CN109560741A - 一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统。本发明采用一种永磁同步电机电流测量误差补偿控制器，在两相静止αβ坐标系下，通过从实测电流中减去低通滤波的电流指令得到纯电流测量误差分量，有效避免电机电流测量误差引起电机的转速和转矩发生脉动。同时，通过简单的减法，方便地消除电流指令在校正电流偏移误差时的干扰，大大提高电流测量误差补偿器的动态控制能力；该永磁同步电机系统对电气参数的变化不敏感，能够抑制外环控制器的干扰，具有很好的动态稳定性能，结构简单，易于实现。

Description

一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统及补偿方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，涉及一种表贴式永磁同步电机的电流误差补偿器，具体地说，涉及一种基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统及表贴式永磁同步电机的电流误差补偿方法。

背景技术

近年来，永磁同步电机以其结构简单、功率密度高、转矩电流比高、易于维护等优点，逐渐成为交流伺服电机的主流。永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数时变的复杂系统，在运行过程中往往还受到强烈的外部干扰，因此实现永磁同步电机的高精度伺服控制是非常困难的。目前，永磁同步电机普遍采用磁场定向矢量控制算法，由电流环、速度环和位置环组成的级联结构，具有物理意义明确、结构简单、易于工程设计等特点。

随着永磁同步电机伺服系统应用的日益广泛，对系统性能的要求也越来越高。电机瞬时转矩的控制是提高永磁交流伺服系统性能的关键，而对电机输出转矩的控制最终又归结为对d、q轴电流的控制。对于表贴式永磁同步电机(SPMSM)，一般采用id＝0控制策略。所以，定子电流的测量精度直接影响电机驱动器的控制性能。定子电流在送入控制器之前，需要经过电流采样和调理环节，在这一过程中会不可避免地引入误差，而电流的测量误差会引起电机转速和转矩发生脉动。因此，研究定子电流测量误差及其补偿策略，对提高永磁同步电机控制系统的控制性能具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统及补偿方法。

为实现上述目的，本发明所采用了下述的技术方案：一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统，包括：表贴式永磁同步电机、三相电压型逆变器、矢量控制算法单元、电流误差补偿器、位置传感器及电流传感器；

所述矢量控制算法单元包括Clarke变换模块、Park变换模块、电流调节器、Park逆变换模块一及SVPWM调制模块；所述表贴式永磁同步电机的三相定子绕组接于所述三相电压型逆变器的交流输出端；所述电流传感器与所述表贴式永磁同步电机的定子绕组连接，所述电流传感器与Clarke变换模块连接，所述Clarke变换模块、Park变换模块、电流调节器、Park逆变换模块一及SVPWM调制模块依次连接，所述SVPWM调制模块与所述三相电压型逆变器的控制端连接；

所述电流误差补偿器包括低通滤波模块、Park逆变换模块二、低通滤波器LPF及积分器；所述矢量控制算法单元与低通滤波模块连接，所述低通滤波模块、Park逆变换模块二、低通滤波器LPF及积分器依次连接。

优选的，所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统中，所述位置传感器安装在所述表贴式永磁同步电机的转子上，用于检测电机转子的位置θ_e，位置信号θ_e分别输入所述矢量控制算法单元中的Park变换模块、Park逆变换模块一和所述电流误差补偿器中的Park逆变换模块二。

优选的，所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统中，所述电流传感器接于所述表贴式永磁同步电机的a、c两相定子绕组，用于测量a、c两相定子绕组的相电流；根据三相平衡由a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm，三相定子绕组相电流的测量值输入所述矢量控制算法单元中的Clarke变换模块；

所述矢量控制算法单元从Clarke变换模块的输出i_αm、i_βm中减去电流误差补偿器输出的定子电流测量误差估计值差值输入Park变换模块；将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与所述Park变换模块输出的定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器；将所述电流调节器的输出u_d、u_q输入所述Park逆变换模块一，所述Park逆变换模块一的输出送入所述SVPWM调制模块。

优选的，所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统中，所述SVPWM调制模块的输出分别接至所述三相电压型逆变器的控制端；同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值输入所述电流误差补偿器中的低通滤波模块，所述的Park变换模块输出的定子电流测量值i_dm、i_qm减去所述的低通滤波模块的输出得到d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm；将测量误差△i_dm、△i_qm输入所述Park逆变换模块二，所述的Park逆变换模块二的输出△i_αm、△i_βm输入所述的低通滤波器LPF；

