CN110048652A - 基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法 - Google Patents

基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，包括将预设的转速与转子跟踪器所得差值，经过滑模速度控制器调节后输出转矩电流，转矩电流与转矩电流反馈量的比较差值经过PI调节器输出电压uq；而励磁电流反馈量的偏差与励磁电流量的比较差值经过电流PI调节器输出电压ud，转矩电压uq与励磁电压ud经Park逆变换得到两相控制电压；将旋转高频电压信号叠加入两相控制电压后进行SVPWM调制生成PWM调制波。通过PWM调制波控制三相逆变器开关器件通断来获得所需的三相电压，进而控制永磁同步电机。本发明能够使永磁电动机拥有更强的鲁棒性，增强容错性。

Description

基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体地，涉及一种基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)具有功率密度高、能量转换效率高、调速范围广、体积小、重量轻等优点，在工业、民用、军事等领域得到广泛的应用。
矢量控制与直接转矩控制在永磁同步电机调速系统中应用广泛，能够满足大部分控制要求。常规的这两种控制方式都需要安装位置传感器以确定电机转子的位置和速度信息，但这也给传动系统带来一系列的问题，如增大了电机转轴的转动惯量，系统成本提高，可靠性降低，在一些恶劣条件下在还伴有安装困难的缺陷。
传统的滑模控制是变结构控制系统中的控制策略。此种控制策略的本质特点是控制的不连续性，就是一种系统结构随着时间不断变化的开关特性，实际上就是使系统在一定条件下沿规定的轨迹做小幅度、高频率的振荡，随着当今社会对电机工作环境的多样性的要求，控制电机的要求也相应的会有更多的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法。
根据本发明提供的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取检测到的所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过依次进行Clark变换和Park变换生成转矩电流反馈量Iq和励磁电流反馈量Id；
步骤S2：通过转子位置跟踪观测器获取到转子角速度反馈量ω；
步骤S3：将预设定的转速ω*与所述转子角速度反馈量ω的比较差值输入滑模速度控制器调节后输出转矩电流Iq *，将所述转矩电流Iq *与所述转矩电流反馈量Iq的比较差值输入第一PI调节器后输出电压uq；将预设的励磁电流Id *与所述励磁电流反馈量Id的比较差值输入第二PI调节器后输出电压ud；
步骤S4：将所述电压uq、所述电压ud经过Park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ；
步骤S5：将注入的高频旋转载波信号叠加到所述两相控制电压uα和uβ后进行SVPWM调制生成PWM调制波。
步骤S6：通过PWM调制波控制三相全桥逆变器开关器件，输出三相电压UA、UB、UC，进而控制所述永磁同步电机的运行。
优选地，在步骤S2中通过旋转高频注入法来获取所述转子角速度反馈量ω。
优选地，所述滑模速度控制器采用tansigSMC-PI速度控制器。
优选地，所述滑模速度控制器包括滑模控制器和PI控制器。
所述滑模速度控制器为具有随时间不断变化的开关特性的用于控制不连续系统的控制器；
所述PI控制器，用于进行反馈控制。
优选地，在步骤S5中，将高频旋转载波信号叠加到所述两相控制电压uα和uβ，具体为在基波激励上叠加一个三相平衡的高频旋转激励。
优选地，所述tansigSMC-PI速度控制器的控制方法为：
-系统状态，x∈Rn；
u-控制变量，u∈Rm；
s(x,t),s∈Rm；
s＝cx-ω其中c＞0；
其中，x为系统状态输入变量，u为控制变量，c为待设计的参数，ω为永磁同步电机的实际转速，s为滑模面函数，t为时间。
优选地，所述滑模控制器采用指数趋近律控制方法，所述滑模控制器的表达式为：
通过计算得到q轴的参考电流为：
其中ε、q为指数趋近律常数，Pn为极对数，为磁链，J为转动惯量。
优选地，所述滑模控制器的表达式中tansig函数定义为：
优选地，所述高频旋转载波信号表示为：
其中，ωin为高频信号的频率，幅值为Vin，t为时间。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将高频注入法与tansigSMC-PI速度控制器相结合，通过tansigSMC-PI速度控制器调节PI参数，使永磁电动机拥有更强的鲁棒性，增强容错性；本发明通过高频旋转载波信号叠加到基波信号电压uα和uβ上，共同作用在永磁同步电机的三相绕组上，使永磁同步电机产生可检测的磁凸极，通过检测对应的高频电流响应可获取转子位置和速度信息，具有不依赖永磁同步电机反电势、对永磁同步电机参数不敏感、鲁棒性强的特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法的流程示意图；
