CN107919828B - 一种永磁同步电机的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制领域，并公开了一种永磁同步电机的控制装置及方法。该装置包括三相/二相转换单元、二相/三相转换单元、电机和电角度偏移单元，电机通过速度传感器与电角度偏移单元相连，电角度偏移单元同时与三相/二相和二相/三相转换单元相连；三相/二相转换单元将实时三相电流转化为二相电流；二相/三相转换单元将二相参考电压转化为三相控制电压；电角度偏移单元用于将实时电流和转速通过偏移模型计算为电角度的偏移。本发明还公开了永磁同步电机的控制方法。通过本发明，计算简单，不依赖电机参数，不受电机参数变化影响，实现根据电机实时转速和实时电流自动调节电角度偏移，控制效率高，鲁棒性强。

Description

一种永磁同步电机的控制装置及方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机的控制装置及方法。

背景技术

自工业革命内燃机的发明以来，汽车已经演变成一种重要的交通工具，它给人们的工作生活出行带来了极大的方便与舒适。各国对于汽车地发展也是十分重视，甚至汽车工业已经变成许多国家的支柱产业。然而，这也越来越多的伴随着一系列的问题，环境污染和能源危机尤为突出，根据国家权威部门的统计数据表明,我国机动车造成的城市大气污染高达30％以上，机动车排放物中大量的PM、CO、NOx、HC对环境及人体系统造成极大的污染和伤害，这对于汽车的发展极为不利。而随着技术的不断进步，开发出无污染、低能耗、低噪音并且不受燃料限制的电动汽车已经成为全球的共识。

永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、过载能力强等优点广泛地应用于电动汽车领域。目前较为成熟的控制方法为矢量控制和直接转矩控制，现有多数控制方法都基于矢量控制和直接转矩控制；永磁同步电机电气特性的参数主要有四个：定子电阻、d轴电感、q轴电感和永磁体磁链，对于表贴式永磁同步电机而言，通常情况下认为这些参数是固定不变的，但是由于制造误差和电机运行时的温度、定子电流和饱和的影响，电机参数会随之发生变化，原有的控制方法不能达到很好的控制效果；对于内嵌式永磁同步电机而言，电流矢量i_d＝0控制虽然简单，但没有充分利用其凸极性产生的磁阻转矩，不是最优控制方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机的控制装置及方法，通过设置电角度偏移单元，在二相/三相转化单元和三相/二相转换单元中增加电角度偏移值输入，使得计算永磁同步电机的电磁转矩时含有I_d的一项不为0，由此解决i_d＝0的永磁同步电机控制效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机的控制装置，该装置包括三相/二相转换单元、二相/三相转换单元、电机和电角度偏移单元，其特征在于：

所述电机通过速度传感器与所述电角度偏移单元相连，所述电角度偏移单元同时与所述三相/二相转换单元和二相/三相转换单元相连；

所述三相/二相转换单元用于将所述电机的实时三相电流转化为二相电流，该二相电流包括q轴和d轴方向的实时电流；

所述二相/三相转换单元用于将所述电机的二相参考电压转化为三相控制电压，该三相控制电压作为所述电机的输入电压；

所述电角度偏移单元利用所述q轴和d轴方向的实时电流、所述速度传感器测量的电机实时转速、电角度的偏移和电机效率的关系，计算电角度的偏移，其中，当电机的效率值取最大值时对应的电角度的偏移Δθ，即为所需的电角度偏移。

进一步优选地，所述q轴和d轴方向的实时电流、所述速度传感器测量的电机实时转速、电角度的偏移和电机效率η的关系优选按照下列表达式进行，

其中，P是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链，I_d是d轴的实时电流、I_q是q轴的实时电流，L_d是d轴的等效电感、L_q是q轴的等效电感，n是电机实时转速,U是电机的供电电源电压，I是电机的供电电源电流，I_s为电流矢量幅值。

进一步优选地，所述三相/二相转换单元包括依次连接的电流传感器模块、CLARK变换模块和PARK变换模块。

进一步优选地，所述二相/三相转换单元包括PARK逆变换模块、SVPWM模块和IGBT逆变器模块。

按照本发明的另一个方面，提供了一种永磁同步电机的控制装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包括下列步骤：

(a)预设电机初始电流I_d_ref＝0和初始转速n_ref，速度传感器检测电机获得其实时转速n和实时电角度θ₁，将该实时转速n与初始转速n_ref的差值ε_n经过第一PI控制器后转化为q轴参考电流

(b)电流传感器检测电机的实时三相电流，该实时三相电流和实际电角度θ₂通过三相/二相转换单元转化为q轴的实时电流I_q和d轴的实时电流I_d；

(c)所述初始电流I_d_ref与所述d轴的实时电流I_d的差值经过第二PI控制器后转化为d轴参考电压U_d，所述q轴参考电流与所述q轴的实时电流I_q的差值输入第三PI控制器后转化为获得q轴参考电压U_q；

