CN105071713A - 一种eha用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种EHA用永磁同步电机控制器的实现方法，适用于对单向运行的永磁同步电机的调速及转矩控制。本方法使用两相调制的简单空间矢量控制与单周控制相结合的方法，对永磁同步电机的转速及转矩进行控制。两相调制有利于减小开关损耗，相比于三相调制的方法可以减小开关损耗达33％，简单空间矢量控制比传统的矢量控制大大减小了处理器的运算量，只需进行逻辑判断及简单的加减运算、查表运算即可完成。单周控制具有快速性好，控制简单，易于实现，可靠性高，易于实现的特点。控制方法在于：首先进行扇区判断，然后根据判断的扇区选择空间矢量，根据空间矢量的组合原则和两相调制方法进行占空比的计算，使用单周控制器实现占空比的输出。本方法适用于单向运行的永磁同步电机的调速及转矩控制，兼具快速性、高可靠性和较强的抗干扰能力。

Description

一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法

(一)技术领域

本发明涉及一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，具体地说是一种针对EHA用永磁同步电机调速系统的控制器的实现方案，兼具易实现、抗干扰性、快速性和与id＝0的转子磁链定向的矢量控制方法基本特点等效且更具优势的控制性能。

(二)背景技术

工程上通常要求在EHA上使用永磁同步电机来实现执行功能，对永磁同步电机的调速系统提出了诸多要求，其中包括快速性、高抗干扰性等。传统的调速控制方法有矢量控制方法、直接转矩控制、最大转矩电流比控制、单位功率因数控制(功率因数为1的控制)、SPWM控制等。id＝0的转子磁链定向的矢量控制方法的核心思想是参照直流电机的控制策略，将电机三相电流、电压、磁链经过坐标变换，按照转子磁场定向的原则对定子电流励磁分量和转矩分量进行解耦，从而达到对交流电动机磁链和转矩的分别控制。矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常通过安装绝对编码器或旋转变压器等转子位置传感器来获得转子磁场的准确位置。矢量控制具有速度控制精确、转矩响应良好、转矩脉动小、可实现零速全负载控制，类似直流电机的工作特性，并且调速范围较大的特点。缺点是需要经过两次坐标变换，运算量极大，对电机参数变化敏感，系统结构复杂使得矢量控制的快速性受到制约。因此，工程中需要一种更加易于实现、更加低成本、更加快速的永磁电机控制器的实现方案。

(三)发明内容

针对现有传统电机控制器的矢量控制方案的缺点，本发明的目的是提供一种、具有快速性、抗干扰性、易实现、低成本的调速控制方法，并且在工程应用中具有可行性和实用性。本发明采用了单周控制来实现电流环的调节，单周控制的基本原理是在一个开关周期内，通过控制开关占空比使开关变量的平均值等于参考信号或与其成比例。这种控制方式的优点在于能在一个开关周期内消除稳态误差和动态误差，具有动态响应快、精确度高、控制简单的特点。其高动态响应和高精确度决定了这种控制方法的抗干扰能力强的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是(以两对极隐极永磁同步电动机为例)：

本发明的控制器为转速环和电流环双闭环控制，转速环与传统方式相同，转速环的输出作为电流的参考值，需要将其变换为与反馈电流同相位的给定电流。在传统的id＝0的转子磁链定向控制下，电机反电动势与电流同相位，而反电动势可以由转子位置直接获取，由此通过转子位置直接得到反电动势的参考波形，与转速环输出值相乘再减去电流采样值即得到给定电流。对给定电流进行选择和调节，并生成占空比，对占空比进行选择送至逆变器驱动电机旋转。

对于控制器来说，结合图2，电流环控制核心包括三个模块：电流选择电路，单周控制核心模块，驱动选择电路。电流选择和驱动选择电路都很适合用数字电路实现；结合图3，单周控制核心模块包括一个积分器和三个加法器，两个比较器，两个RS触发器，一个时钟组成，都很方便使用数字电路或简单的模拟电路来实现。

本方法相对于现有i_d＝0转子磁链定向的控制方法具有以下优点：

本方法的运算量相对于传统i_d＝0的转子磁链定向矢量控制方法而言大大减小，对处理器的运算能力要求大大降低；

本方法可以采用纯硬件电路实现(纯硬件电路实现是指仅采用FPGA而不使用其内部DSP核的方法结合一些模拟电路来实现)，而其他方法即使是采用硬件电路实现，也是通过在FPGA内的DSP核来实现算法的迁移，其实际上还是通过软件来实现其算法的。

