CN107294447A - 永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，所述控制装置包括定子电流指令生成模块、自适应最大转矩电流比控制模块、电流控制模块、信号采集模块、三相逆变器模块与永磁同步电机，所述的定子电流指令产生模块用于产生定子电流幅值输送到自适应最大转矩电流比控制模块，所述的电流控制模块通过信号采集模块获取的电机定子电流和电机转子位置参数来实施矢量控制算法或其他电流控制算法，获取逆变器功率开关器件的驱动信号，所述的逆变器功率开关器件的驱动信号作用在三相逆变器模块上，所述的三相逆变器模块与永磁同步电机连接，使得永磁同步电机实现最大转矩电流比运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体涉及一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，属于永磁同步电机控制领域。
背景技术
永磁同步电机具有运行效率高、功率密度大、控制简单等优势，被广泛应用于各种电压和功率等级的传动领域。
为了提高永磁同步电机运行效率，永磁同步电机常采用最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)，在输出相同电磁转矩的前提下能够保证电流幅值最小，从而减小电机及变频器损耗，提高运行效率。
传统的永磁同步电机最大转矩电流比控制往往需要根据永磁同步电机的转子磁链和交、直轴电感参数来计算最优的电流分配方式，然而永磁同步电机在运行过程中交、直轴电感和转子磁链会受电流、温度等环境因素的影响而发生变化。永磁同步电机的最大转矩电流比控制策略对电机交、直轴电感和转子磁链等参数有很强的依赖性，因此依靠电机参数计算、拟合或查表法的最大转矩电流比控制很难使电机持续运行于高效的状态。
参数辨识算法能一定程度上解决电机参数变化对MTPA控制性能影响的问题。目前主流的参数辨识方法大体分为两类，即离线参数辨识和在线参数辨识。离线参数辨识可以比较准确的得到电机的参数随环境条件变化的特性，可以绘制成曲线图或数据表格以备MTPA控制算法调用。但是它的缺点是需要对每一台电机进行针对性实验测试，在大批量生产的情况下会严重影响产品的生产周期。在线辨识的特点是可以在线检测出实时的电机参数，这样控制程序调用的都是和当前环境相匹配的参数，相对于传统MTPA的准确性也有所提高。但这会使得控制程序变得更加复杂，对控制芯片的主频和运算速度都会提出更高的要求。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，该技术方案不依赖于永磁同步电机的转子磁链与交、直轴电感参数，这是一种不受电机参数约束的自适应最大转矩电流比控制方式，有效的解决了传统公式计算最大转矩电流比控制算法受电机参数变化的影响、离线参数辨识工作量大、在线参数辨识执行效率低等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述控制装置包括定子电流指令生成模块、自适应最大转矩电流比控制模块、电流控制模块、信号采集模块、三相逆变器模块与永磁同步电机，所述的定子电流指令产生模块用于产生定子电流幅值输送到到自适应最大转矩电流比控制模块，其中自适应最大转矩电流比控制模块产生的矢量分解模块获取的直轴电流参考值和交轴电流参考值作为电流控制模块的输入，所述的电流控制模块通过信号采集模块获取的电机定子电流和电机转子位置参数来实施矢量控制算法或其他电流控制算法，获取逆变器功率开关器件的驱动信号，所述的逆变器功率开关器件的驱动信号作用在三相逆变器模块上，所述的三相逆变器模块与永磁同步电机连接，使得永磁同步电机实现最大转矩电流比运行。
作为本发明的一种改进，所述自适应最大转矩电流比控制模块包括绝对值求取模块、积分模块一、符号求取函数、符号函数模块、积分模块二和矢量分解模块，
所述的绝对值求取模块的输入量为定子电流幅值其输出量为定子电流幅值的绝对值
所述的积分模块一的输入量为负常数ρ，其输出为负常数ρ对时间的积分(γ)；
所述的符号求取模块的输入量为定子电流幅值输出量为定子电流幅值的符号计算过程如下：
所述的符号函数模块的输入为切换函数(s),其值是定子电流幅值的绝对值和负常数ρ对时间的积分(γ)的差值，计算过程如下：
所述的符号函数模块的输出为优化电流矢量角度对时间的微分其计算过程如下：
其中k和α为正常数；
所述的积分模块二的输入量为优化电流矢量角度对时间的微分其输出为优化电流矢量角度(θ)；
所述的优化电流矢量角度与的和并与符号求取模块的输出相乘，得到最大转矩电流比工况下的最优定子电流矢量角度(θ*)；
所述的矢量分解模块的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
矢量分解模块获取的直轴电流参考值和交轴电流参考值作为电流控制模块的输入。