所述低通滤波器LPF的输出送入所述积分器，所述的积分器输出的定子电流测量误差估计值输入所述矢量控制算法单元。

一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统的补偿方法，包含以下步骤：

步骤一：在表贴式永磁同步电机运行时，利用电流传感器采样a、b两相定子绕组相电流i_am、i_bm，利用位置传感器检测电机转子位置θ_e；

步骤二：根据三相平衡，由a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm计算得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm如式(1)：

i_bm＝-(i_am+i_cm) (1)；

步骤三：将三相定子绕组相电流的测量值i_am、i_bm、i_cm输入矢量控制算法单元中的Clarke变换模块，经过Clarke变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm；然后将电流i_αm、i_βm输入Park变换模块，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm；

步骤四：按照式(2)从同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm中减去经过低通滤波的d、q轴定子电流指令值分别提取出d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm；

其中ω_c为电流调节器3-3的截止频率；

步骤五：将步骤四中得到的d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm输入Park逆变换模块二，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm；

步骤六：将步骤五中得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm输入到低通滤波器LPF中，滤除其中的故障、谐波等干扰信号；低通滤波器LPF的输出送入积分器中，经过积分得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值

步骤七：从步骤三得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm中，减去步骤六得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值将相减的结果输入矢量控制算法单元中的Park变换模块，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm；定子电流测量值i_dm、i_qm中将不再包含测量误差；

步骤八：将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与步骤七得到定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器中，经计算得到同步旋转dq坐标系下的电压u_d、u_q；将u_d、u_q输入Park逆变换模块一，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的电压u_α、u_β；将电压u_d、u_q输入SVPWM调制模块，SVPWM调制模块输出6路触发脉冲，控制三相电压型逆变器的开关管的通、断。

相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本发明的基于电流测量误差补偿的表贴式永磁同步电机系统，在两相静止αβ坐标系下，通过从实测电流中减去低通滤波的电流指令得到纯电流偏移误差分量，能够有效避免电机由于电流测量误差引起电机的转速和转矩发生脉动；

本发明的电流误差补偿器通过简单的减法，可以方便地消除电流指令中的纹波在校正电流测量误差时的影响，有效抑制外环控制器的干扰，因此本发明所述的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统能具有很好的动态控制性能；

本发明的电流误差补偿器不需要任何机械参数，对系统的电气参数变化较不敏感，因此本发明所述的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统能具有很好的稳定性；本发明所述的电流误差补偿器结构简单，易于实现，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1为本发明的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统的结构框图；

图2为本发明的表贴式永磁同步电机系统在电流测量误差补偿器启动前后的仿真波形图；

图3为本发明的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统在电机定子电流指令值发生突变时的仿真波形图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本说明书所使用的术语“依次”、“接入”、以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

如图1所示，本发明所述的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统的结构框图，包括：表贴式永磁同步电机1，三相电压型逆变器2，矢量控制算法单元3，电流误差补偿器4，位置传感,器5，电流传感器6。矢量控制算法单元3包括：Clarke变换模块3-1，Park变换模块3-2，电流调节器3-3，Park逆变换模块3-4，SVPWM调制模块3-5。电流误差补偿器4包括：低通滤波模块4-1，Park逆变换模块4-2，低通滤波器LPF4-3，积分器4-4。

如图1所示，本发明所述的表贴式永磁同步电机1的三相定子绕组接于三相电压型逆变器2的交流输出端。位置传感,器5安装在表贴式永磁同步电机1的转子上，用于检测电机转子的位置θ_e，位置信号θ_e分别输入矢量控制算法单元3中的Park变换模块3-2、Park逆变换模块3-4和电流误差补偿器4中的Park逆变换模块4-2。电流传感器6接于表贴式永磁同步电机1的a、c两相定子绕组，用于测量a、c两相定子绕组的相电流；根据三相平衡由a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm，三相定子绕组相电流的测量值输入矢量控制算法单元3中的Clarke变换模块3-1。矢量控制算法单元3中，从Clarke变换模块3-1的输出i_αm、i_βm中减去电流误差补偿器4输出的定子电流测量误差估计值差值输入Park变换模块3-2。将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与Park变换模块3-2输出的定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器3-3。将电流调节器3-3的输出u_d、u_q输入Park逆变换模块3-4，Park逆变换模块3-4的输出输入SVPWM调制模块3-5。SVPWM调制模块3-5的输出分别接至三相电压型逆变器2的控制端。同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值输入电流误差补偿器4中的低通滤波模块4-1，Park变换模块3-2输出的定子电流测量值i_dm、i_qm减去较低通滤波模块4-1的输出得到d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm。将测量误差△i_dm、△i_qm输入Park逆变换模块4-2，Park逆变换模块4-2的输出△i_αm、△i_βm输入低通滤波器LPF4-3。低通滤波器LPF4-3的输出输入积分器4-4，积分器4-4输出的定子电流测量误差估计值输入矢量控制算法单元3。