本方法在电流环中采用了单周控制方法，电流调节更加快速，提高了控制系统的快速性；

本方法在电流环中采用的单周控制方法，提高了控制系统的抗干扰性，可以大大减轻由于电源端的扰动带来转速及转矩的波动。具有良好的鲁棒性和稳态性能。

(四)附图说明：

图1是本发明的电流环的核心示意图(电流环控制核心据图1所示)；

图2是本发明的单周控制核心示意图；

图3是本发明方法的扇区划分依据；

图4是本发明的永磁同步电机逆变器及电机本体拓扑结构模型示意图；

图5是本发明的各扇区两相调制示意图；

图6是本发明的SVPWM控制方法扇区示意图；

图7是本发明的扇区I至扇区VI的实际工作模式表；

图8是本发明的各扇区占空比计算公式及需控制的开关；

图9是本发明的各扇区的单周控制模型；

图10是本发明的电流选择与占空比选择表；

图11是为了验证本发明的理论正确性与可行性的永磁同步电机调速系统控制模型(基于本发明的永磁同步电机调速系统据图11所示)；

图12是本发明的电流转矩转速仿真波形(永磁同步电机调速系统的仿真结果据图12所示)；

图13是本发明的永磁同步电机调速系统相电流与相反电势仿真波形以验证本发明方法与id＝0转子磁链定向矢量控制方法的等效性。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

(1)获取电流给定信息

电机转动通过旋转变压器或者光栅、光码盘等获得转子位置，以θ表示，代表转子磁极转过的角度，θ定义为转子d轴与三相静止坐标器的A轴之间的夹角，d轴逆时针旋转，θ为正，范围为0≤θ≤2π。反电动势按照公式1获得：

$e_A=-\sqrt{\frac{2}{3}}{k}_e*\mathrm{\ω}*sin\mathrm{\θ};e_B=\sqrt{\frac{2}{3}}{k}_e*\mathrm{\ω}*sin(\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3});e_C=\sqrt{\frac{2}{3}}{k}_e*\mathrm{\ω}*sin(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})---\left(1\right)$

k_e为反电动势系数，ω为电机的转速，单位是rad/s。

反电动势与反馈的三相电流之差为误差电流，对误差电流进行选择和调节。选择过程按照图11中的第一张表进行选择，调节过程根据图2实现。

同时，由转子位置θ进行扇区的划分，按照图3的规则划分扇区。

(2)对选择的电流采用单周控制的方法进行调节

基本数学模型：

结合图4，图中三相桥的开关分别为Q_ah，Q_al，Q_bh，Q_bl，Q_ch，Q_cl，分别为A，B，C三相的上下桥臂的开关管，各自状态为1代表导通，为0代表截止(关断)，正常工作时，同相的上下桥臂同一时刻最多只允许有一个开关管导通。

选择矢量：

按照两相调制的方法，在一个扇区内某一开关的状态始终保持导通(1)或关断(0)状态，以此减小开关损耗，另外两相的开关处于高频状态，各扇区的两相调制示意图如图5所示。

以扇区I为例，设Q_cl在扇区I内始终开通，则Q_ah和Q_bh的分配为：工作模式1：Q_ah＝0，Q_bh＝0；工作模式2：Q_ah＝0，Q_bh＝1；工作模式3：Q_ah＝1，Q_bh＝0；工作模式4：Q_ah＝1，Q_bh＝1。

扇区I的在四种工作模式下的电压矢量分别为：工作模式1：V₀；工作模式2：V₂；工作模式3：V₄；工作模式4：V₆。结合图6，扇区I内的电压矢量只可能由基本矢量V₀，V₄和V₆组合而成。同理可得其他扇区的实际工作模式(结合图6，排除了四种工作模式中不可能的那种工作模式)的基本电压矢量及开关情况，如图7中的表格所示。

