CN110061669A - 永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机直接转矩控制方法，包括：获取永磁同步电机的给定转矩；以给定转矩和反馈转矩的信号差作为super‑twisting转矩控制器的输入，以输出q轴电压矢量；以给定定子磁链和反馈定子磁链信号差作为super‑twisting磁链控制器的输入，以输出d轴电压矢量；将q轴电压矢量和d轴电压矢量经过PARK反变换单元变换后，得到α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量；根据α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量生成PWM控制信号，并通过PWM控制信号控制逆变器的开关状态。本发明能够减小转矩脉动，减小逆变器的开关动作次数，增加系统的鲁棒性，使电机运行更加平稳。

Description

永磁同步电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，具体地，涉及永磁同步电机直接转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机因其所具有的高转矩惯量比、高功率因数以及高效率等优秀特性，在机器人、高精度数控机床、电动汽车等高科技领域中得到越来越多的关注和应用。先进的控制方法是获取永磁同步电机优良运行性能的必要条件。

传统的直接转矩控制方法采用两个滞环控制器分别实现对转矩和定子磁链的控制。依据滞环控制器的输出，并结合定子磁链所在的扇区，从开关表中选取所需要的电压矢量来驱动逆变器对电机控制。虽然具有系统响应速度快，对系统参数摄动和外干扰鲁棒性强，但存在较大的磁链和转矩脉动，逆变器开关频率不恒定，低速时系统难以精确控制，以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。

应用空间矢量调制技术代替开关矢量表，可以有效的改善传统直接转矩控制方法中存在的转矩和磁链波动大的缺点，从而提升磁链和转矩的控制精度。此外，在空间矢量调制中，合理的安排开关导通的顺序，可以使逆变器的开关频率恒定，从而减小逆变器的损耗。在基于空间矢量调制的直接转矩控制方法中，常常采用传统的PI控制器对转矩环进行调节。但是PI控制器会受到积分环节饱和作用和系统噪声的影响，且存在对系统参数不确定性以及外部干扰信号适应性差的缺点，从而影响电机的运行性能。

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永磁同步电机直接转矩控制方法。

本发明提供一种永磁同步电机直接转矩控制方法，包括：

步骤A：获取永磁同步电机的给定转矩

步骤B：以给定转矩和反馈转矩T_e的信号差作为super-twisting转矩控制器的输入，由所述super-twisting转矩控制器输出q轴电压矢量以给定定子磁链和反馈定子磁链信号差作为super-twisting磁链控制器的输入，由所述super-twisting磁链控制器输出d轴电压矢量

步骤C：将q轴电压矢量和d轴电压矢量经过PARK反变换单元变换后，得到α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量

步骤D：根据所述α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量生成PWM控制信号，并通过所述PWM控制信号控制逆变器的开关状态；其中，所述逆变器的开关状态与永磁同步电机的转矩相关。

可选地，所述步骤A包括：

通过滑模观测器获取永磁同步电机的转速反馈信号ω_r和反馈转矩T_e；

获取转速给定信号与转速反馈信号ω_r的信号差作为转速环控制器的输入，由所述转速环控制器输出给定转矩

可选地，滑模观测器的数学方程如下：

式中：uα为定子电压在α轴上的分量、u_β为定子电压在β轴上的分量、i_α为定子电流在α轴上的分量、i_β为子电流在β轴上的分量；R_s为定子电阻、L为定子电感；K为滑模切换增益；p是微分算子；为i_α的估计值，为i_β的估计值；为对与i_α的差值进行饱和函数运算，为对与i_β的差值进行饱和函数运算。

滑模观测器输出的反电动势的计算公式如下：

式中：e_α为滑模观测器在α轴上的反电动势、e_β为滑模观测器在β轴上的反电动势，k为滑模切换增益；

通过低通滤波器将反电动势对应的开关信号转换为等效的连续信号，转换公式如下：

式中，为e_α的估计值，为e_β的估计值，ω_c为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

可选地，通过滑模观测器获取反馈转矩T_e，包括：

通过电压传感器对逆变器的直流电压信号进行采样，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压；

通过电流传感器采集永磁同步电机三相定子电流；

通过PARK坐标变换，将三相静止坐标系上的电压转换为两相静止坐标系上的电压分量；将三相定子电流转换为两相静止坐标系上的电流分量；

将两相静止坐标系上的电压分量和两相静止坐标系上的电流分量作为滑模观测器的输入，有所述滑模观测器输出反馈转矩T_e。

可选地，super-twisting转矩控制器的数学方程如下：

其中：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的q轴电压分量，u_sq为定子电压在q轴的分量；s_T为电磁转矩的滑模面函数，其中为转矩给定值，T_e为实际转矩，K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；K_p为不连续滑模变量函数的增益，|·|^0.5表示先取绝对值再取算数平方根运算，sgn(·)表示开关函数运算，K_i为连续导数的函数的增益。

