CN107659232A - 永磁同步电机的转矩脉动抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机的转矩脉动抑制系统及方法，依据定子磁链角度将扇区划分为十八个扇区，重新设计电压矢量表,使得选择的电压矢量恰好为改变转矩和磁链的电压矢量，根据转矩和磁链误差对定子电阻进行有效的补偿。定子电阻发生变化，根据转矩和磁链误差对定子电阻进行有效的补偿；对抑制转矩和磁链脉动效果较为明显。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制优化领域技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的转矩脉动抑制系统及方法。
背景技术
对于永磁同步电机，电机本体的设计和其控制策略对电机的转矩脉动的影响很大。传统PMSM－DTC是基于转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制，传统DTC有六种基本电压矢量及两种零矢量，六种基本电压矢量在空间上间隔60°，在电压矢量作用磁链时，可能选择的并非是改变磁链和转矩最理想的矢量，从而使得磁链发生阶跃式变化，导致转矩脉动的产生。而在PMSM－DTC控制中，永磁同步电机中定子电阻对于定子磁链的计算是一个重要的参数，而定子电阻并不是固定不变的，在电机运行过程中会随着温度的变化而变化，这会影响定子磁链的准确，产生误差，对于磁链和转矩估算就会产生影响导致系统产生脉动。定子电阻的变化同样也会影响到对磁链和转矩的控制，致使磁链观测不准确，从而导致转矩脉动大的问题。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种永磁同步电机的转矩脉动抑制系统及方法，通过细化电压矢量表和电阻补偿的方式，解决转矩脉动大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机的转矩脉动抑制方法,依据定子磁链角度将扇区划分为十八个扇区，重新设计电压矢量表,在电压矢量作用磁链时，相对于传统六扇区，可以选择出改变磁链和转矩最理想的矢量，使得选择的电压矢量恰好为改变转矩和磁链的电压矢量，从而有效减小了磁链的阶跃式变化，然后根据转矩和磁链误差对定子电阻进行有效的补偿。
作为一种优选实施方式,所述抑制方法具体为：
获取永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic和相电压ua、ub、uc，求取α－β坐标系下的电压ua1、ub1和电流ia1、ib1，估算出瞬时磁链值Te和转矩值ψs；
根据估算的瞬时磁链值Te和转矩值ψs，以及给定磁链值ψsref和给定转矩值计算定子电阻RS补偿值ΔR，把ΔR加到上一个时间估计的R(K-1)上，获得R(K)，再经过低通滤波获取一个实际的定子电阻值R，再用定子电阻值R重新计算新的磁链值和转矩值；
将新的磁链值送入十八扇区判断环节，并与给定的磁链值ψsref做比较，将输出值送入滞环比较器中，测得的永磁同步电机转速值n经过PI控制器得到转矩给定值与新的转矩值做比较，将结果送入滞环比较器中，滞环比较器的两个输出结果转矩状态量DT和磁链幅值状态量Dψ与十八扇区值SN一起送入开关表中得到逆变器的控制信号Sa、Sb和Sc。
作为一种优选实施方式,所述定子电阻RS补偿值ΔR的计算方法为：
ΔR1＝(KP1+KI1/s)ΔTe
ΔR2＝(KP2+KI2/s)Δψe
ΔR＝ΔR1+ΔR2
ΔR1和ΔR2为磁链与转矩误差的补偿值，KI1、KI2为积分系数消除静态误差，KP1、KP1为比例系数増加控制器的响应输出。
作为一种优选实施方式,所述十八扇区具体为：
[-10°,0°)、[0°,34°)、[34°,50°)、[50°,60°)、[60°,94°)、[94°,110°)、[110°,120°)、[120°,154°)、[154°,170°)、[170°,180°)、[-180°,-146°)、[-146°,-130°)、[-130°,-120°)、[-120°,-86°)、[-86°,-70°)、[-70°,-60°)、[-60°,-26°)和[-26°,-10°)。
作为一种优选实施方式,所述根据估算的瞬时磁链值Te和转矩值ψs计算定子电阻RS补偿值ΔR之前进行低通滤波，消除高频部分。