图2为本发明中的tansigSMC-PI速度控制器流程示意图；
图3(a)为本发明中通过传统滑模控制器控制的永磁同步电机实际转速波形图波形图；
图3(b)为本发明中通过tansigSMC-PI速度控制器控制的永磁同步电机实际转速的波形图；
图4(a)为本发明中通过传统滑模控制器控制的永磁同步电机的抖振波形图波形图；
图4(b)为本发明中通过tansigSMC-PI速度控制器控制的永磁同步电机的抖振波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
现如今，高频注入的控制方法是目前国内外学者研究的热点，为了能够得到转子位置角，需要通过检测转子的电压与电流等物理量进行估算，而本发明中并没有使用速度传感器，减少了传感器的成本和传感器在一些恶劣条件下的误差可能以及安装的繁琐性，将成为以后电机控制的主流发展方向。本发明与传统的估算方法相比，当永磁同步电机运行在零速或者低速时，有用信号的信噪比较高，方便提取，本发明通过高频旋转载波信号叠加到基波信号电压uα和uβ进上，共同作用在永磁同步电机的三相绕组上，使永磁同步电机产生可检测的磁凸极，通过检测对应的高频电流响应可获取转子位置和速度信息，具有不依赖永磁同步电机反电势、对永磁同步电机参数不敏感、鲁棒性强的特点。
图1为本发明中基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取检测到的所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过依次进行Clark变换和Park变换生成转矩电流反馈量Iq和励磁电流反馈量Id；
步骤S2：通过转子位置跟踪观测器获取到转子角速度反馈量ω；
步骤S3：将预设定的转速ω*与所述转子角速度反馈量ω的比较差值输入滑模速度控制器调节后输出转矩电流Iq *，将所述转矩电流Iq *与所述转矩电流反馈量Iq的比较差值输入第一PI调节器后输出电压uq；将预设的励磁电流Id *与所述励磁电流反馈量Id的比较差值输入第二PI调节器后输出电压ud；
步骤S4：将所述电压uq、所述电压ud经过Park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ；
步骤S5：将注入的高频旋转载波信号叠加到两相控制电压uα和uβ进行SVPWM调制生成PWM调制波。
步骤S6：通过PWM调制波控制三相全桥逆变器开关器件，输出三相电压UA、UB、UC，进而控制所述永磁同步电机的运行。
在本实施例中，在步骤S2中通过旋转高频注入法来生成所述转子角速度反馈量ω。所述高频旋转载波信号为频率为1000赫兹。
在本实施例中，所述滑模速度控制器采用tansigSMC-PI速度控制器。所述滑模速度控制器包括滑模控制器和PI控制器。所述滑模速度控制器为具有随时间不断变化的开关特性的用于控制不连续系统的控制器；所述PI控制器，用于进行反馈控制。
图2为本发明中的tansigSMC-PI速度控制器流程示意图；tansigSMC-PI速度控制器的控制方法为：
-系统状态，x∈Rn；
u-控制变量，u∈Rm；
s(x,t),s∈Rm；
s＝cx-ω其中c＞0；
其中，x为系统状态输入变量，u为控制变量，c为待设计的参数，ω为实际转速，s为滑模面函数，t为时间；Rn为n维实数集,即每个元素是n维向量,向量中的每个分量是实数。Rm为m维实数集,即每个元素是m维向量,向量中的每个分量是实数。
在本实施例中，为了保证三相永磁电动机的驱动系统具有良好的动态品质，本发明中滑模控制器采用指数趋近律控制方法，所述滑模控制器的表达式为：
通过计算得到q轴的参考电流为：
其中ε、q为指数趋近律常数，Pn为极对数，为磁链，J为转动惯量；相较于传统的滑模控制器存在的抖振过大的问题。
在此采用tansig函数代替传统的开关函数以改变电机的性能，其中传统的滑模控制器的开关函数定义如下：
本发明所采用的tansig函数不仅使得滑模控制器的鲁棒性增强，而且几乎不会引起系统的相位延迟，其中tansig函数定义如下：
与传统的开关函数相比较，tansig型函数可以利用比开关函数小得多的斜率更平滑的改变开关状态，达到与开关函数相同的效果，但却能够获得更好的电机性能。
本发明中采用的控制中包含积分项，能够削弱抖振现象也能消除系统稳态误差提高系统控制品质；
在旋转高频注入的环节，高频信号可以表示为：
其中，ωin为高频信号的频率，幅值为Vin，根据上式能够得到在旋转坐标系下高频电压激励下的永磁电动机电流响应方程：
变换到静止坐标系下：
其中，Icp为正相序高频电流分量的幅值，即
Icn为负相序高频电流分量的幅值，即t为时间，θe为转子位置，j为复数虚数单位，Ld为d轴定子电感，Lq为d轴定子电感，
