CN104167965A - 永磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机矢量控制技术领域，特别是一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。它是根据最大转矩电流比控制对速度外环输出的电流总的给定进行分配，通过对永磁同步电机的转矩公式推算，再通过MATLAB软件工具进行线性化，获得d轴的电流给定和q轴的电流给定进行优化最大转矩电流比控制，实现永磁同步电机恒转矩区的优化控制。

Description

永磁同步电机最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明属于电机矢量控制技术领域，特别是一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

背景技术

随着新型永磁材料技术的飞速发展，永磁同步电机由于其体积小、重量轻、效率高等优点得到越来越广泛的应用。在永磁同步电机矢量控制系统中，为了更好地提高永磁同步电机的控制效率，在恒转矩区，人们一般采用最大转矩电流比控制策略，即永磁同步电机在输出相同的电磁转矩时需要的定子电流最小。现有的技术方案是通过查表等手段获得，而不能对最大转矩电流比控制进行优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现永磁同步电机恒转矩区优化控制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括由电流传感器检测得到两相定子电流i_a和i_b，分别通过坐标变换得到d、q轴电流反馈i_sd、i_sq，由电压传感器检测并经AD转换芯片得到直流母线电压U_dc，由转速位置电路检测获得转子位置角θ，进行微分后得电机转速反馈将转速给定和转速反馈ω_r的差值进行PI调节，输出电流总的给定最大转矩电流比对电流总的给定进行分配，获得d、q轴的电流给定 d、q轴电流给定和d、q轴电流反馈i_sd、i_sq经解耦控制输出d、q轴电压分量控制逆变器获得三相交流电，驱动永磁同步电机运行，所述最大转矩电流比对电流总的给定进行分配的方法是基于永磁同步电机的转矩公式：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}{i}_{\mathrm{sq}}^{*})---\left(1\right)$

${i_s^{*}}^2={i_{\mathrm{sd}}^{*}}^2+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2---\left(2\right)$

将式(1)对求导数：

$\frac{{\mathrm{dT}}_e}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^{*}}=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}-(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2\frac{1}{\sqrt{{i_s^{*}}^2-{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}})---\left(3\right)$

令式(3)等于0，得到：

$i_{\mathrm{sd}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{2(L_q-L_d)}-\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}---\left(4\right)$

将式(4)代入式(1)得：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}-\frac{{\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}}{2}-(L_d-L_q)\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^4})---\left(5\right)$

再通过MATLAB软件工具将上述式(5)进行线性化得到d轴的电流给定q轴的电流给定

更进一步是：所述转速位置电路是编码器或旋转变压器。所述转速给定是人为给定或控制器给定。所述解耦控制是对d轴电流给定值与d轴电流反馈i_sd的差值进行PI调节，对q轴的电流给定值与q轴电流反馈i_sq的差值进行PI调节。

本发明的积极效果：

本发明永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，是根据最大转矩电流比控制对速度外环输出的电流总的给定进行分配，通过对永磁同步电机的转矩公式推算，再通过MATLAB软件工具进行线性化，获得d轴的电流给定和q轴的电流给定进行优化最大转矩电流比控制，实现永磁同步电机恒转矩区的优化控制。

附图说明

图1是本发明带最大转矩电流比控制策略的永磁同步电机矢量控制框图。

图中所用符号：

—给定总电流，—d轴给定电流，—q轴给定电流，i_sd—d轴反馈电流，i_sq—q轴反馈电流，i_a—a相电流，i_b—b相电流，u_sd—d轴电压，u_sq—q轴电压，L_d—d轴电感，L_q—q轴电感，R_s—定子电阻，p—电机极对数，ω_r—转子电角速度，—给定电机转速，θ—转子位置角，ψ_f—永磁体磁链，V_dc—直流母线电压，RDC—旋转变压器，PMSM—永磁同电机，SVPWM—空间矢量PWM逆变器，3s/2s—3相静止坐标系到2相静止坐标系变换，2s/2r—2相静止坐标系到2相旋转坐标系变换。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例：本发明永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，如图1所示，要达到对永磁同步电机PMSM的控制，需要检测A相电流i_a、B相电流i_b、直流母线电压U_dc、转速反馈ω_r、转子位置角θ。两相定子电流A相电流i_a和B相电流i_b由电流传感器检测，并经过AD转换芯片得到。转子位置角θ由编码器或旋转变压器获得，然后对转子位置角θ进行微分可得电机转速反馈直流母线电压V_dc由电压传感器检测，并经过AD转换芯片得到U_dc。对永磁同步电机控制来说，在控制策略上，速度环是外环，它是将转速给定和转速反馈ω_r的差值进行PI调节，速度外环的输出变量为电流总的给定转速给定由人为给定或由相关的控制器给定。根据最大转矩电流比控制策略对速度外环输出的电流总的给定进行分配，获得d轴的电流给定和q轴的电流给定本发明所提出最大转矩电流比控制方法，则是：基于永磁同步电机的转矩公式：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}{i}_{\mathrm{sq}}^{*})---\left(1\right)$