一种永磁同步电机的转矩脉动抑制系统，包括PI控制器、滞环比较器、电压矢量细化开关表、十八扇区模块、磁链和转矩估算模块、3/2坐标变换器模块、转速测量模块和定子电阻补偿模块，从逆变器获取的三相电流和相电压信号送入3/2坐标变换器模块，获取α－β坐标系下的电压和电流，将α－β坐标系下的电压和电流信号给磁链和转矩估算模块，估算出瞬时磁链值和转矩值送入定子电阻补偿模块，转速测量模块获取电机转速送入PI控制器，将输出转矩给定值以及给定的磁链值传递给定子电阻补偿模块，获取定子电阻补偿值，补偿值给磁链和转矩估算模块，磁链和转矩估算模块输出新的磁链值和转矩值，并送入滞环比较器，获取转矩状态量DT和磁链幅值状态量Dψ，转矩状态量DT、磁链幅值状态量Dψ和十八扇区中定子磁链所在扇区θ所得到的值SN送入电压矢量细化开关，获取逆变器控制量Sa、Sb和Sc。
所述磁链和转矩估算模内置低通滤波器。
本发明有益效果是:(1)将扇区重新划分，由六扇区变为十八扇区改进了滞环比较器即采用了磁链和转矩三点式，细化了电压矢量表，在电压矢量作用磁链时，可以选择出改变磁链和转矩最理想的矢量，从而有效减小了磁链的阶跃式变化；(2)电机运转起来后，随着温度的升高，定子电阻发生变化，根据转矩和磁链误差对定子电阻进行有效的补偿；(3)基于十八扇区下对定子电阻补偿策略对于小负载、转动惯量较小的电机系统抑制转矩和磁链脉动效果较为明显。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的十八扇区划分图。
图2是本发明的具体实施方式的定子电阻补偿模块示意图。
图3是本发明的具体实施方式的控制流程整体结构框图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，另外，需要声明的是，本发明不涉及新程序的应用。
本发明首先对扇区进行细分，划分为十八扇区,重新设计电压矢量表,使得选择的电压矢量恰好为改变转矩和磁链的电压矢量，将磁链两个分量求反正切函数得到所在的扇区。在此基础上对定子电阻变化对转矩和磁链的影响进行研究，并对定子电阻进行补偿。用到了PI控制器、滞环比较器、电压矢量细化开关表、逆变器、十八扇区模块、磁链和转矩估算模块、3/2坐标变换器模块、转速测量模块和定子电阻补偿模块。
将传统的六扇区划分为十八扇区，根据定子磁链角度的范围，依次把[-10°,0°)、[0°,34°)、[34°,50°)、[50°,60°)、[60°,94°)、[94°,110°)、[110°,120°)、[120°,154°)、[154°,170°)、[170°,180°)、[-180°,-146°)、[-146°,-130°)、[-130°,-120°)、[-120°,-86°)、[-86°,-70°)、[-70°,-60°)、[-60°,-26°)和[-26°,-10°)，分别对应着控制扇区的1(I)至18(XVIII)部分。由定子磁链矢量在α－β坐标上的两个分量之间的夹角，可以判断其所在的扇区。
系统先通过传感器测取相电压ua、ub、uc和三相电流ia、ib、ic，将测得的值送入坐标变换环节，计算出α－β坐标系下的电压ua1、ub1和电流ia1、ib1，对其积分来估算出磁链。根据输出的实际电流和电压来估算瞬时磁链值Te和转矩值ψs。
在磁链和转矩估算模块中加入了低通滤波器，磁链误差和转矩误差的高频部分从而被消除，然后通过PI控制器。由已知PMSM的定子电阻RS的补偿值ΔR，RS的补偿利用磁链和转矩误差不断补偿估算，以减少估算值与真实值之间的误差。计算公式为：
ΔR1＝(KP1+KI1/s)ΔTe
ΔR2＝(KP2+KI2/s)Δψe
ΔR＝ΔR1+ΔR2
其中定子补偿模块的四个输入值分别是给定磁链值ψsref、实际输出磁链值ψs、给定转矩值和实际输出转矩值Te，s是拉式变换中的变量。
ΔR1和ΔR2分别是磁链与转矩误差的补偿值，ΔR为Rs的补偿值，也就是定子补偿模块的输出值。KI1、KI2为积分系数消除静态误差，KP1、KP1为比例系数増加控制器的响应输出。
然后把ΔR不停地加到上一个时间估计的R(K-1)上，获得R(K)，再经过一个低通滤波器获取一个实际的PMSM定子电阻值R，再用定子电阻值R重新计算新的磁链值和转矩值。新的磁链值与给定的磁链值ψsref做比较，将输出值送入滞环比较器中。测得的速度值n经过与给定的速度值n*比较后，再给PI控制器得到转矩给定值与新的转矩值做比较，将磁链误差Δψs和转矩误差ΔTe输入到滞环比较器中。
