CN103532461A - 一种用于平稳控制永磁同步电机低速小转矩状态切换的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制永磁同步电机低速小转矩下状态平稳切换的装置，包括：检测单元，用于实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；电流PID调节单元，其基于所检测的电枢三相电流和由目标转速和/或目标转矩计算的目标电流采用PID调节得到控制电机运行的控制电压，脉冲及指令封锁单元，其根据目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩状态，如果是，则输出用以封锁驱动单元的电压输出的信号；及PID封锁单元，判断电机是否处于低速小转矩控制状态，如果是，则输出用以封锁PID调节单元的信号。采用本发明可有效消除状态切换时的电流尖峰，达到电机全过程的平稳控制。

Description

一种用于平稳控制永磁同步电机低速小转矩状态切换的装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种用于平稳控制永磁同步电机低速小转矩状态切换的装置。

背景技术

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场；另一种是由永磁体来产生磁场。通过永磁体来产生磁场的电机就是永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）。

随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电机PMSM以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车传动系统的主流电机之一。

永磁同步电机PMSM根据转子形状的不同，可分为凸极式和隐极式两种，如图1a和图1b所示。电动汽车对传动系统不仅要求低速时输出转矩大，以适应快速启动、加速、低速爬坡等要求，还要求具有良好的弱磁性能，能够有较宽的调速范围，以适应高速运行要求。通常情况下，电动汽车用永磁电机为凸极式结构。

永磁同步电机PMSM的工作原理是，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子则由永磁体产生基本恒定的静止磁场。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转。

在使用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称为SVPWM）的PMSM控制系统中，由于实际环境中存在系统非线性、电机参数随负载及温度变化、速度传感器安装误差、电流采样误差等因素，永磁同步电机PMSM在零速或极低速时存在转子扰动的问题，为了解决转子扰动问题，现有技术方案通常为电机处于零速或极低速时设定一个独立的状态（低速小转矩状态），一旦判定电机处于该状态就在控制系统中启用一个脉冲及指令封锁单元来消除此扰动。

但是，这种方案会带来一个问题，即电机必然存在一个由低速小转矩状态到脱离该低速小转矩状态的切换，这个切换点会引起瞬间的电流尖峰，电流尖峰的大小具有一定的随机性，受到切换点时上述因素的影响，如果电流尖峰过大，会引起电机在切换点比较明显的抖动。

为此，需要提供一套解决方案以有效消除状态切换时的电流尖峰，达到永磁同步电机全过程的平稳控制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于控制永磁同步电机低速小转矩下状态平稳切换的装置，所述装置包括：

检测单元，其与电机连接，用于实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；

电流PID调节单元，其基于所检测的电枢三相电流和由目标转速和/或目标转矩计算的目标电流采用PID调节得到控制电机运行的控制电压，其中，目标电流包括目标转矩电流和目标励磁电流；

驱动单元，其根据所述控制电压经过逆变输出来驱动所述电机运转；其中，所述装置还包括：

脉冲及指令封锁单元，其根据所述目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩状态，如果是，则输出用以封锁所述驱动单元的电压输出的信号；以及

PID封锁单元，其根据所述目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩控制状态，如果是，则输出用以封锁所述PID调节单元的信号。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括电流变换单元，其设在所述电流PID调节单元与所述检测单元之间，以基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直轴电流并计算对应的交直轴电压，其中，所述电流PID调节单元包括交轴电流PID调节单元和直轴电流PID调节单元，交轴电流对应于转矩电流，直轴电流对应于励磁电流。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括目标转矩电流计算单元和励磁电流计算单元，其用于根据目标转速和/或目标转矩分别计算出目标转矩电流和目标励磁电流。