本发明所述的一种基于电流测量误差补偿的表贴式永磁同步电机系统的补偿方法，包含以下步骤：

步骤一：在表贴式永磁同步电机1运行时，利用电流传感器6采样a、c两相定子绕组相电流i_am、i_cm，利用位置传感器5检测电机转子位置θ_e。

步骤二：由步骤一得到的a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm，根据三相平衡原理计算得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm如式(1)：

i_bm＝-(i_am+i_cm) (1)

步骤三：将步骤二得到的三相定子绕组相电流的测量值i_am、i_bm、i_cm输入矢量控制算法单元3中的Clarke变换模块3-1，经过Clarke变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm；然后将电流i_αm、i_βm输入Park变换模块3-2，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm。

步骤四：从步骤三得到的同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm中减去经过低通滤波的d、q轴定子电流指令值分别提取出d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm如式(2)：

其中ω_c为电流调节器3-3的截止频率。通过从实测电流中减去低通滤波的电流指令，方便地消除电流指令中的纹波在校正电流偏移误差时的影响，能够抑制外环控制器的干扰，提高电流测量误差补偿器的动态控制能力。

步骤五：将步骤四中得到的d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm输入Park逆变换模块4-2，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm。

步骤六：将步骤五中得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm输入到低通滤波器LPF4-3中，滤除其中的故障、谐波等干扰信号；低通滤波器LPF4-3的输出送入积分器4-4中，经过积分得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值

步骤七：从步骤三得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm中，减去步骤六得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值将相减的结果输入矢量控制算法单元3中的Park变换模块3-2，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm。通过从实测电流中减去低通滤波的电流指令，得到的定子电流测量值i_dm、i_qm中将不再含有测量误差，能够有效避免电流测量误差引起电机的转速和转矩发生脉动。

步骤八：将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与步骤七得到定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器3-3中，经计算得到同步旋转dq坐标系下的电压u_d、u_q；将u_d、u_q输入Park逆变换模块3-4，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的电压u_α、u_β；将电压u_d、u_q输入SVPWM调制模块3-5，SVPWM调制模块3-5输出6路触发脉冲，控制三相电压型逆变器2的开关管的通、断。

如图2所示，采用MATLAB软件对本发明所述的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统进行仿真，得到系统各环节的波形图。仿真模型中的参数设置为：永磁同步电机的额定功率为450W，额定电流为25A，额定转速为2200r/min，定子电阻为0.073Ω，定子电感为0.00037H，永磁体磁通量为0.01406Wb，极对数为12，三相电压型逆变器2的直流侧电压为48V，电流调节器3-3的截止频率ω_c为2513rad/s，SVPWM调制模块3-5的频率为20kHz，低通滤波器LPF4-3的截止频率为314rad/s，积分器4-4的比例系数为10，d、q轴定子电流指令值分别为a相和c相分别注入误差信号0.25A，2s时将本发明提出的电流测量误差补偿器投入运行。由图2仿真波形可以看到：在d-q同步旋转坐标系中，定子电流测量误差△i_dm、△i_qm为交流信号；经Park逆变换模块4-2后得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm为直流信号；△i_αm、△i_βm经低通滤波器LPF4-3和积分器4-4后，得到的定子电流测量误差估计值分别为该仿真结果与理论计算值完全一致；本发明提出的电流测量误差补偿器投入运行后，电机转矩脉动明显减小，转矩稳定值为0.6Nm。

如图3所示，采用MATLAB软件对本发明所述的基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统进行仿真，2s前仿真模型中的参数设置与图2相同；2s时将q轴定子电流指令值增加为其余参数不变。由图3仿真波形可以看到：电流指令值发生改变后电流误差补偿器的工作在瞬态的扰动后几乎没有发生被影响，定子电流测量误差估计值仍然为与q轴定子电流指令指改变前完全相同；2s后随着定子电流指令值的增加，电机转矩迅速增加并稳定到0.9Nm，且脉动较小。图3仿真波形表明本发明所述的电流误差补偿器可以有效抑制外环控制器的干扰，基于电流测量误差补偿器的表贴式永磁同步电机系统能具有很好的动态控制性能。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统，其特征在于，包括：表贴式永磁同步电机、三相电压型逆变器、矢量控制算法单元、电流误差补偿器、位置传感器及电流传感器；