滞环比较器的两个输出结果转矩状态量DT、磁链幅值状态量Dψ，将新的磁链值送入十八扇区判断环节，与十八扇区中定子磁链所在扇区θ所得到的值SN一起送入开关表中得到逆变器的控制信号Sa、Sb和Sc，从而控制永磁同步电机。之后重复以上步骤，不断循环检测。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于,依据定子磁链角度将扇区划分为十八个扇区，重新设计电压矢量表,在电压矢量作用磁链时，相对于传统六扇区，可以选择出改变磁链和转矩最理想的矢量，使得选择的电压矢量恰好为改变转矩和磁链的电压矢量，从而有效减小了磁链的阶跃式变化，然后根据转矩和磁链误差对定子电阻进行有效的补偿。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于,所述抑制方法具体为：
获取永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic和相电压ua、ub、uc，求取α－β坐标系下的电压ua1、ub1和电流ia1、ib1，估算出瞬时磁链值Te和转矩值ψs；
根据估算的瞬时磁链值Te和转矩值ψs，以及给定磁链值ssref和给定转矩值计算定子电阻RS补偿值ΔR，把ΔR加到上一个时间估计的R(K-1)上，获得R(K)，再经过低通滤波获取一个实际的定子电阻值R，再用定子电阻值R重新计算新的磁链值和转矩值；
将新的磁链值送入十八扇区判断环节，并与给定的磁链值ψsref做比较，将输出值送入滞环比较器中，测得的永磁同步电机转速值n经过PI控制器得到转矩给定值与新的转矩值做比较，将结果送入滞环比较器中，滞环比较器的两个输出结果转矩状态量DT和磁链幅值状态量Dψ与十八扇区值SN一起送入开关表中得到逆变器的控制信号Sa、Sb和Sc。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于,所述定子电阻RS补偿值ΔR的计算方法为：
ΔR1＝(KP1+KI1/s)ΔTe
ΔR2＝(KP2+KI2/s)Δψe
ΔR＝ΔR1+ΔR2
ΔR1和ΔR2为磁链与转矩误差的补偿值，KI1、KI2为积分系数消除静态误差，KP1、KP1为比例系数増加控制器的响应输出。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于,所述十八扇区具体为：
[-10°,0°)、[0°,34°)、[34°,50°)、[50°,60°)、[60°,94°)、[94°,110°)、[110°,120°)、[120°,154°)、[154°,170°)、[170°,180°)、[-180°,-146°)、[-146°,-130°)、[-130°,-120°)、[-120°,-86°)、[-86°,-70°)、[-70°,-60°)、[-60°,-26°)和[-26°,-10°)。
5.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于,所述根据估算的瞬时磁链值Te和转矩值ψs计算定子电阻RS补偿值ΔR之前进行低通滤波，消除高频部分。
6.一种永磁同步电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，包括PI控制器、滞环比较器、电压矢量细化开关表、十八扇区模块、磁链和转矩估算模块、3/2坐标变换器模块、转速测量模块和定子电阻补偿模块，从逆变器获取的三相电流和相电压信号送入3/2坐标变换器模块，获取α－β坐标系下的电压和电流，将α－β坐标系下的电压和电流信号给磁链和转矩估算模块，估算出瞬时磁链值和转矩值送入定子电阻补偿模块，转速测量模块获取电机转速送入PI控制器，将输出转矩给定值以及给定的磁链值传递给定子电阻补偿模块，获取定子电阻补偿值，补偿值给磁链和转矩估算模块，磁链和转矩估算模块输出新的磁链值和转矩值，并送入滞环比较器，获取转矩状态量DT和磁链幅值状态量Dψ，转矩状态量DT、磁链幅值状态量Dψ和十八扇区中定子磁链所在扇区θ所得到的值SN送入电压矢量细化开关，获取逆变器控制量Sa、Sb和Sc。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述磁链和转矩估算模内置低通滤波器。
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