u_au_bu_c和三相定子电流信号i_ai_bi_c，通过三相/两相静止坐标变换模块（6）对其进行坐标变换，得到两相静止αβ坐标系中的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β。利用速度编码器（5）或者无传感器技术得到转子的转速ω。

（2）根据所述的电压分量u_αu_β和电流分量i_αi_β，通过反馈电磁转矩、定子磁链和电流矢量估计模块（7），计算出永磁同步电机的反馈电磁转矩T_e、反馈定子磁链Ψ_s和反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ，同时计算出电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i。

（3）根据所述的转子转速ω和给定转速ω^*之差，经PI控制器（8）得到电磁转矩的初始给定值T_e’。将电磁转矩的初始给定值T_e’、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s、电流矢量相对于α轴的夹角θ_i和转速ω经给定电磁转矩与定子磁链计算模块（9）得到给定电磁转矩T_e ^*和给定定子磁链Ψ_e ^*。

（4）给定电磁转矩T_e ^*与反馈电磁转矩T_e之差，经PI控制器（10），得到定子磁链的角度增量Δδ。将角度增量Δδ、给定定子磁链Ψ_s ^*、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ通过给定电压计算模块（11），计算出α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β。

（5）根据α轴和β轴方向上的电压给定值V_α、V_β，利用空间矢量脉宽调制（12）生成PWM信号对逆变器（1）进行控制。

2.按照权利要求1所述的直接转矩/磁链控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述将电磁转矩的初始给定值T_e’、反馈定子磁链Ψ_s、反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s、电流矢量相对于α轴的夹角θ_i和转速ω经给定电磁转矩与定子磁链计算模块（9）得到给定电磁转矩T_e ^*和给定定子磁链Ψ_s ^*通过以下子步骤来实现：

（3.1）将反馈定子磁链相对于α轴的夹角δ、电流矢量的幅值I_s和电流矢量相对于α轴的夹角θ_i，通过i_M计算模块（13），根据公式i_M=I_s*cos(θ_i-δ)计算出电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M。

（3.2）将反馈定子磁链Ψ_s、电流矢量I_s在定子磁链方向轴上的投影i_M、电磁转矩的初始给定值T_e’通过给定电磁转矩计算模块（14），先根据公式，计算给定电磁转矩的限幅值T_emax，以保证电机电流维持在最大值I_smax；其中，p是永磁同步电机的极对数，I_samx是定子电流的最大值。然后电磁转矩的初始给定值T_e’经过限幅后，得到电磁转矩的给定T_e ^*。

（3.3）将电磁转矩的给定T_e ^*通过查询表（15）查出对应转矩的定子磁链Ψ_s1 ^*。其中，查询表（15）是一张根据最大转矩电流比MTPA算法得到的磁链－转矩对应表格，可根据电磁转矩查表得出对应的定子磁链，以获得单位电流下输出最大转矩的特性。将转速ω通过弱磁磁链计算模块（16）计算出对应转速的定子磁链Ψ_s2 ^*。弱磁磁链计算模块（16）是根据公式

，由转速ω决定定子磁链的大小。其中，

V_dc是逆变器（1）的直流母线电压。将Ψ_s1 ^*和Ψ_s2 ^*通过比较模块（17），取两者中小者作为定子磁链的给定值Ψ_s ^*。

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