CN110518849B - 一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，所述方法的实现系统包括九个部分：电压源逆变桥、永磁同步电机、转子位置检测模块、坐标变换模块、角速度计算模块、速度反馈模块、电流反馈模块、电压反馈模块、VVDC模块。所述电压反馈模块用于实现最大转矩电流比控制策略。所述VVDC模块包括：电压矢量计算模块、电压矢量扇区判断模块、占空比计算模块、调制波发生器、三角载波发生器、PWM发生器。所述最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，无需进行Park逆坐标变换，能有效解决现有SVPWM算法中存在的坐标变换复杂、扇区判断运算繁琐、占空比计算冗余的问题，为永磁同步电机最大转矩电流比控制策略的实现提供了一种简单、有效的控制方法。

Description

一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机(PMSM,permanent magnet synchronous motor)具有结构简单、功率密度高、效率高等特点，近年来许多学者对其控制方法进行了研究。

现有技术通常采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM,space vector pulse widthmodulation)对PMSM进行控制，但现有SVPWM算法需要进行三次复杂的坐标变换(Park变换、Clarke变换和Park逆变换)，且在电压矢量扇区判断和占空比计算过程中存在运算繁琐、计算冗余等问题。“基于调制函数的SVPWM算法”(见《电工技术学报》，2008)针对现有SVPWM算法进行改进，提出基于调制函数的算法，使现有SVPWM算法得到简化。本发明提出一种电压矢量定向控制(VVDC,voltage vector directional control)方法，所提出控制算法不包含Park逆坐标变换，且扇区判断过程简洁高效、占空比计算过程可减少一个无关电压矢量的计算。所提出的VVDC方法能有效解决现有SVPWM算法中存在的坐标变换复杂、扇区判断运算繁琐、占空比计算冗余的问题。

最大转矩电流比(MTPA,maximum torque per ampere)控制策略可使PMSM在相电流相同的情况下输出最大转矩，进而减少电机定子铜耗和铁耗、减小逆变器容量。本发明在所提出VVDC方法的基础上，提出一种对d-q轴电流补偿的电压反馈MTPA控制方法，可有效实现PMSM的MTPA控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法。

为实现所述控制方法，本发明采用的系统见附图1，包括：电压源逆变桥、永磁同步电机、转子位置检测模块、坐标变换模块、角速度计算模块、速度反馈模块、电流反馈模块、电压反馈模块、VVDC模块。

其中，所述转子位置检测模块用于实时检测转子位置，并将输出值θ送到坐标变换模块、角速度计算模块和VVDC模块。

其中，所述坐标变换模块，包括：Clarke变换模块、Park变换模块。相电流i_a、i_b、i_c经Clarke变换模块和Park变换模块，将输出值i_d、i_q送到电流反馈模块。

其中，所述角速度计算模块用于计算电机转子旋转的角速度，并将输出值ω送到速度反馈模块。

其中，所述速度反馈模块将角速度给定值ω_ref和ω的差值经速度反馈PI控制器，输出i_q ^*到电流反馈模块，用于实现PMSM的速度控制。

其中，所述电流反馈模块将d轴电流补偿值i_dcom和i_d的差值、q轴电流补偿值i_qcom与i_q ^*之和并减去i_q的差值，分别经电流反馈PI控制器，输出v_d、v_q到电压反馈模块和VVDC模块。

其中，所述电压反馈模块用于实现MTPA控制策略：MTPA电压计算模块用于计算MTPA策略下的d轴电压V_d和q轴电压V_q，V_d与v_d、V_q与v_q的差值分别经电压反馈PI控制器输出电流补偿值i_dcom和i_qcom到电流反馈模块。

其中，所述VVDC模块包括：电压矢量计算模块、电压矢量扇区判断模块、占空比计算模块、调制波发生器、三角载波发生器、PWM发生器。电压矢量计算模块用于计算电压矢量的幅值和位置；电压矢量扇区判断模块用于判断电压矢量所在的扇区；占空比计算模块用于计算电压矢量所在扇区两个基本电压矢量的占空比；调制波发生器用于产生调制波；三角载波发生器用于产生三角载波；PWM发生器用于产生PWM信号。

其中，所述电压矢量计算模块将计算得到的电压矢量幅值V_s ^*输出到占空比计算模块；输出角度δ^*并用于电压矢量位置角θ^*的计算(θ^*＝δ^*+θ+π/2)，θ^*值输入到电压矢量扇区判断模块。