所述矢量控制算法单元包括Clarke变换模块、Park变换模块、电流调节器、Park逆变换模块一及SVPWM调制模块；所述表贴式永磁同步电机的三相定子绕组接于所述三相电压型逆变器的交流输出端；所述电流传感器与所述表贴式永磁同步电机的定子绕组连接，所述电流传感器与Clarke变换模块连接，所述Clarke变换模块、Park变换模块、电流调节器、Park逆变换模块一及SVPWM调制模块依次连接，所述SVPWM调制模块与所述三相电压型逆变器的控制端连接；

所述电流误差补偿器包括低通滤波模块、Park逆变换模块二、低通滤波器LPF及积分器；所述矢量控制算法单元与低通滤波模块连接，所述低通滤波模块、Park逆变换模块二、低通滤波器LPF及积分器依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统，其特征在于，所述位置传感器安装在所述表贴式永磁同步电机的转子上，用于检测电机转子的位置θ_e，位置信号θ_e分别输入所述矢量控制算法单元中的Park变换模块、Park逆变换模块一和所述电流误差补偿器中的Park逆变换模块二。

3.根据权利要求2所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统，其特征在于，所述电流传感器接于所述表贴式永磁同步电机的a、c两相定子绕组，用于测量a、c两相定子绕组的相电流；根据三相平衡由a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm，三相定子绕组相电流的测量值输入所述矢量控制算法单元中的Clarke变换模块；

所述矢量控制算法单元从Clarke变换模块的输出i_αm、i_βm中减去电流误差补偿器输出的定子电流测量误差估计值差值输入Park变换模块；将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与所述Park变换模块输出的定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器；将所述电流调节器的输出u_d、u_q输入所述Park逆变换模块一，所述Park逆变换模块一的输出送入所述SVPWM调制模块。

4.根据权利要求3所述的基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统，其特征在于，所述SVPWM调制模块的输出分别接至所述三相电压型逆变器的控制端；同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值输入所述电流误差补偿器中的低通滤波模块，所述的Park变换模块输出的定子电流测量值i_dm、i_qm减去所述的低通滤波模块的输出得到d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm；将测量误差△i_dm、△i_qm输入所述Park逆变换模块二，所述的Park逆变换模块二的输出△i_αm、△i_βm输入所述的低通滤波器LPF；

所述低通滤波器LPF的输出送入所述积分器，所述的积分器输出的定子电流测量误差估计值输入所述矢量控制算法单元。

5.一种基于测量误差补偿器的永磁同步电机系统的补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：在表贴式永磁同步电机运行时，利用电流传感器采样a、b两相定子绕组相电流i_am、i_bm，利用位置传感器检测电机转子位置θ_e；

步骤二：根据三相平衡，由a、c两相定子绕组的相电流测量值i_am、i_cm计算得到b相定子绕组的相电流测量值i_bm如式(1)：

i_bm＝-(i_am+i_cm) (1)；

步骤三：将三相定子绕组相电流的测量值i_am、i_bm、i_cm输入矢量控制算法单元中的Clarke变换模块，经过Clarke变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm；然后将电流i_αm、i_βm输入Park变换模块，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm；

步骤四：按照式(2)从同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm中减去经过低通滤波的d、q轴定子电流指令值分别提取出d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm；

其中ω_c为电流调节器3-3的截止频率；

步骤五：将步骤四中得到的d、q轴定子电流测量误差△i_dm、△i_qm输入Park逆变换模块二，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm；

步骤六：将步骤五中得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差△i_αm、△i_βm输入到低通滤波器LPF中，滤除其中的故障、谐波等干扰信号；低通滤波器LPF的输出送入积分器中，经过积分得到两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值

步骤七：从步骤三得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量值i_αm、i_βm中，减去步骤六得到的两相静止αβ坐标系下的定子电流测量误差估计值将相减的结果输入矢量控制算法单元中的Park变换模块，经过Park变换得到同步旋转dq坐标系下的定子电流测量值i_dm、i_qm；定子电流测量值i_dm、i_qm中将不再包含测量误差；

步骤八：将同步旋转dq坐标系下的定子电流指令值分别与步骤七得到定子电流测量值i_dm、i_qm相比较，将其差值输入电流调节器中，经计算得到同步旋转dq坐标系下的电压u_d、u_q；将u_d、u_q输入Park逆变换模块一，经过Park逆变换得到两相静止αβ坐标系下的电压u_α、u_β；将电压u_d、u_q输入SVPWM调制模块，SVPWM调制模块输出6路触发脉冲，控制三相电压型逆变器的开关管的通、断。