永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述控制装置包括采样装置、数字运算装置、驱动电路、逆变器以及永磁同步电机，所述采样装置包括电流传感器和位置传感器，电流传感器的作用是采集永磁同步电机三相电流，位置传感器的作用是采集永磁同步电机转子位置，所述的驱动电路根据SVPWM的PWM控制信号来控制逆变器的功率器件的开通和关断，实现对逆变器的控制，所述的逆变器与永磁同步电机相连，使得永磁同步电机实现最大转矩电流比运行。
作为本发明的一种改进，所述的数字运算装置由数字运算电路，如单片机、DSP等数字运算芯片，所执行的运算过程包括3/2变换、2s/2r变换、速度计算、转速环、自适应最大转矩电流比控制模块、矢量分解、电流控制器、2r/2s变换、SVPWM；
所述的3/2变换的作用是将三相静止坐标系下的电流值(ia,ib,ic)转换为两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)，计算公式如下：
所述的2s/2r变换的作用是将两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)转换为两相旋转坐标系下的电流值(id,iq)，计算公式如下：
所述的速度计算的作用是根据转子位置计算电机的运行转速；
所述的转速环将转速给定(ω*)与电机转速(ω)作差并作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为定子电流幅值的给定值
所述的自适应最大转矩电流比控制模块的输入为定子电流幅值的给定值输出为和定子电流矢量角度(θ*)，
所述的矢量分解的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
所述的电流控制器将直轴电流参考值和交轴电流参考值分别与其实际值(id,iq)作差，并作为PI控制器的输入，所述的PI控制器的输出分别为逆变器两相旋转坐标系下的电压参考值
所述的2r/2s变换的作用是将两相旋转坐标系下的电压转换为两相静止坐标系下的电压其计算过程如下：
所述的SVPWM通过给定电压按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案结构紧凑、巧妙，该方案不依赖于永磁同步电机的转子磁链与交、直轴电感参数，这是一种不受电机参数约束的自适应最大转矩电流比控制方式，有效的解决了传统公式计算最大转矩电流比控制算法受电机参数变化的影响、查表法制表过程复杂、离线参数辨识工作量大、在线参数辨识运算开销大等问题；该技术方案运算简便、无需电机的相关精确参数、鲁棒性强、成本较低；该技术方案对于不同的电机具有相同的控制架构，在线寻找电流矢量的优化控制角度，与传统方法相比无需针对每台电机进行制表或者离线参数辨识，便于大规模的推广应用。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明另一个实施例示意图；
图3为永磁同步电机交、直轴电流波形图。
图中：1、定子电流指令生成模块，2、自适应最大转矩电流比控制模块，3、电流控制模块，4、信号采集模块，5、三相逆变器模块，6、永磁同步电机，7、采样装置，8、数字运算装置，9、驱动电路，201、绝对值求取模块，202、积分模块一，203、符号求取函数，204、符号函数模块，205、积分模块二，206、矢量分解模块，701、电流传感器，702、位置传感器，801、3/2变换，802、2s/2r变换，803、速度计算，804、转速环，805、自适应最大转矩电流比控制器，806、矢量分解，807、电流控制器，808、2r/2s变换，809、SVPWM。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，所述控制装置包括定子电流指令生成模块1、自适应最大转矩电流比控制模块2、电流控制模块3、信号采集模块4、三相逆变器模块5与永磁同步电机6，所述的定子电流指令产生模块1用于产生定子电流幅值输送到到自适应最大转矩电流比控制模块2，定子电流指令产生模块的输出由转速控制环输出端获取。
所述自适应最大转矩电流比控制模块2包括绝对值求取模块201、积分模块一202、符号求取函数203、符号函数模块204、积分模块二205和矢量分解模块206，
所述的绝对值求取模块201的输入量为定子电流幅值其输出量为定子电流幅值的绝对值
所述的积分模块一202的输入量为负常数ρ，其输出为负常数ρ对时间的积分(γ)；
所述的符号求取模块203的输入量为定子电流幅值输出量为定子电流幅值的符号计算过程如下：
所述的符号函数模块204的输入为切换函数(s),其值是定子电流幅值的绝对值和负常数ρ对时间的积分(γ)的差值，计算过程如下：
所述的符号函数模块204的输出为优化电流矢量角度对时间的微分其计算过程如下：
其中k和α为正常数；
所述的积分模块二205的输入量为优化电流矢量角度对时间的微分其输出为优化电流矢量角度(θ)；