(d)所述d轴参考电压U_d、q轴参考电压U_q和实际电角度θ₂输入所述二相/三相转换单元转化为电机三相控制电压，该三相控制电压作为电机的输入电压控制电机运转；

其中，所述实际电角度θ₂的获取是通过将所述d轴的实时电流I_d、q轴实时电流I_q和实时转速n输入所述电角度偏移单元，经过该电角度偏移单元运算后获得电角度的偏移Δθ，该电角度的偏移与所述实时电角度θ₁之和为实际电角度θ₂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过设置电角度偏移单元，使得在计算电机电磁转矩的过程中包含I_d的项不为0，对于表贴式永磁同步电机而言，当q轴和d轴电感不等时可以提高电磁转矩，当q轴和d轴电感相等时可以修正计算延迟带来的控制误差，对于内嵌式永磁同步电机而言，控制电机的过程中不需要进行复杂的计算，不依赖电机物理参数且不受电机物理参数变化影响；

2、本发明通过采用电角度偏移单元，实现对电角度偏移的控制，使得I_d不等于0，使得在相同的电流控制的情况下，电机的转矩提高，该电机的效率提高；

3、本发明采用的电角度偏移单元的偏移模型，结构简单，方便，节省时间，计算效率高，适用范围广，易于实际运用。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的永磁同步电机装置示意图；

图2是现有技术中电角度不发生偏移时q轴和d轴的电流示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的永磁同步电机电角度偏移后引起的q轴和d轴电流变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的永磁同步电机装置示意图，如图1所示，本发明的一种永磁同步电机控制装置，该装置包括三相/二相转换单元、二相/三相转换单元、电机和电角度偏移单元；

电机通过速度传感器与角度偏移单元相连，角度偏移单元同时与三相/二相转换单元和二相/三相转换单元相连；

三相/二相转换单元用于将电机的实时三相电流转化为二相电流，该二相电流包括q轴和d轴方向的实时电流；

二相/三相转换单元用于将电机的二相参考电压转化为三相控制电压，该三相控制电压作为电机的输入电压；

电角度偏移单元用于将q轴和d轴方向的实时电流，以及通过速度传感器测量的电机实时转速通过偏移模型计算为电角度的偏移，偏移模型是通过采集电机的q轴和d轴方向的实时电流、转速，通过改变电角度偏移Δθ的值来改变电机的效率，当电机的效率值最大时对应的电角度偏移，即为当前转速和电流下对应的所需的电角度偏移，然后构建q轴和d轴方向的实时电流、转速和电角度偏移一一对应的关系，该关系同时使得电机的效率取最大值。

三相/二相转换单元包括依次连接电流传感器模块、CLARK变换模块和PARK变换模块。

二相/三相转换单元包括PARK逆变换模块、SVPWM模块和IGBT逆变器模块。

对采集电流进行的CLARK变换和PARK变换分别为：

电流偏差ε_Id＝I_d_ref-I_d，

对电压进行的PARK逆变换为：

速度传感器为正交光电编码器或旋转变压器。

电流传感器为霍尔传感器。

一种永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：

步骤1，预设电机初始电流I_d_ref＝0和初始转速n_ref，速度传感器检测电机实时转速获得其实时转速n和实时电角度θ₁，将该实时转速n与初始转速n_ref的差值ε_n经过第一PI控制器转化后获得q轴参考电流其中，转速偏差ε_n＝n_ref-n，电机转子的电角度θ₁等于电机的极对数乘以电机的转子机械角度；

步骤2，电流传感器检测电机的实时三相电流，该实时三相电流和实际电角度θ₂通过三相/二相转换单元转化为q轴的实时电流I_q和d轴的实时电流I_d；

步骤3，初始电流I_d_ref与d轴的实时电流I_d的差值经过第二PI控制器后转化为d轴参考电压U_d,另外，q轴参考电流与q轴的实时电流I_q的差值输入第三PI控制器后转化为获得q轴参考电压U_q；

步骤4，将d轴参考电压U_d、q轴参考电压U_q和实际电角度θ₂输入二相/三相转换单元转化为电机三相控制电压，该三相控制电压作为电机的输入电压控制电机运转。

实际电角度θ₂的获取方式为：将该d轴的参考电流I_d、q轴参考电流I_q和实时转速n经过电角度偏移单元运算后获得电角度偏移Δθ，该电角度偏移值与实时电角度θ₁之和即为实际电角度θ₂，电角度的偏移初始值预设为0；

对于永磁同步电机而言，在d、q轴旋转坐标系下，该永磁同步电机的转矩可以表示为：

T_e＝1.5P[ψ_fI_q+(L_d-L_q)I_dI_q]

式中P为极对数，ψ_f为永磁体磁链，i_d、i_q分别为d、q轴实时电流，L_d、L_q分别为d、q轴等效电感。从上式可以看出，在电机参数已知的基础下，控制I_d、I_q就可以控制电机转矩。而I_d、I_q又是由定子电流的空间矢量I_s的幅值和相位决定的，即

