CN110071671B - 一种直接控制三相电流的电机驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接控制三相电流的电机驱动方法，通过检测电机的定子端三相电流实际值作为反馈值，三相电流反馈值与三相电流指令值相比较，将误差项通过所设计的误差函数方程进行处理，再经过所设计的开关函数模块，命令各相功率器件分别执行相应的开关动作，目的是使得三相电流实际值能够跟踪指令值。本发明中三相定子电流实际值能够迅速且无静差地跟踪指令值，并且相较于电机传统矢量控制的驱动方式，显著缩短了响应时间，且单位时间内执行开关操作的次数显著减少，具有延长硬件使用寿命以及减少能源损耗的优势。

Description

一种直接控制三相电流的电机驱动方法

技术领域

本发明涉及三相交流电机矢量控制方法技术领域，具体涉及一种借助所设计的误差函数方程以及三相开关函数模块来直接控制三相电流的电机驱动方法。

背景技术

目前，矢量控制与直接转矩控制是在高性能交流变频调速领域最为常用的两种方法。其中矢量控制技术在也称为磁场定向技术，即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电机电流矢量的大小和方向均通过上述坐标系来表示。其基本特点是以转子磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标，把定子电流分解为独立的励磁分量和转矩分量并分别进行控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为直流电动机，实现电动机转矩和电动机磁通的解耦，进而达到对瞬时转矩的控制。直接转矩控制直接实现了磁链空间矢量和转矩控制，简化了实际控制系统，提高了系统快速响应能力，但却伴有鲁棒性差、磁链和转矩脉动等缺陷。因此，直接转矩控制并不常见于高性能伺服控制系统中。高性能的伺服系统要求具有高速、高精度、高稳定性等特点，目前，矢量控制是使用最广泛的伺服控制策略。

最常见的交流伺服电机电流控制采用两个的PI控制器独立地控制d轴和q轴电流，对控制器的输出电压进行一系列的解耦与换算，通过空间电压矢量脉宽调制模块输出6路功率器件的开关信号，最后执行相应的开关操作，实现电机实际电流对指令电流的跟随。这种方法坐标变换复杂、计算量大，影响电机的响应时间。此外，每个采样周期内，空间电压矢量脉宽调制模块输出的开关执行次数为确定值，设定的采样周期越短即开关频率越高，电流的跟随误差就越小，但过高的开关频率会影响硬件的寿命且增加电机的能耗。

发明内容

本发明的主要目的是，克服现有的技术缺陷，提供一种稳定安全且结构简单、计算量小、鲁棒性强、能耗更低的三相交流电机驱动方法，通过该方法能够大大加快电机电流的响应速度，并使得电机能够根据实际电流与指令电流的偏差值大小灵活地执行响应的开关动作，相较于电机传统矢量控制的驱动方法，新方法能明显地减少单位时间内开关的操作次数、延长硬件的使用寿命、减少能源损耗。

本发明提供的技术方案是：

一种直接控制三相电流的电机驱动方法，包括如下步骤：

步骤1，对电机三相定子电流进行采样获取实际三相定子电流i_abc；对电机编码器进行采样，获取电机转子角度；

步骤2，根据电机的外环速度控制器及电机特性得到电机d轴和q轴的指令电流值i_d ^*与i_q ^*；

步骤3、利用步骤1得到的电机转子角度对电机q轴的指令电流值i_q ^*以及d轴指令电流值i_d ^*进行坐标变换

得到电机定子三相电流指令值i_abc ^*；

步骤4，将步骤1中采样得到的实际三相定子电流i_abc与步骤3得到的电机定子三相电流指令值i_abc ^*相比较，得到偏差项如下：

e_iabc＝Δi_abc＝i_abc ^*-i_abc；

步骤5，设置三相电流误差函数方程如下：

式中，λ是一个需要调试的控制参数，t表示时间；

步骤6、采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

其中，所述三相开关函数Ψ_abc如下：

式中，由±1与0所构成的向量表征着全桥三相中各相的开关状态，+1表示对应相上桥导通下桥断开，-1表示对应相下桥导通上桥断开，0表示对应相上下桥均断开，U_dc为直流母线电压；

采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令时，根据三相电流误差函数方程的输出

判断三相开关函数Ψ_abc输出的开关状态控制指令；

步骤7、将三相开关函数Ψ_abc生成的控制指令输出到电机各相功率器件，电机各相功率器件根据三相开关函数Ψ_abc生成的控制指令执行开关动作，驱动电机。

三相电流中的任意一h相电流对应的开关函数为：

其中，+1表示h相功率器件上桥导通下桥断开，-1表示h相功率器件下桥导通上桥断开，0表示h相功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压，x为三相开关函数Ψ_abc中引入的一个正常数，电流h为三相电流中的a相电流、b相电流或c相电流。