根据本发明的一个实施例，所述脉冲及指令封锁单元在低速小转矩控制状态下还向所述目标转矩电流计算单元和所述励磁电流计算单元发出封锁信号，以使其不输出计算的目标转矩电流和目标励磁电流值。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括前馈电压计算单元，其与所述目标转矩电流计算单元和所述励磁电流计算单元相连，用于基于所述目标转矩电流和所述励磁电流以及电机转速计算产生所述控制电压的前馈电压分量，其中，所述控制电压为合成的矢量控制电压。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括矢量控制电压计算单元，其与所述前馈电压计算单元以及交直轴电流PID调节单元相连，用以基于所述前馈电压分量和交直轴电流PID调节量计算合成的矢量控制电压。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括PARK逆变换单元，其与所述矢量控制电压计算单元相连，用于将旋转坐标系下的合成的矢量控制电压采用PARK逆变换为静止坐标系下的矢量控制电压。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括SVPWM调制单元，其与所述PARK逆变换单元相连，以根据检测单元检测的位置角、目标转矩电流、目标励磁电流以及静止坐标系下的矢量控制电压来产生提供给所述驱动单元的驱动脉冲，从而使电机运转。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括故障报告单元，其与所述脉冲及指令封锁单元相连，用于将电机运转时出现的故障信号传递给所述脉冲及指令封锁单元，以便其可根据故障类型封锁驱动单元的输出。

本发明可消除永磁电机在由低速小转矩状态到脱离该低速小转矩状态的切换时引起的瞬间电流尖峰，更有利于电机运行全过程的平稳控制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1a和图1b分别显示了永磁同步电机PMSM采用凸极式和隐极式转子的示意图；

图2为现有技术中采用脉冲及指令封锁单元消除转子扰动的电机控制框图；

图3显示了采用现有技术的给定电流（Id^*，Iq*）、反馈电流（Id，Iq）以及转速（speed）随时间的曲线图；

图4为根据本发明的一个实施例在图2基础上增加PID封锁单元的电机控制图；

图5显示了采用本发明的给定电流（Id^*，Iq*）、反馈电流（Id，Iq）以及转速（speed）随时间的曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明针对的是永磁同步电机PMSM的控制。下面首先简单介绍其工作原理。当PMSM定子的三相绕组中通入三相对称电流时，转子则由永磁体产生基本恒定的静止磁场。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向同步旋转。

在交流永磁同步电机PMSM高精度控制器算法中，CLARK-PARK变换和空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称为SVPWM）运算是必须的。其中，Clark转换用于将一个三相系统修改成两个坐标系统。而Park转换是将双向静态系统转换成转动系统矢量Park转换，其为现在占主流地位的交流电机分析计算时的基本变换。

就数学概念而言，Park变换便是从abc坐标变换到dqo坐标的坐标变换。换句话说，将磁链a、磁链b、磁链c上的电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c这些量都变换到dqo坐标中。经过park变换可将定子上的i_a，i_b，i_c三相电流投影等效到交直轴d、q轴上。对于稳态来说，等效之后的i_q，i_d正好就是一个常数了。这样，观察点便从定子转移到了转子上，因此只需关心等效之后的直轴和交轴所产生的旋转磁场。

通过测量和控制电动机定子的电流矢量，根据磁场定向原理，将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（i_d，也称为励磁电流或直轴电流）和产生转矩的电流分量（i_q，也称为转矩电流或交轴电流）。分别对电机的励磁电流和转矩电流分量的幅值和相位进行控制，从而控制电机转矩。永磁同步电机的转子是永磁体，其磁场是通过永磁体励磁，在对其转矩进行控制时，若采用基于转子磁场定向的矢量控制，转子磁场的位置就是永磁体磁场位置。

此外，对于永磁同步电机PMSM的主流控制策略SVPWM控制是基于转子磁场定向坐标系（d、q轴）的，忽略电机绕组电阻，此坐标系下永磁同步电动机的数学模型为：

磁链方程：

ψ_d＝L_d*i_d+F_m     （1）

ψ_q＝L_q*i_q     （2）

电压方程：

$U_d=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ωL}}_q*i_q=\mathrm{Ud}\_\mathrm{pid}+\mathrm{Ud}\_\mathrm{fwd}---\left(3\right)$

$U_q=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ωL}}_d*i_d+{\mathrm{\ωF}}_m=\mathrm{Uq}\_\mathrm{pid}+\mathrm{Uq}\_\mathrm{fwd}---\left(4\right)$