其中，所述电压矢量扇区判断模块将扇区判断值n分别输出到占空比计算模块和调制波发生器。

其中，所述占空比计算模块由电压矢量计算模块输出的电压矢量幅值V_s ^*和n作为输入，并将计算得到的两个基本电压矢量占空比k_I和k_II输出到调制波发生器。

其中，所述调制波发生器由占空比计算模块的输出k_I和k_II、电压矢量扇区判断模块的输出n分别作为输入，并将计算得到的调制波T_a、T_b和T_c输出到PWM发生器。

其中，所述三角载波发生器用于产生三角载波并输出到PWM发生器。

其中，所述PWM发生器由调制波发生器和三角载波发生器的输出作为输入，PWM发生器产生PWM信号送到电压源逆变桥。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图说明

图1最大转矩电流比电压矢量定向控制方法系统结构框图；

图2电压矢量所在扇区位置示意图。

具体实施方式

本发明提供一种永磁同步电机的最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，实现该方法的系统见附图1，转子位置检测模块用于实时检测转子位置，并将输出值θ送到坐标变换模块和角速度计算模块；角速度计算模块将输出值ω送到速度反馈模块；速度反馈模块将角速度给定值ω_ref和ω的差值经速度反馈PI控制器，输出i_q ^*到电流反馈模块；电压反馈模块输出d、q轴电流补偿值i_dcom、i_qcom，并输出至电流反馈模块；相电流i_a、i_b、i_c经Clarke变换模块、Park变换模块，将输出值i_d、i_q送到电流反馈模块；电流反馈模块将d轴电流补偿值i_dcom和i_d的差值、q轴电流补偿值i_qcom与i_q ^*之和并减去i_q的差值，分别经电流反馈PI控制器，输出v_d、v_q到电压反馈模块和VVDC模块；VVDC模块输出PWM波至电压源逆变桥。

所述电压反馈模块包括MTPA电压计算模块和电压反馈PI控制器模块。

所述VVDC模块包括：电压矢量计算模块、扇区判断模块、占空比计算模块、调制波发生器、三角载波发生器、PWM发生器。

具体实施方法如下：

所述MTPA电压计算模块用于实现MTPA控制策略，MTPA控制策略下的d轴电压V_d和q轴电压V_q计算方式为：

V_d＝-V_ssinδ

V_q＝V_scosδ

V_s、I_s分别为定子相电压和相电流；L_d、L_q分别为d轴、q轴电感；X_d、X_q分别为d轴、q轴感抗；R为定子相电阻；δ为负载角；ψ为定子电流与q轴间的夹角；φ为V_s和I_s的夹角；λ_m为转子永磁体磁链；E_o为空载反电势。

所述电压矢量计算模块由v_d和v_q作为输入，用于计算电压矢量的幅值V_s ^*和角度δ^*，计算方式为：

所述扇区判断模块由n、θ^*作为输入，根据θ^*值判断电压矢量所在扇区位置，电压矢量所在扇区位置示意图见附图2：A-B-C表示三相固定坐标系；d-q表示两相旋转坐标系；V₁～V₆分别表示用于合成电压矢量的6个基本电压矢量。电压矢量扇区判断步骤如下：

步骤1：计算θ^*值，θ^*＝δ^*+θ+π/2；

步骤2：若

则n＝1；

步骤3：若

则n＝2；

步骤4：若

则n＝3；

步骤5：若

则n＝4；

步骤6：

则n＝5；

步骤7：

则n＝6；

步骤8：输出扇区值n。

所述占空比计算模块由n、V^*作为输入，根据扇区n值计算产生两个基本电压矢量的占空比k_I和k_Ⅱ，计算方法如下：

V_dc表示母线电压。

所述调制波发生器由n、k_I、k_Ⅱ作为输入，根据扇区n值计算产生调制波T_a、T_b、T_c并输出至PWM发生器，调制波产生方式为：

当n＝1时，

当n＝2时，

当n＝3时，

当n＝4时，

当n＝5时，

当n＝6时，

T_s为开关周期，k₀＝(1-k_I-k_Ⅱ)/2。

所述电压反馈模块分别对d轴和q轴电流进行补偿控制，用于实现MTPA控制策略；所述VVDC模块用于实现电压矢量的定向控制，且无需进行Park逆坐标变换；所述电压矢量扇区判断模块的扇区判断过程简洁高效；所述占空比计算模块在占空比计算过程中可减少一个无关电压矢量的计算，可解决占空比计算冗余的问题。