图3(a)为本发明中通过传统滑模控制器控制的永磁同步电机实际转速波形图波形图，图3(b)为本发明中通过tansigSMC-PI速度控制器控制的永磁同步电机实际转速的波形图，从图3(a)和图3(b)中可以看出采用的本发明提供的永磁电动机控制方法能够使永磁同步电机的抖振和相位延迟大大减少，大大降低了电机控制的延迟时间，增强系统动静态性能。所述永磁同步电机实际转速给定100r/m的转速。
图4(a)为本发明中通过传统滑模控制器控制的永磁同步电机的抖振波形图波形图，图4(b)为本发明中通过tansigSMC-PI速度控制器控制的永磁同步电机的抖振波形图，从图4(a)和图4(b)中可看出，本发明能够明显的看出加入优化滑模速度控制器的控制方法减小了大约10％的抖振，极好的提升了系统的性能。所述永磁同步电机实际转速给定100r/m的转速。
在本实施例中，本发明针对传统的高频注入的控制方法易出现的杂波型号干扰高频信号导致估算不准确问题，本发明采用优化滑模速度控制器和旋转高频注入的永磁电动机控制方法，将高频注入法与tansigSMC-PI速度控制器相结合，通过tansigSMC-PI速度控制器调节PI参数，使永磁同步电机在一定条件下沿着规定的轨迹做小幅度高频率的振荡，使永磁同步电机更快的达到控制所需要的要求，具有更好的动静态性能；本发明中在滑模控制器中加入tansig环节，不仅能使滑模控制器的鲁棒性更强，而且几乎不会引起系统的延迟，大大降低了永磁同步电机控制的延迟时间，能够实现更快速的响应。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取检测到的所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过依次进行Clark变换和Park变换生成转矩电流反馈量Iq和励磁电流反馈量Id；
步骤S2：通过转子位置跟踪观测器获取到转子角速度反馈量ω；
步骤S3：将预设定的转速ω*与所述转子角速度反馈量ω的比较差值输入滑模速度控制器调节后输出转矩电流Iq *，将所述转矩电流Iq *与所述转矩电流反馈量Iq的比较差值输入第一PI调节器后输出电压uq；将预设的励磁电流Id *与所述励磁电流反馈量Id的比较差值输入第二PI调节器后输出电压ud；
步骤S4：将所述电压uq、所述电压ud经过Park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ；
步骤S5：将注入的高频旋转载波信号叠加到所述两相控制电压uα和uβ后进行SVPWM调制生成PWM调制波。
步骤S6：通过PWM调制波控制三相全桥逆变器开关器件，输出三相电压UA、UB、UC，进而控制所述永磁同步电机的运行。
2.根据权利要求1所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，在步骤S2中通过旋转高频注入法来获取所述转子角速度反馈量ω。
3.根据权利要求1所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述滑模速度控制器采用tansigSMC-PI速度控制器。
4.根据权利要求1所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述滑模速度控制器包括滑模控制器和PI控制器。
所述滑模速度控制器为具有随时间不断变化的开关特性的用于控制不连续系统的控制器；
所述PI控制器，用于进行反馈控制。
5.根据权利要求1所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，在步骤S5中，将高频旋转载波信号叠加到所述两相控制电压uα和uβ，具体为在基波激励上叠加一个三相平衡的高频旋转激励。
6.根据权利要求3所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述tansigSMC-PI速度控制器的控制方法为：
-系统状态，x∈Rn；
u-控制变量，u∈Rm；
s(x,t),s∈Rm；
s＝cx-ω其中c＞0；
其中，x为系统状态输入变量，u为控制变量，c为待设计的参数，ω为永磁同步电机的实际转速，s为滑模面函数，t为时间。
7.根据权利要求6所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述滑模控制器采用指数趋近律控制方法，所述滑模控制器的表达式为：
通过计算得到q轴的参考电流为：
其中ε、q为指数趋近律常数，Pn为极对数，为磁链，J为转动惯量。
8.根据权利要求7所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述滑模控制器的表达式中tansig函数定义为：
9.根据权利要求1所述的基于旋转高频注入的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述高频旋转载波信号表示为：
其中，ωin为高频信号的频率，幅值为Vin，t为时间。
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