正常数x的取值与设定电机转速有关，正常数x通过实验的方法进行标定，实验标定时，在满足电机工况的情况下，x取最大值。

步骤2中，当所控制的电机为表贴式永磁同步电机时，令i_d ^*＝0。

所述电机各相功率器件包括IGBT或MOSEFT。

所述电机为三相交流电机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的直接控制三相电流的电机驱动方法引入了三相电流误差方程函数，能够消除各相电流的跟随误差以及抑制误差在时间上的累计，同时三相电流中的任意一相电流对应的开关函数中引入正常数x，能够根据实际电流与指令电流的偏差值大小执行响应的开关动作，不仅能够有效的避免电流抖振和电流噪音影响，还能一定程度上的降低开关频率。在不同设定转速的情况，均存在着最优选的正常数x，其能够在保证电机良好的响应特性的前提下，降低开关操作次数。由上述可以看出，本发明克服了现有传统的电机矢量控制计算量大、开关操作次数固定不灵活的技术缺陷，本发明的电机驱动方法具有计算量较小、开关操作次数灵活、能耗更低的特点，通过本发明的驱动方法能够大大加快电机的响应速度，并使得电机具有更强的鲁棒性，电流控制比较灵活而且降低了单位时间内开关的操作次数、延长硬件开关的使用寿命、减少能源损耗。

附图说明

图1为本发明直接控制三相电流的电机驱动方法控制原理框图。

图2为仿真环境下本发明中电机d-q轴电流的阶跃响应图。

图3为仿真环境下传统矢量控制中电机d-q轴电流阶跃响应图。

图中1-电机速度位置检测模块、2-坐标变换模块，3-三相电流误差函数方程模块，4-三相开关函数模块，5-IPM模块，6-三相交流永磁同步电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施列对本发明不构成限定。

参照图1，本发明提供一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其过程为：设定或根据外环速度控制器得到d-q轴电流的指令值，d轴和q轴的电流指令值再经过坐标变换模块2得到三相定子电流的指令值；将经过坐标变换模块2得到三相定子电流的指令值与采样反馈回来的三相电流实际值相比较，通过三相电流误差函数方程模块3得到三相电流的误差项，再经过三相开关函数模块4得到对于三相开关的操作信号，最后通过智能功率IPM模块5输出三相交流电控制三相交流永磁同步电机6，使得三相交流永磁同步电机6实际三相定子电流值跟踪指令值，从而驱动电机。

具体地，本发明的直接控制三相电流的电机驱动方法，包括如下步骤：

步骤1，对电机三相定子电流进行采样获得实际三相定子电流i_abc；对电机编码器进行采样，获取电机转子角度；

步骤2，根据电机的外环速度控制器及电机特性得到电机d轴和q轴的指令电流值i_d ^*与i_q ^*，当所控制的电机为表贴式永磁同步电机时可令i_d ^*＝0；

步骤3、利用步骤1得到的电机转子角度对电机q轴的指令电流值i_q ^*以及d轴指令电流值i_d ^*进行坐标变换

得到电机定子三相电流指令值i_abc ^*，其中，

步骤4，将步骤1中采样得到的实际三相定子电流i_abc与步骤4得到的电机定子三相电流指令值i_abc ^*相比较，得到偏差项如下：

步骤5，为了消除静态误差，设置带有积分的三相电流误差函数方程，三相电流误差函数方程如下：

式中，λ是一个需要调试的控制参数，t表示时间；

步骤6、采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

其中，所述三相开关函数Ψ_abc如下：

式中，由±1与0所构成的向量表征着全桥三相中各相功率器件的开关状态，+1表示对应相功率器件上桥导通下桥断开，-1表示对应相功率器件下桥导通上桥断开，0表示对应相功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压；

以三相电流中的任意一相电流为例：在三相开关函数Ψ_abc中引入一个正常数x，三相电流中的任意一h相电流对应的开关函数为：

其中，+1表示h相功率器件上桥导通下桥断开，-1表示功率器件下桥导通上桥断开，0表示功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压，电流h为三相电流中的a相电流、b相电流或c相电流；正常数x的取值与设定电机转速有关，正常数x通过实验的方法进行标定，实验标定时，在满足电机工况的情况下，x取最大值；

采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令时，根据三相电流误差函数方程的输出

判断三相开关函数Ψ_abc输出开关状态；

步骤7、将采用三相开关函数Ψ_abc生成的控制指令输出到电机各相功率器件，电机各相功率器件根据三相开关函数Ψ_abc生成的控制指令执行开关动作，驱动电机。至此，使得能够根据实际电机定子三相采样值与指令值的偏差来控制电机各相功率器件的开关状态，从而使得电机定子三相电流实际值i_abc跟踪指令值i_abc ^*，从而驱动电机。

实施例

下面基于simulink仿真平台对本发明实施例进行说明。

如图1所示：PMSM表示表贴式三相交流永磁同步电机，本实施例的直接控制三相电流的电机驱动方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电机的铭牌对电机参数进行初始化，完成电机驱动控制中的电机参数的设置；