可选地，super-twisting磁链控制器为：

其中：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的d轴电压分量，u_sd为定子电压在d轴的分量；s_ψ为定子磁链的滑模面函数，其中为定子磁链的给定值，K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数，K_p为不连续滑模变量函数的增益，|·|^0.5表示先取绝对值再取算数平方根运算，sgn(·)表示开关函数运算，K_i为连续导数的函数的增益。

根据本发明提供的与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的永磁同步电机直接转矩控制方法，避免了积分饱和的影响，设计super-twisting算法的二阶滑模转矩环控制方法，设计转矩和磁链控制器，能够解决传统直接转矩控制中存在的转矩和磁链脉动较大，逆变器开关频率不恒定的问题。

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为永磁同步电机直接转矩控制方法的原理示意图；

图2为滑模观测器的原理图；

图3为转矩环模块的原理图；

图4为传统直接转矩控制的定子磁链仿真波形图；

图5为传统直接转矩控制的电磁转矩仿真波形图；

图6为本发明直接转矩控制定子磁链仿真波形图；

图7为本发明直接转矩控制电磁转矩仿真波形图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明中的方法应用在包含与永磁同步电机并联的三相逆变器的控制系统中，该控制系统包括：

电压和电流检测模块，用于检测所述三相逆变器电流i_a、i_b、i_c和电压u_a、u_b、u_c，并将其转换成静止坐标系下的电流i_α、i_β和电压u_α、u_β；

滑模观测器，用于检测所述静止坐标系下的电流i_α、i_β和电压u_α、u_β，然后通过计算得出电机的反馈定子磁链(静止坐标系下)、电机转速ω_r，电磁转矩T_e和转子位置θ_e；

PI模块，用于检测电机转速ω_r与转速给定值的差值而输出转矩给定值

super-twisting转矩环，用于输入所述电磁转矩T_e与转矩给定值的差值和所述定子磁链与定子磁链给定值的差值，输出旋转坐标系下的电压

dq/αβ坐标变换模块，用于输入所述电压经过旋转变化得到静止坐标系下的电压

SVPWM模块，用于输入所述电压输出控制所述三相逆变器的开关信号。

具体地，如图2所示的滑模观测器，将静止坐标系下的电流i_α、i_β和电压u_α、u_β作为输入，输出反馈定子磁链和电机转速反馈信号ω_r、反馈转矩T_e和转子位置θ_e。

滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；K为滑模切换增益；p是微分算子。

反电动势为：

式中e_α、e_β为滑模观测器的反电动势，k为滑模切换增益，为i_α、i_β的估计值，i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量。

sat为饱和函数进行饱和函数运算，即：

由于上式含有大量的纹波，因此需要低通滤波器，将开关信号转换为等效的连续信号：

其中，和为滑模观测器估算的反电动势估计值，ω_c为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子，e_α和e_β为滑模观测器的反电动势。

利用锁相环求转速的估计值ω_r和转子位置θ_e：

式中，K_a、K_b、K_c、n为系数，为估计反电动势信号后得到的转子位置，s为拉普拉斯算子；

式中，为估计反电动势信号后得到的转速，ψ_f为永磁体磁链。

如图3所示的转矩环模块，包括super-twisting转矩控制器和定子super-twisting磁链控制器。super-twisting转矩控制器根据给转矩和估计转矩比较输出转矩误差，转矩误差通过super-twisting算法构成的二阶滑模搭建的数学模型可以得到super-twisting磁链控制器根据给磁链和估计磁链比较输出磁链误差，磁链误差通过super-twisting算法构成的二阶滑模搭建的数学模型可以得到和通过坐标变换得到u_α和u_β输入到SVPWM模块。

dq坐标系下PMSM的数学模型为：

式3中；ψ_f为永磁体磁链；ω_e为电角速度；R为定子电阻；L_s为定子电感；ψ_r＝ψ_d+ψ_q为定子磁链空间矢量；i_r＝i_d+ji_q，为定子电流空间矢量；u_r＝u_d+ju_q，为定子电压空间矢量。

电磁转矩方程为：

式(4)中p_n为电机的极对数；

当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链的幅值表达式为：

ψ_r＝∫(u_d-Ri_d)dt (11)

super-twisting磁链控制器为：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的d轴电压分量，u_sd为定子电压在d轴的分量；s_ψ-定子磁链的滑模面函数，其中为定子磁链的给定值；且增益K_p和K_i满足式(14)的稳定条件，