计算开关占空比：

扇区I中矢量V₀，V₄，V₆的作用时间分别为T₀，T₄，T₆，扇区I的工作时间为ΔT，A，B，C三点电压u_A，u_B，u_C的值为该扇区各作用矢量作用时间与作用强度(以扇区I为例，即V₀，V₄，V₆在三相电压u_A，u_B，u_C上分配的电压值)的加权和。其他扇区同理，各扇区占空比为图8中的表格所示。

单周控制模型：

对图8中的各占空比公式进行等效变形，并令V_ref即转速环的输出，以扇区I为例，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref}(1-D_{al})=(2u_A+u_B)R_s/R_e=(2i_A+i_B)R_s\\ V_{ref}(1-D_{bl})=(u_A+2u_B)R_s/R_e=(i_A+2i_B)R_s\\ V_{ref}(1-D_{cl})=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

R_e为从电源侧看的电机及其后负载的等效电阻。

式(5)即扇区I的单周控制数学模型。同理可计算其他扇区的单周控制数学模型如图9中的表格所示。

用D_h，D_l和D_t分别表示同一扇区各开关的占空比，以扇区I为例，D_h＝D_bl，D_l＝D_al，D_t＝D_cl，用i_h和i_l分别表示同一扇区输入电机绕组的相电流，以扇区I为例，i_h＝i_b，i_l＝i_a。则由图9中的表可得实现单周控制的控制方程：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref}\left[\begin{array}{c}1-D_h\\ 1-D_l\end{array}\right]=R_s\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_h\\ i_l\end{array}\right]\\ D_t=1\end{array}\right.---\left(3\right)$

式6说明，两相调制简单空间矢量控制的单周控制方程的输入与输出可以通过对电流的选择和占空比的选择来实现。

用Q_h，Q_l，ON,OFF分别表示同一扇区开关的驱动信号，Q_h，Q_l，为触发器的输出，表示开关在该扇区处于高频状态，ON表示开关在该扇区处于恒通状态，OFF表示开关在该扇区处于恒关状态。由图9中的表可以得到，以上各量在各区间的关系即电流选择和占空比选择规律如图10中的表所示。

按照如上所述的控制方法，即可实现对永磁同步电机的转速控制。

为了验证本方法的理论正确性和可行性，在Matlab/Simulink仿真平台下建立了如图11的的控制模型。对控制模型设定仿真条件：转速给定2000rpm，空载起动，转速环电流限幅30A，在0.03s时突加负载为10N·m，仿真时长为0.1s，仿真结果波形如图12所示。相电流与相反电势波形如图13所示。(相反电势的幅值经过比例调整为了方便相位比较)

由图12的仿真结果可见，电磁转矩Te仍然与q轴电流保持线性关系，突加负载后，电磁转矩迅速与负载转矩平衡，i_q迅速上升，系统反应灵敏。

从图13中可以看到，加上负载后，电机稳定运行时，相反电势与相电流同相位，即内功率因数为1，满足i_d＝0的转子磁链定向的矢量控制标准，达到了同等控制的目标，由于这种方法较传统的i_d＝0的方法对于处理器来说计算量小很多，多数计算为逻辑判断、数据选择、加减运算，所以十分适合使用硬件来实现。

Claims (5)

1.一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，其特征是：采用简单空间矢量和单周控制的方式，仅使用FPGA及少量模拟电路器件实现，同时达到与id＝0的转子磁链定向的矢量控制方法等同的控制效果。

2.根据权利要求1所述的一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，其特征在于：简单空间矢量采用两相调制方法，减小了开关管损耗，与准优化的PWM方法相比，开关次数可减少1/3，但直流侧电压利用率相同。

3.根据权利要求1所述的一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，其特征在于：简单空间矢量不需要采用坐标变换的方式，只需要进行符号判断及简单的加减运算即可实现空间矢量调制的调制技术，大大减小了处理器的运算量，对处理器性能的要求降低，更易于实现。

4.根据权利要求1所述的一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，其特征在于：采用单周控制器实现占空比的控制与输出，快速性好，易于实现。

5.根据权利要求1所述的一种EHA用永磁同步电机调速系统控制器的实现方法，其特征在于：这种方法所实现的调速性能等同于id＝0的转子磁链定向的矢量控制方法，即对于调速控制系统来说，永磁同步电机d轴电流id围绕在0上下波动，q轴电流iq与电磁转矩严格地保持线性关系，相电流与相反电势同相位。