${i_s^{*}}^2={i_{\mathrm{sd}}^{*}}^2+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2---\left(2\right)$

将式(1)对求导数：

$\frac{{\mathrm{dT}}_e}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^{*}}=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}-(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2\frac{1}{\sqrt{{i_s^{*}}^2-{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}})---\left(3\right)$

令式(3)等于0，得到：

$i_{\mathrm{sd}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{2(L_q-L_d)}-\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}---\left(4\right)$

将式(4)代入式(1)得：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}-\frac{{\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}}{2}-(L_d-L_q)\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^4})---\left(5\right)$

再通过MATLAB软件工具将上述式(5)进行线性化得到d轴的电流给定q轴的电流给定

由电流传感器检测得到的定子A相电流i_a和B相电流i_b，分别通过3s/2s和2s/2r变换，即3相静止坐标系到2相静止坐标系变换和2相静止坐标系到2相旋转坐标系变换的转换，得到d轴电流反馈i_sd和q轴电流反馈i_sq。

3s/2s变换，即3相静止坐标系到2相静止坐标系的转换，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_o\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{-1}{2}& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{-\sqrt{3}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

2s/2r变换，即2相静止坐标系到2相旋转坐标系的转换，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

d轴的电流给定q轴的电流给定d轴的电流反馈i_sd以及q轴的电流反馈i_sq共同完成d、q轴的解耦控制，解耦控制的原理就是分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，d轴的电流给定与d轴的电流反馈i_sd的差值进行PI调节；q轴的电流给定与q轴的电流反馈i_sq的差值进行PI调节。解耦控制的输出结果为输出电压信号u_s在d轴的电压分量和在q轴的电压分量d轴的电压分量和q轴的电压分量控制SVPWM空间矢量PWM逆变器后，得到永磁同步电机的端电压，包括A相电压瞬时值v_a、B相电压瞬时值v_b和C相电压瞬时值v_c，A相、B相、C相端电压加在永磁同步电机三相绕组上，就产生三相相电流，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，A相、B相、C相三相相电流被输入到永磁同步电机定子上的绕组以形成电机的旋转磁场和电磁转矩，驱动永磁同步电机运行。

本发明永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，对每个参数的明确定义已经说明，对不同的电机，它的取值是不一样的。这里本发明主要是提供了一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，适应于任何永磁同步电机，因此，这些参数是没有确切的取值，这与不同的永磁同步电机有关。采用本发明永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，成功应用于对10kW、30kW永磁同步电机进行驱动。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括由电流传感器检测得到两相定子电流i_a和i_b，分别通过坐标变换得到d、q轴电流反馈i_sd、i_sq，由电压传感器检测并经AD转换芯片得到直流母线电压U_dc，由转速位置电路检测获得转子位置角θ，进行微分后得电机转速反馈将转速给定和转速反馈ω_r的差值进行PI调节，输出电流总的给定最大转矩电流比对电流总的给定进行分配，获得d、q轴的电流给定d、q轴电流给定和d、q轴电流反馈i_sd、i_sq经解耦控制输出d、q轴电压分量控制逆变器获得三相交流电，驱动永磁同步电机运行，其特征是：所述最大转矩电流比对电流总的给定进行分配的方法是基于永磁同步电机的转矩公式：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}{i}_{\mathrm{sq}}^{*})---\left(1\right)$

${i_s^{*}}^2={i_{\mathrm{sd}}^{*}}^2+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2---\left(2\right)$

将式(1)对求导数：

$\frac{{\mathrm{dT}}_e}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^{*}}=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)i_{\mathrm{sd}}^{*}-(L_d-L_q){i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2\frac{1}{\sqrt{{i_s^{*}}^2-{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}})---\left(3\right)$

令式(3)等于0，得到：

$i_{\mathrm{sd}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{2(L_q-L_d)}-\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}---\left(4\right)$

将式(4)代入式(1)得：

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}-\frac{{\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{sq}}^{*}}{2}-(L_d-L_q)\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_f^2{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^2}{4{(L_q-L_d)}^2}+{i_{\mathrm{sq}}^{*}}^4})---\left(5\right)$

再通过MATLAB软件工具将上述式(5)进行线性化得到d轴的电流给定q轴的电流给定

2.根据权利要求1所述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于所述转速位置电路是编码器或旋转变压器。

3.根据权利要求1所述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于所述转速给定是人为给定或控制器给定。

4.根据权利要求1所述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于所述解耦控制是对d轴电流给定值与d轴电流反馈i_sd的差值进行PI调节，对q轴的电流给定值与q轴电流反馈i_sq的差值进行PI调节。