转矩方程：

T_em＝3/2*P_m*(F_m*i_q-(L_q-L_d)*i_d*i_q)     （5）

其中：ψ_d、ψ_q分别为定子d、q轴磁链分量；i_d、i_q分别为定子d、q轴电流分量；L_d、L_q分别为电机定子d、q轴电阻；F_m为永磁体磁链；U_d、U_q分别为定子d、q轴电压；Ud_pid、Uq_pid分别为d、q轴电压的PID分量；Ud_fwd、Uq_fwd分别为d、q轴电压的前馈电压分量；ω为转子转速；T_em为电机转矩；P_m为电机极对数。

鉴于以上知识，现有技术中针对PMSM的控制方法如图2所示。其包括以下部分：目标转矩电流计算单元1；弱磁判断及目标励磁电流计算单元2；前馈电压计算单元3；目标电压计算单元4；逆Park坐标变换单元5；SVPWM调制单元6；驱动单元7；检测单元（包含位置检测单元8、速度检测单元9、交流电流检测单元10）；Clark坐标变换单元11；park坐标变换单元12；d轴电流PID调节单元13；q轴电流PID调节单元14；直流电源15；IGBT逆变功率单元16；以及永磁同步电机17。

为减少电机低速小转矩状态下转子的扰动，在此状态下应当使驱动单元7发出使IGBT逆变功率单元16不输出电压的脉宽信号。

为此，设置了脉冲及指令封锁单元18。该单元根据检测到的电机转速和转矩指令（其中含有目标转速和/或目标转矩）来判断系统是否处于低速小转矩状态。如果处于低速小转矩状态，则向脉冲驱动单元7发出封锁脉冲，使空间矢量控制SVPWM调制单元6的输出信号无法通过脉宽驱动单元7来驱动IGBT逆变功率单元16，使逆变功率单元16不产生逆变电压，永磁同步电机17处于无电压输入状态，确保了永磁同步电机17在低速附近时没有转子扰动。

此外，如图所示，脉冲及指令封锁单元18输出的封锁信号还输入到了目标转矩电流计算单元1和弱磁判断及目标励磁电流计算单元2，也就是说，在低速小转矩状态下，强制将目标电流i_d*和i_q*设定为零。

然而，d，q轴电流PID调节单元13，14仍然在工作，输入的指令的目标电流i_d*和i_q*虽然为零，但是由于实际环境中存在系统非线性、电机参数随负载及温度变化、速度传感器安装误差、电流采样误差等因素，三相实际电流i_u，i_v并不完全为零，而是与零之间存在一定的误差。它们经过CLARK变换和PARK变换后得到的i_d和i_q也不为零。

如果不增加脉冲及指令封锁单元18，对于PID调节单元而言，反馈与目标电流存在误差，这个误差经过PID运算后会产生一个对应的输出，PID的输出经过电压计算单元、逆PARK变换单元、SVPWM单元后，会向驱动单元发出对应的驱动脉冲，逆变功率单元会产生对应的逆变电压，进而迫使实际的i_d和i_q趋近于指令的目标电流i_d*和i_q*。增加了脉冲及指令封锁单元18之后，由于驱动脉冲被封锁，逆变功率单元16不会产生对应的逆变电压，因此实际的i_d和i_q无法跟踪目标电流i_d*和i_q*，始终存在一个误差，这样在PID单元的积分作用下输出会一直放大，最终趋于饱和。

随着电机转速的逐渐提升或转矩指令的逐渐增大，控制系统将达到状态切换点，跳出刚才的低速小转矩状态，脉冲及指令封锁单元18停止工作，驱动单元7被放开。由于在低速小转矩状态下，d，q轴电流PID调节单元已经积累了相当大的误差输出，它对应的驱动脉冲可能是比较宽的，这样驱动单元7被放开瞬间在逆变功率单元16上会产生相当大的逆变电压。也就是说，会产生相当大的i_d和i_q以迅速消除前期积累的PID误差输出，这样状态切换结束后才能保证i_d和i_q迅速地跟踪指令i_d*和i_q*。

如图3所示，其中显示了以一款JD189永磁同步电机为例按照图2的控制方法实施电机控制的给定电流（i_d ^*，i_q*）、反馈电流（i_d，i_q）以及转速（speed）随时间的曲线图。JD189永磁同步电机的参数如表1所示。