所述最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，无需进行Park逆坐标变换，能有效解决现有SVPWM算法中存在的坐标变换复杂、扇区判断运算繁琐、占空比计算冗余的问题，为永磁同步电机MTPA控制策略的实现提供了一种简单、有效的控制方法。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，所述方法的实现系统包括：电压源逆变桥(1)、永磁同步电机(2)、转子位置检测模块(3)、坐标变换模块(4)、角速度计算模块(5)、速度反馈模块(6)、电流反馈模块(7)、电压反馈模块(8)、VVDC模块(9)；

所述坐标变换模块(4)包括：Clarke变换模块(4-1)、Park变换模块(4-2)；

所述电压反馈模块(8)包括：MTPA电压计算模块(8-1)、电压反馈PI控制器模块(8-2)；

所述电压反馈模块(8)用于实现MTPA控制策略：MTPA电压计算模块(8-1)用于计算MTPA控制策略下的d轴电压V_d和q轴电压V_q，V_d、V_q计算方式为：

V_d＝-V_s sinδ

V_q＝V_s cosδ

V_s、I_s分别为定子相电压和相电流；L_d、L_q分别为d轴、q轴电感；X_d、X_q分别为d轴、q轴感抗；R为定子相电阻；δ为负载角；ψ为定子电流与q轴间的夹角；φ为V_s和I_s的夹角；λ_m为转子永磁体磁链；E_o为空载反电势；

V_d与电流反馈模块(7)d轴输出值v_d、V_q与电流反馈模块(7)q轴输出值v_q的差值分别经电压反馈PI控制器模块(8-2)输出电流补偿值i_dcom和i_qcom到电流反馈模块(7)；

所述VVDC模块(9)包括：电压矢量计算模块(9-1)、电压矢量扇区判断模块(9-2)、占空比计算模块(9-3)、调制波发生器(9-4)、三角载波发生器(9-5)、PWM发生器(9-6)；

所述电压矢量计算模块(9-1)输出角度δ^*并用于电压矢量位置角θ^*的计算，θ^*值输入到电压矢量扇区判断模块(9-2)；所述电压矢量计算模块(9-1)将计算得到的电压矢量幅值V_s ^*输出到占空比计算模块(9-3)；

所述电压矢量扇区判断模块(9-2)将扇区判断值n分别输出到占空比计算模块(9-3)和调制波发生器(9-4)；

所述占空比计算模块(9-3)由电压矢量计算模块输出的电压矢量幅值V_s ^*和n作为输入，并将计算得到两个有效矢量的占空比k_Ι和k_ΙΙ输出到调制波发生器(9-4)；

所述调制波发生器(9-4)由占空比计算模块(9-3)的输出k_Ι和k_ΙΙ、电压矢量扇区判断模块(9-2)的输出n分别作为输入，将计算得到的调制波T_a、T_b和T_c输出到PWM发生器(9-6)。

2.根据权利要求1所述一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，其特征在于，坐标变换模块(4)不包括Park逆坐标变换模块；所述电压反馈模块(8)用于实现MTPA控制策略；所述占空比计算模块(9-3)用于计算两个有效矢量的占空比k_Ι和k_ΙΙ，可减少一个无关电压矢量占空比的计算。

3.根据权利要求1所述一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，其特征在于，扇区判断值n计算步骤为：

步骤1：计算θ^*值，θ^*＝δ^*+θ+π/2；

步骤2：若

则n＝1；

步骤3：若

则n＝2；

步骤4：若

则n＝3；

步骤5：若

则n＝4；

步骤6：若

则n＝5；

步骤7：若

则n＝6；

步骤8：输出扇区判断值n；

θ表示转子位置检测模块(3)输出的转子位置。

4.根据权利要求1所述一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，其特征在于，两个有效矢量的占空比k_Ι和k_ΙΙ计算步骤为：

V_dc表示母线电压。

5.根据权利要求1所述一种永磁同步电机最大转矩电流比电压矢量定向控制方法，其特征在于，调制波T_a、T_b、T_c产生方式为：

当n＝1时，

当n＝2时，

当n＝3时，

当n＝4时，

当n＝5时，

当n＝6时，

T_s为开关周期，k₀＝(1-k_I-k_Ⅱ)/2。

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