所述的优化电流矢量角度与的和并与符号求取模块的输出相乘，得到最大转矩电流比工况下的最优定子电流矢量角度(θ*)；
所述的矢量分解模块206的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
其中自适应最大转矩电流比控制模块2产生的矢量分解模块获取的直轴电流参考值和交轴电流参考值作为电流控制模块3的输入，所述的电流控制模块3通过信号采集模块4获取的电机定子电流和电机转子位置参数来实施矢量控制算法或其他电流控制算法，获取逆变器功率开关器件的驱动信号，所述的逆变器功率开关器件的驱动信号作用在三相逆变器模块5上，所述的三相逆变器模块5与永磁同步电机6连接，使得永磁同步电机6实现最大转矩电流比运行。
实施例2：本实施案例作为实施案例1的一种特例，给出了采用电流矢量控制架构下的自适应最大转矩电流比控制的控制装置，参见图2，所述控制装置包含采样装置7、数字运算装置8、驱动电路9、三相逆变器模块5与永磁同步电机6。
所述的采样装置包括电流传感器701和位置传感器702。
所述的电流传感器701的作用是采集永磁同步电机三相电流。
所述的位置传感器702的作用是采集永磁同步电机转子位置。
所述的数字运算装置由数字运算电路8，如单片机、DSP等数字运算芯片，所执行的运算过程包括3/2变换801、2s/2r变换802、速度计算803、转速环804、自适应最大转矩电流比控制器805、矢量分解806、电流控制器807、2r/2s变换808、SVPWM809。
所述的3/2变换801的作用是将三相静止坐标系下的电流值(ia,ib,ic)转换为两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)，计算公式如下：
所述的2s/2r变换802的作用是将两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)转换为两相旋转坐标系下的电流值(id,iq)，计算公式如下：
所述的速度计算803的作用是根据转子位置计算电机的运行转速。
所述的转速环804将转速给定(ω*)与电机转速(ω)作差并作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为定子电流幅值的给定值
所述的自适应最大转矩电流比控制器805的输入为定子电流幅值的给定值输出为和定子电流矢量角度(θ*)，其计算过程与实施案例1中的自适应最大转矩电流比控制模块2相同。
所述的矢量分解806的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
所述的电流控制器807将直轴电流参考值和交轴电流参考值分别与其实际值(id,iq)作差，并作为PI控制器的输入，所述的PI控制器的输出分别为逆变器两相旋转坐标系下的电压参考值
所述的2r/2s变换808的作用是将两相旋转坐标系下的电压转换为两相静止坐标系下的电压其计算过程如下：
所述的SVPWM809通过给定电压按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号。
所述的驱动电路9根据SVPWM809的PWM控制信号来控制三相逆变器模块5的功率器件的开通和关断，实现对逆变器的控制。
所述的三相逆变器模块5与永磁同步电机6相连，使得永磁同步电机6实现最大转矩电流比运行。
图3给出了一台额定功率30kW，额定转速3500r/min且电机转子磁链和交、直轴电感参数未知的四对极永磁同步电机在采用本发明的实验结果图，图中给出了负载转矩为50、100与150Nm时，永磁同步电机的交、直轴电流波形。
图3表明，所述的一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制方法能够在永磁电机转子磁链和交、直轴电感参数未知的情况下实现对电机的交、直轴电流进行分配，实现最大转矩电流比控制。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (4)
1.一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述控制装置包括定子电流指令生成模块、自适应最大转矩电流比控制模块、电流控制模块、信号采集模块、三相逆变器模块与永磁同步电机，所述的定子电流指令产生模块用于产生定子电流幅值输送到自适应最大转矩电流比控制模块，其中自适应最大转矩电流比控制模块产生的矢量分解模块获取的直轴电流参考值和交轴电流参考值作为电流控制模块的输入，所述的电流控制模块通过信号采集模块获取的电机定子电流和电机转子位置参数来实施矢量控制算法或其他电流控制算法，获取逆变器功率开关器件的驱动信号，所述的逆变器功率开关器件的驱动信号作用在三相逆变器模块上，所述的三相逆变器模块与永磁同步电机连接，使得永磁同步电机实现最大转矩电流比运行。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述自适应最大转矩电流比控制模块包括绝对值求取模块、积分模块一、符号求取函数、符号函数模块、积分模块二和矢量分解模块，