式中I_s为电流矢量幅值，α为电流矢量角，I_d＝0控制是保证d轴电流为0，电流矢量随负载的变化在q轴上移动。

图2是现有技术中电角度不发生偏移时q轴和d轴的电流示意图，如图2所示，现有技术中，I_d＝0，从而保持电流I_s沿电机的q轴方向，对于表贴式永磁同步电机而言，L_d＝L_q，电磁转矩方程可变为：T_e＝1.5Pψ_fI_q，对于内嵌式的永磁同步电机而言，L_d＜L_q，电流矢量I_d＝0控制虽然简单，但没有充分利用其凸极性产生的磁阻转矩，不是最优控制方案；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的永磁同步电机电角度偏移后引起的q轴和d轴电流变化示意图，如图3所示，本发明中，电机的坐标轴为q和d轴，实时电角度θ₁加上电角度偏移Δθ量之后，I_d≠0，电机的q和d轴电流均发生变化，从而电机的转矩发生变化，进而电机的效率发生变化。

其中，电机的效率与转矩的关系如下：

其中，ω是电机的角速度，U是电机的供电电源电压，I是电机的供电电源电流。

由以上关系获得q轴和d轴方向的实时电流、速度传感器测量的电机实时转速、电角度的偏移和电机效率η的关系：

偏移单元是在保持转速和电流不变的情况下，通过改变电角度偏移Δθ来改变电机的q和d轴电流，q和d轴电流的变化引起电机转矩变化，接着电机效率发生变化，当电机的效率值最大时对应的电角度偏移Δθ，即为当前转速和电流下对应的所需的电角度偏移，

由此获得多个转速和电流下对应的电角度偏移，并获得下表中的实验数据：

在控制时通过电机的电流和转速进行查表获得其对应得电角度偏移，当没有与电机的电流和转速对应得值时进行插值计算出电角度偏移。以上表格是按照本发明的实施例所构建，不同的电机类型，实验数据不一样。因此，当使用不同类型的电机时需重新进行测量电角度偏移。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机的控制装置，该控制装置包括三相/二相转换单元、二相/三相转换单元、电机和电角度偏移单元，其特征在于：

电机通过速度传感器与所述电角度偏移单元相连，所述电角度偏移单元同时与所述三相/二相转换单元和二相/三相转换单元相连；

所述三相/二相转换单元用于将所述电机的实时三相电流转化为二相电流，该二相电流包括q轴和d轴方向的实时电流；

所述二相/三相转换单元用于将电机的二相参考电压转化为三相控制电压，该三相控制电压作为电机的输入电压；

所述电角度偏移单元利用q轴和d轴方向的实时电流、速度传感器测量的电机实时转速、以及电角度的偏移与电机效率的关系，计算电角度的偏移，其中，当电机的效率值取最大值时对应的电角度的偏移Δθ，即为待计算的电角度偏移；

其中，所述q轴和d轴方向的实时电流、速度传感器测量的电机实时转速、以及电角度的偏移Δθ与电机效率η的关系优选按照下列表达式进行，

其中，P是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链，I_d是d轴的实时电流，I_q是q轴的实时电流，L_d是d轴的等效电感、L_q是q轴的等效电感，n是电机实时转速，U是电机的供电电源电压，I是电机的供电电源电流，I_s为电流矢量幅值。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制装置，其特征在于，所述三相/二相转换单元包括依次连接的电流传感器模块、CLARK变换模块和PARK变换模块。

3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制装置，其特征在于，所述二相/三相转换单元包括PARK逆变换模块、SVPWM模块和IGBT逆变器模块。

4.一种权利要求1-3任一项所述的一种永磁同步电机的控制装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包括下列步骤：

(a)预设电机初始电流I_d_ref＝0和初始转速n_ref，速度传感器检测电机获得其实时转速n和实时电角度θ₁，将该实时转速n与初始转速n_ref的差值ε_n经过第一PI控制器后转化为q轴参考电流

(b)电流传感器检测电机的实时三相电流，该实时三相电流和实际电角度θ₂通过三相/二相转换单元转化为q轴的实时电流I_q和d轴的实时电流I_d；

(c)所述初始电流I_d_ref与所述d轴的实时电流I_d的差值经过第二PI控制器后转化为d轴参考电压U_d，所述q轴参考电流与所述q轴的实时电流I_q的差值输入第三PI控制器后转化为获得q轴参考电压U_q；

(d)所述d轴参考电压U_d、q轴参考电压U_q和实际电角度θ₂输入所述二相/三相转换单元转化为电机三相控制电压，该三相控制电压作为电机的输入电压控制电机运转；

其中，所述实际电角度θ₂的获取是通过将所述d轴的实时电流I_d、q轴实时电流I_q和实时转速n输入所述电角度偏移单元，经过该电角度偏移单元运算后获得电角度的偏移Δθ，该电角度的偏移与所述实时电角度θ₁之和为实际电角度θ₂。