表1

名称	永磁同步电机	型号	JD189
				额定功率	80kW	峰值功率	150kW
额定转速	1100r/min	峰值转速	2600r/min
				额定转矩	695N.m	峰值转矩	3300N.m
D轴电感	0.428mH	Q轴电感	1.23mH
				极对数	4	永磁体磁链	0.38Wb

试验时，设定转速10rpm为临界点，电机转速低于10rpm为低速小转矩状态，电机转速高于10rpm则跳出该状态。从图中可以看出，反馈电流i_d、i_q在状态切换点处出现了电流尖峰。在3次试验结果中，第2次冲击较小，i_d为31A，i_q为2.2A，按照试验电机JD189的参数，此时引起的冲击转矩约为9.4N.m；第3次冲击较大，i_d为-135A，i_q为119A，按照试验电机JD189的参数，此时引起的冲击转矩约为-460N.m；第1次的冲击介于两者之间，i_d为124A，i_q为9.5A，按照试验电机JD189的参数，此时引起的冲击转矩约为31.9N.m。从电机转速的跟随曲线上也可以看出，其带来的影响是对应的曲线不是很平滑，会出现抖动。

针对此问题，本发明另外在PID调节单元输入上设置PID封锁单元。其控制框图如图4所示。

其与现有技术其他部分类似，也包括与电机连接的检测单元（包含位置检测单元8、速度检测单元9、交流电流检测单元10），用于实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速。电流PID调节单元（d轴电流PID调节单元13；q轴电流PID调节单元14），其基于所检测的电枢三相电流和由目标转速和/或目标转矩计算的目标电流采用PID调节得到控制电机运行的控制电压。驱动单元7，其根据控制电压经过逆变输出来驱动电机17运转。

脉冲及指令封锁单元18，其根据目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩状态，如果是，则输出用以封锁驱动单元17的电压输出的信号。此外，脉冲及指令封锁单元18输出的封锁信号还输入到了目标转矩电流计算单元1和弱磁判断及目标励磁电流计算单元2，也就是说，在低速小转矩状态下，强制将目标电流i_d*和i_q*设定为零。

该装置还包括电流变换单元（11，12），其设在电流PID调节单元（13，14）与检测单元（8，9，10）之间，以基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直轴电流并计算对应的交直轴电压，其中，交轴电流i_q对应于转矩电流，直轴电流i_d对应于励磁电流。

该装置还包括目标转矩电流计算单元1和励磁电流计算单元2，其用于根据目标转速和/或目标转矩分别计算出目标转矩电流和目标励磁电流。

最重要的是，该装置包括PID封锁单元19，其根据目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩控制状态，如果是，则输出用以封锁PID调节单元（13，14）的信号。

D轴和Q轴电流PID调节单元（13，14）在接收到PID封锁单元19发来的状态指令后，不再对当前的实际电流i_d和i_q与给定i_d*和i_q*进行PID调节处理，强制性地使得两者的输出为零。

该装置还包括前馈电压计算单元3，其与目标转矩电流计算单元1和励磁电流计算单元2相连，用于基于目标转矩电流和励磁电流以及电机转速计算产生所述控制电压的前馈电压分量，其中，控制电压为合成的矢量控制电压。

在矢量控制电压计算单元4中，基于前馈电压分量和交直轴电流PID调节量计算合成的矢量控制电压。由于PID调节的输出被强制为零，那么矢量控制电压中仅包括前馈电压分量。

为了将矢量控制电压从旋转坐标系下转换到静止坐标系下，因此该装置还包括PARK逆变换单元5，其与矢量控制电压计算单元4相连。

当然，该装置还包括SVPWM调制单元，其与PARK逆变换单元相连，以根据检测单元检测的位置角、目标转矩电流、目标励磁电流以及静止坐标系下的矢量控制电压来产生提供给驱动单元的驱动脉冲，该驱动脉冲用于控制IGBT功率单元16的导通角。