K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；

同理super-twisting转矩控制器为：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的q轴电压分量，u_sq为定子电压在q轴的分量；s_T-电磁转矩的滑模面函数，其中为转矩给定值，T_e为实际转矩，且增益K_p和K_i满足式(14)的稳定条件。

本发明的另一个实施例公开了一种基于super-twisting算法和滑模观测器的永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

测量三相逆变器输出端的电流i_a、i_b、i_c和电压u_a、u_b、u_c；

将所述三相电流和所述三相电压转换成静止坐标系下的电压i_α、i_β和电压u_α、u_β后输入到滑模观测器，估算出定子磁链ψ_f、电机转速ω_r、电磁转矩T_e和转子位置θ_e；

计算所述定子磁链ψ_f和所述电磁转矩T_e与定子磁链给定值和电磁转矩给定值的差值，并将所述差值输入到转矩环控制得到静止坐标系下的电压

将所述电压输入到SVPWM模块，合成最有电压矢量，控制所述逆变器开关状态来控制电机运行。

该方法中的滑模观测器模块和转矩环的设计如前所述，这里不再赘述。

本公开也进行了实验验证，实验条件给定转速600r/min，负载转矩为0启动，在0.2s时突加转矩1.5N·m，仿真时间为0.4s。图4和图5是传统直接转矩控制下的磁链和转矩仿真波形图，图6和图7是本公开的直接转矩控制下的磁链和转矩仿真波形图，从图5和图7中对比可以看出，基于本公开的方法下，可以有效降低转矩脉动和磁链脉动，增强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括：

步骤A：获取永磁同步电机的给定转矩T_e ^*；

步骤B：以给定转矩T_e ^*和反馈转矩T_e的信号差作为super-twisting转矩控制器的输入，由所述super-twisting转矩控制器输出q轴电压矢量以给定定子磁链和反馈定子磁链信号差作为super-twisting磁链控制器的输入，由所述super-twisting磁链控制器输出d轴电压矢量

步骤C：将q轴电压矢量和d轴电压矢量经过PARK反变换单元变换后，得到α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量

步骤D：根据所述α轴上的电压矢量和β轴上的电压矢量生成PWM控制信号，并通过所述PWM控制信号控制逆变器的开关状态；其中，所述逆变器的开关状态与永磁同步电机的转矩相关。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤A包括：

通过滑模观测器获取永磁同步电机的转速反馈信号ω_r和反馈转矩T_e；

获取转速给定信号与转速反馈信号ω_r的信号差作为转速环控制器的输入，由所述转速环控制器输出给定转矩T_e ^*。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，滑模观测器的数学方程如下：

式中：u_α为定子电压在α轴上的分量、u_β为定子电压在β轴上的分量、i_α为定子电流在α轴上的分量、i_β为子电流在β轴上的分量；R_s为定子电阻、L为定子电感；K为滑模切换增益；p是微分算子；为i_α的估计值，为i_β的估计值；为对与i_α的差值进行饱和函数运算，勾对与i_β的差值进行饱和函数运算。

滑模观测器输出的反电动势的计算公式如下：

式中：e_α为滑模观测器在α轴上的反电动势、e_β为滑模观测器在β轴上的反电动势，k为滑模切换增益；

通过低通滤波器将反电动势对应的开关信号转换为等效的连续信号，转换公式如下：

式中，为e_α的估计值，为e_β的估计值，ω_c为低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求2所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，通过滑模观测器获取反馈转矩T_e，包括：

通过电压传感器对逆变器的直流电压信号进行采样，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压；

通过电流传感器采集永磁同步电机三相定子电流；

通过PARK坐标变换，将三相静止坐标系上的电压转换为两相静止坐标系上的电压分量；将三相定子电流转换为两相静止坐标系上的电流分量；

将两相静止坐标系上的电压分量和两相静止坐标系上的电流分量作为滑模观测器的输入，有所述滑模观测器输出反馈转矩T_e。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，super-twisting转矩控制器的数学方程如下：

其中：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的q轴电压分量，u_sq为定子电压在q轴的分量；s_T为电磁转矩的滑模面函数，s_T＝T_e ^*-T_e，其中T_e ^*为转矩给定值，T_e为实际转矩，K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；K_p为不连续滑模变量函数的增益，|·|^0.5表示先取绝对值再取算数平方根运算，sgn(·)表示开关函数运算，K_i为连续导数的函数的增益。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，super-twisting磁链控制器为：

其中：

式中：为super-twisting磁链控制器计算得到的d轴电压分量，u_sd为定子电压在d轴的分量；s_ψ为定子磁链的滑模面函数，其中为定子磁链的给定值，K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数，K_p为不连续滑模变量函数的增益，|·|^0.5表示先取绝对值再取算数平方根运算，sgn(·)表示开关函数运算，K_i为连续导数的函数的增益。