CN110635736B - 一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路，属于电机控制技术领域，解决永磁同步电机低损耗问题；方法包括，采集电机的检测信息；根据检测信息对电机进行速度环、有功功率环和无功功率环控制；进行空间矢量调制，确定电压矢量在基本矢量图中的扇区位置，计算构成所述扇区的相邻基本矢量的作用时间；根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，控制功率开关管导通，为电机供电。本发明改进了永磁同步电机长期运行时的高损耗问题，实现简单，可靠性高。

Description

一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度高、转子转动惯量小、电枢电感小、运行效率高以及转轴上无滑环和电刷等优点，广泛应用在中小功率范围内的高性能运动控制领域。随着电力电子技术和电机控制理论的发展，以矢量控制、直接转矩控制为代表的高性能永磁同步电机闭环控制方法得到快速发展和广泛应用，矢量控制和直接转矩控制的优点都是电机的动态性能好，缺点是对于长期运行的稳态损耗控制效果不够好，并且直接转矩控制带来的好的动态性能的基础上，引入开关频率不固定的缺陷，导致问题损耗较大。

近年来，关于电机功率控制的方法得到发展，一定程度上降低了电机的问题功率，但是缺点是开关频率不固定，滞环宽度难以确定。同时，为了完成功率控制，需要实时计算磁链的大小和磁链角，但在低频运行情况下，电机定子参数变化、积分器的误差积累、功率管的开关死区和温漂问题导致磁链的计算精度不够高，影响电机的损耗。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路，解决永磁同步电机低损耗问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种永磁同步电机低功耗控制方法，包括，

采集包括电机转子位置、转速、三相电流、直流母线电压和功率开关管状态在内的检测信息；

根据所述检测信息对电机进行速度环、有功功率环和无功功率环控制；计算电压矢量角、有功功率环输出量和无功功率环输出量；通过坐标变换得到所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量；

根据所述电压矢量进行空间矢量调制，确定电压矢量在基本矢量图中的扇区位置，计算构成所述扇区的相邻基本矢量的作用时间；

根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，控制功率开关管导通，为电机供电。

进一步地，所述速度环、有功功率环和无功功率环控制分别采用PID控制器；

所述速度环控制器的输入为设定转速和采集转速的差，经过PID控制，输出速度环输出量；

所述有功功率环控制器的输入为所述速度环输出量与有功功率反馈值的差，经过PID控制，输出有功功率环输出量；

所述无功功率环控制器的输入为无功功率给定值与无功功率反馈值的差，经过PID控制，输出无功功率环输出量。

进一步地，所述PID控制器的控制公式为

式中，u_k为当前控制器输出值，u_k-1为前次控制器输出值，e_k为当前偏差值，e_k-1为前次偏差值，e_k-2为前前次偏差值，T为控制周期，K_p、K_I、K_D分别为比例参数、积分参数和微分参数。

进一步地，所述有功功率反馈值和无功功率功率反馈值根据三相电流信息、直流母线电压和开关管状态进行计算得到。

进一步地，电压矢量角θ_s＝θ_r+90+δ；式中，θ_r为电机转子位置对应的角度值，δ为偏差值，δ的计算公式为

式中，p为有功功率反馈值，R_s为相电阻；L_s为相电感与互感之差；ψ_f为永磁体励磁空间矢量，ω为采集的电机转速。

进一步地，所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量

式中，θ_s为电压矢量角，u_sT为有功功率环输出量，u_sM为无功功率环输出量，u_sα为α轴电压矢量分量值，u_sβ为β轴电压矢量分量值。

进一步地，所述基本矢量图中相邻基本矢量的作用时间

式中，T_si和T_sj分别代表电压矢量坐落扇区中的相邻两个基本矢量的作用时间，i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4,5,6；u_siα、u_siβ、u_sjα、u_sjβ分别为两个相邻基本矢量u_si、u_sj在α轴和β轴的电压矢量分量值，T_s代表PWM周期。