所述的绝对值求取模块的输入量为定子电流幅值其输出量为定子电流幅值的绝对值
所述的积分模块一的输入量为负常数ρ，其输出为负常数ρ对时间的积分(γ)；
所述的符号求取模块的输入量为定子电流幅值输出量为定子电流幅值的符号计算过程如下：
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所述的符号函数模块的输入为切换函数(s),其值是定子电流幅值的绝对值和负常数ρ对时间的积分(γ)的差值，计算过程如下：
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其中k和α为正常数；
所述的积分模块二的输入量为优化电流矢量角度对时间的微分其输出为优化电流矢量角度(θ)；
所述的优化电流矢量角度与的和并与符号求取模块的输出相乘，得到最大转矩电流比工况下的最优定子电流矢量角度(θ*)；
所述的矢量分解模块的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
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矢量分解模块获取的直轴电流参考值和交轴电流参考值作为电流控制模块的输入。
3.一种永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述控制装置包括采样装置、数字运算装置、驱动电路、逆变器以及永磁同步电机，所述采样装置包括电流传感器和位置传感器，电流传感器的作用是采集永磁同步电机三相电流，位置传感器的作用是采集永磁同步电机转子位置，所述的驱动电路根据SVPWM的PWM控制信号来控制逆变器的功率器件的开通和关断，实现对逆变器的控制，所述的逆变器与永磁同步电机相连，使得永磁同步电机实现最大转矩电流比运行。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的自适应最大转矩电流比控制装置，其特征在于，所述的数字运算装置由数字运算电路，所执行的运算过程包括3/2变换、2s/2r变换、速度计算、转速环、自适应最大转矩电流比控制模块、矢量分解、电流控制器、2r/2s变换、SVPWM；
所述的3/2变换的作用是将三相静止坐标系下的电流值(ia,ib,ic)转换为两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)，计算公式如下：
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所述的2s/2r变换的作用是将两相静止坐标系下的电流值(iα，iβ)转换为两相旋转坐标系下的电流值(id,iq)，计算公式如下：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
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<mo>;</mo>
</mrow>
所述的速度计算的作用是根据转子位置计算电机的运行转速；
所述的转速环将转速给定(ω*)与电机转速(ω)作差并作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为定子电流幅值的给定值
所述的自适应最大转矩电流比控制模块的输入为定子电流幅值的给定值输出为和定子电流矢量角度(θ*)，
所述的矢量分解的输入量为定子电流幅值的绝对值和定子电流矢量角度(θ*)，其输出量为直轴电流参考值和交轴电流参考值计算过程如下：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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</mrow>
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</mfenced>
<mo>;</mo>
</mrow>
所述的电流控制器将直轴电流参考值和交轴电流参考值分别与其实际值(id,iq)作差，并作为PI控制器的输入，所述的PI控制器的输出分别为逆变器两相旋转坐标系下的电压参考值
所述的2r/2s变换的作用是将两相旋转坐标系下的电压转换为两相静止坐标系下的电压其计算过程如下：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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所述的SVPWM通过给定电压按照SVPWM调制方式得到PWM控制信号。
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