根据前述SVPWM控制算法，d、q轴各自的前馈电压分量和PID调节电压分量合成为Ud_pu和Uq_pu，它们经过逆PARK变换单元和SVPWM单元得到驱动脉冲的脉宽用于驱动单元驱动IGBT。因此，当到达低速小转矩状态的切换点时，尽管实际的电流i_d和i_q与零值始终存在一定的小误差，由于切换前已消除了PID调节电压分量，在切换点放开驱动脉冲时，用于调制驱动脉宽的d、q轴电压Ud_pu和Uq_pu均只有前馈电压分量，而前馈电压分量的数值是实际电流i_d、i_q和电机参数的函数，它是一个稳态变化的值，不会造成状态切换时的出现瞬间的大脉宽驱动脉冲。

应用上述方法，在低速小转矩状态切换时的驱动脉冲的脉宽是根据电机电流平稳变化的，不受低速小转矩状态下的PID电压分量影响，不会导致瞬间的电流尖峰，有效地消除了电机抖动，实现了平稳控制。

此外，本装置还包括故障报告单元（图中未示出），其与脉冲及指令封锁单元18相连，用于将电机运转时出现的故障信号传递给脉冲及指令封锁单元18，以便其可根据故障类型封锁驱动单元16的输出。电机运转时出现的故障例如有电压过压、欠压、电流过流、电机过温、电机超速等。

图5显示了以一款JD189永磁同步电机为例按照图4的控制方法实施电机控制的给定电流（i_d ^*，iq*）、反馈电流（i_d，i_q）以及转速（speed）随时间的曲线图。从图中可以看出，状态切换时的i_d和i_q不存在电流尖峰，不会对电机产生冲击转矩，整个切换过程可以很平稳地控制。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种用于控制永磁同步电机低速小转矩下状态平稳切换的装置，其特征在于，所述装置包括：

检测单元，其与电机连接，用于实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；

电流PID调节单元，其基于所检测的电枢三相电流和由目标转速和/或目标转矩计算的目标电流采用PID调节得到控制电机运行的控制电压，其中，目标电流包括目标转矩电流和目标励磁电流；

驱动单元，其根据所述控制电压经过逆变输出来驱动所述电机运转；其中，所述装置还包括：

脉冲及指令封锁单元，其根据所述目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩状态，如果是，则输出用以封锁所述驱动单元的电压输出的信号；以及

PID封锁单元，其根据所述目标转速和/或目标转矩以及所检测的电机实际速度判断电机是否处于低速小转矩控制状态，如果是，则输出用以封锁所述PID调节单元的信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电流变换单元，其设在所述电流PID调节单元与所述检测单元之间，以基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直轴电流并计算对应的交直轴电压，其中，所述电流PID调节单元包括交轴电流PID调节单元和直轴电流PID调节单元，交轴电流对应于转矩电流，直轴电流对应于励磁电流。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括目标转矩电流计算单元和励磁电流计算单元，其用于根据目标转速和/或目标转矩分别计算出目标转矩电流和目标励磁电流。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述脉冲及指令封锁单元在低速小转矩控制状态下还向所述目标转矩电流计算单元和所述励磁电流计算单元发出封锁信号，以使其不输出计算的目标转矩电流和目标励磁电流值。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括前馈电压计算单元，其与所述目标转矩电流计算单元和所述励磁电流计算单元相连，用于基于所述目标转矩电流和所述励磁电流以及电机转速计算产生所述控制电压的前馈电压分量，其中，所述控制电压为合成的矢量控制电压。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括矢量控制电压计算单元，其与所述前馈电压计算单元以及交直轴电流PID调节单元相连，用以基于所述前馈电压分量和交直轴电流PID调节量计算合成的矢量控制电压。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括PARK逆变换单元，其与所述矢量控制电压计算单元相连，用于将旋转坐标系下的合成的矢量控制电压采用PARK逆变换为静止坐标系下的矢量控制电压。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括SVPWM调制单元，其与所述PARK逆变换单元相连，以根据检测单元检测的位置角、目标转矩电流、目标励磁电流以及静止坐标系下的矢量控制电压来产生提供给所述驱动单元的驱动脉冲，从而使电机运转。

9.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括故障报告单元，其与所述脉冲及指令封锁单元相连，用于将电机运转时出现的故障信号传递给所述脉冲及指令封锁单元，以便其可根据故障类型封锁驱动单元的输出。

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