进一步地，根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，具体包括：

步骤S4-1、根据所述扇区位置确定对应的两个相邻基本矢量；

步骤S4-2、根据所述两个相邻基本矢量确定处于导通状态的开关管；

步骤S4-3、以相邻基本矢量的作用时间作为导通状态的开关管对应的导通时间；在一个基本矢量中处于导通状态的开关管的导通时间为该基本矢量的作用时间，在两个基本矢量中都处于导通状态的开关管的导通时间为两个基本矢量的作用时间之和。

进一步地，所述基本矢量图的六个基本矢量u_s1为110001、u_s2为111000、u_s3为011100、u_s4为001110、u_s5为000111、u_s6为100011；每个基本矢量的六位数字从左到右依次代表六个功率开关管VT1～VT6，1代表导通，0代表关断；从u_s1开始升序到u_s6再到u_s1，相邻的两个基本矢量之间构成一个扇区。

本实施例还公开了一种永磁同步电机低功耗控制电路，包括DSP控制器(1)、电流和电压检测电路(2)、转子位置和转速检测电路(3)、驱动电路(4)、功率主电路(5)；

所述电流和电压检测电路(2)用于采集三相电流信息和直流母线电压信息，发送给DSP控制器(1)；

所述转子位置和转速检测电路(3)，用于采集电机的转速和转子位置信息，发送给DSP控制器(1)；

所述驱动电路(4)，用于在所述DSP控制器(1)的控制下，给所述功率主电路(5)提供功率驱动信号；

所述功率主电路(5)，用于在所述驱动电路(4)的驱动下，给永磁同步电机工作提供能量；

所述DSP控制器(1)用于采用如权利要求1-9任一所述的低功耗控制方法，根据采集所述检测信息，对电机的工作进行控制。

与现有技术相比，本申请至少可实现如下有益效果之一：

1、改进了永磁同步电机长期运行时的高损耗问题，实现简单，可靠性高。

2、通过设置无功功率给定值，控制无功功率，降低了电机无用损耗；

3、通过有功功率反馈值和电机转子位置信息，计算电压矢量角度，避免了复杂的计算算法和硬件检测电路，提高了电压矢量角度的计算精度，进一步降低了电机损耗。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一中的永磁同步电机低功耗控制方法流程图；

图2为本发明实施例一中的基本矢量图；

图3为本发明实施例二中永磁同步电机低功耗控制电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理。

实施例一

本实施例提供了一种永磁同步电机低功耗控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、采集包括电机转子位置、转速、三相电流、直流母线电压和功率开关管状态在内的检测信息；

步骤S2、根据所述检测信息对电机进行速度环、有功功率环和无功功率环控制；

通过速度环、有功功率环和无功功率环控制，计算电压矢量角、有功功率环输出量和无功功率环输出量；并通过坐标变换得到所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量；

具体的，步骤S2包括以下子步骤：

步骤S2-1、根据采集的三相电流信息、直流母线电压和开关管状态计算有功功率反馈值p和无功功率功率反馈值q；

具体的，计算公式如下：

其中，u_d为采集的直流母线电压，H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆分别为功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的导通信号，

分别为功率开关管VT2、VT4、VT6的导通信号的取反值；

i_α和i_β分别为α-β坐标系下的电流值，将采集的三相电流信息(i_A，i_B，i_C)根据公式

进行坐标转换获得。

步骤S2-2、进行速度环、有功功率环和无功功率环控制；

所述速度环、有功功率环和无功功率环控制分别采用PID控制器；

所述速度环控制器的输入为设定转速和采集转速的差，经过PID控制，输出速度环输出量；

所述有功功率环控制器的输入为所述速度环输出量与有功功率反馈值的差，经过PID控制，输出有功功率环输出量u_sT；

所述无功功率环控制器的输入为无功功率给定值与无功功率反馈值的差，经过PID控制，输出无功功率环输出量u_sM。

具体的，为控制无功功率，降低了电机无用损耗，所述无功功率给定值为0。

优选的，速度环、有功功率环和无功功率环的PID控制器的控制公式为

式中，u_k为当前控制器输出值，u_k-1为前次控制器输出值，e_k为当前偏差值，e_k-1为前次偏差值，e_k-2为前前次偏差值，T为设置的控制周期，K_p、K_I、K_D分别为设置的比例参数、积分参数和微分参数。