步骤2、对电机三相定子电流i_abc进行采样获取实际三相定子电流i_abc，通过电机速度位置检测模块1(本实施例中采用编码器)检测电机转子角度位置，转子角度位置乘以电机极对数得到转子电角度θ；

步骤3、设定电机q轴的指令电流值i_q ^*，本实施例中采用表贴式三相交流同步电机的模型仿真，令电流i_d ^*＝0，以此分别得到电机d轴和q轴的指令电流值i_d ^*与i_q ^*；

步骤4、经过坐标变换模块2，对电机q轴的指令电流值i_q ^*以及d轴指令电流值i_d ^*进行坐标变换

得到电机定子三相电流指令值i_abc ^*，具体表示为：

其中，电机定子三相电流指令值i_abc ^*表示为：

坐标变换

表示如下，其中θ为步骤1所检测得到的电机转子电角度：

电机d-q轴的电流指令值i_dq ^*表示为：

步骤5、将步骤2采样得到的实际三相定子电流i_abc与步骤4得到的三相电流的指令值i_abc ^*相比较，得到偏差项

偏差项

为：

步骤6、为了消除静态误差，设置三相电流误差函数方程为误差与误差在时间上的累计之和，设置的三相电流误差函数方程如下：

式中λ为一个需要调试的控制参数，其为定值，t表示时间；

步骤7、将变量

通过设计的三相开关函数Ψ_abc控制IPM模块5各相功率器件(如IGBT或MOSEFT)的开关状态，三相开关函数Ψ_abc如下：

式中由±1和0所构成的向量表征着全桥三相中各相的开关状态，+1表示该相功率器件上桥导通下桥断开、-1表示该相功率器件下桥导通上桥断开、0表示该相功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压；

以a相为例，开关函数可表示为：

其中，+1表示a相功率器件上桥导通下桥断开、-1表示a相功率器件下桥导通上桥断开、0表示a相功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压。其中当正常数x_n的取值为设定电机转速n下优选的取值，该取值可通过实验的方法进行标定，在x_n取值下，保证电机能够在最低的开关频率下取得理想中的响应特性。

步骤8、将三相开关函数Ψ_abc输出到IPM模块5，根据实施例中的步骤7每相输出的+1、-1或者0的值来相对应IPM控制智能功率模块5中功率器件的开关状态，从而使得电机定子三相电流实际值i_abc跟踪指令值i_abc ^*。

步骤9、IPM模块5输出的三相交流电控制三相交流永磁同步电机6，最终驱动电机。

由图2与图3对比可以看出，本发明中电流实际值能够迅速且无静差地跟踪指令值，并且相较于电机传统矢量控制的驱动方式，显著缩短了响应时间，并通过对单位时间内功率器件的开关执行情况进行计数，可以发现单位时间内执行开关操作的次数显著减少，具有延长硬件使用寿命以及减少能源损耗的优势。

Claims (5)

1.一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对电机三相定子电流进行采样，获得实际三相定子电流i_abc；对电机编码器进行采样，获得电机转子角度；

步骤2，根据电机的外环速度控制器及电机特性得到电机d轴和q轴的指令电流值i_d ^*与i_q ^*；

步骤3、利用步骤1得到的电机转子角度对电机q轴指令电流值i_q ^*以及d轴指令电流值i_d ^*进行坐标变换

得到电机定子三相电流指令值i_abc ^*；

步骤4，将步骤1中采样得到的实际三相定子电流i_abc与步骤3得到的电机定子三相电流指令值i_abc ^*相比较，得到偏差项如下：

步骤5，设置三相电流误差函数方程如下：

式中，λ是一个需要调试的控制参数，t表示时间；

步骤6、采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

其中，所述三相开关函数Ψ_abc如下：

三相电流中的任意一h相电流对应的开关函数为：

其中，+1表示h相功率器件上桥导通下桥断开，-1表示h相功率器件下桥导通上桥断开，0表示h相功率器件上下桥均断开，U_dc为直流母线电压，x为三相开关函数Ψ_abc中引入的一个正常数；

采用三相开关函数Ψ_abc生成电机各相功率器件的开关状态控制指令时，根据三相电流误差函数方程的输出

判断三相开关函数Ψ_abc输出的开关状态控制指令；

步骤7、将三相开关函数Ψ_abc生成的开关状态控制指令输出到电机各相功率器件，电机各相功率器件根据三相开关函数Ψ_abc生成的开关状态控制指令执行开关动作，从而驱动电机。

2.根据权利要求1所述的一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其特征在于，正常数x的取值与设定电机转速有关，正常数x通过实验的方法进行标定，实验标定时，在满足电机工况的情况下，x取最大值。

3.根据权利要求1所述的一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其特征在于，步骤2中，当所控制的电机为表贴式永磁同步电机时，令d轴指令电流值i_d ^*＝0。

4.根据权利要求1所述的一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其特征在于，所述电机各相功率器件为IGBT。

5.根据权利要求1所述的一种直接控制三相电流的电机驱动方法，其特征在于，所述电机各相功率器件为MOSEFT。

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