步骤S2-3、根据采集的电机转子位置对应的角度值和有功功率反馈值计算电压矢量角；

具体的，电压矢量角θ_s＝θ_r+90+δ；

式中，θ_r为电机转子位置对应的角度值，δ为偏差值；

δ的计算公式为

式中，p为有功功率反馈值，R_s为相电阻；L_s为相电感与互感之差；ψ_f为永磁体励磁空间矢量，ω为采集的电机转速。

通过有功功率反馈值和电机转子位置信息，计算电压矢量角度，可通过算法在处理器中实现，避免了复杂的计算算法和硬件检测电路；计算中考虑偏差值，提高了电压矢量角度的计算精度，降低了电机损耗。

步骤S2-4、并通过坐标变换得到所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量；

具体的，所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量

式中，θ_s为电压矢量角，u_sT为有功功率环输出量，u_sM为无功功率环输出量，u_sα为α轴电压矢量分量值，u_sβ为β轴电压矢量分量值。

步骤S3、根据所述电压矢量进行空间矢量调制，确定电压矢量在基本矢量图中的扇区位置，计算构成所述扇区的相邻基本矢量的作用时间；

其中，所述基本矢量图如图2所示，在α-β坐标系下，包括六个基本矢量u_s1、u_s2、u_s3、u_s4、u_s5、u_s6；u_s1为110001、u_s2为111000、u_s3为011100、u_s4为001110、u_s5为000111、u_s6为100011；

每个基本矢量的六位数字从左到右依次代表六个功率开关管VT1～VT6，“1”代表导通，“0”代表关断，VT1和VT4互补导通，VT3和VT6互补导通、VT5和VT2互补导通；

u_s1位于α坐标轴的正半轴，从u_s1开始顺序升序到u_s6再到u_s1，相邻的两个基本矢量之间构成一个扇区，共构成6个相邻的扇区。

具体的，步骤S3包括以下子步骤：

步骤S3-1、确定所述电压矢量在基本矢量图中的扇区位置；

在α-β坐标系下，所述电压矢量角θ_s的角度值位于基本矢量图中的哪个扇区，所述电压矢量即位于该扇区。

步骤S3-2、根据位于的扇区，计算基本矢量图中构成该扇区的相邻基本矢量的作用时间；

具体的，所述作用时间

式中，T_si和T_sj分别代表电压矢量坐落扇区中的相邻两个基本矢量的作用时间，i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4,5,6；u_siα、u_siβ、u_sjα、u_sjβ分别为两个相邻基本矢量u_si、u_sj在α轴和β轴的电压矢量分量值，T_s代表PWM周期。。

例如电压矢量u_s位于扇区1，构成扇区1的相邻两个基本矢量为u_s1、u_s2；则，u_s1、u_s2的作用时间为

步骤S4、根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，控制功率开关管导通，为电机供电。

具体的，步骤S4包括以下子步骤：

步骤S4-1、根据所述扇区位置确定对应的两个相邻基本矢量；

步骤S4-2、根据所述两个相邻基本矢量确定处于导通状态的开关管；

步骤S4-3、以相邻基本矢量的作用时间作为导通状态的开关管对应的导通时间；在一个基本矢量中处于导通状态的开关管的导通时间为该基本矢量的作用时间，在两个基本矢量中都处于导通状态的开关管的导通时间为两个基本矢量的作用时间之和。

具体的，以电压矢量位于扇区2为例，根据电压矢量角确定电压矢量坐落与基本矢量图中的扇区2；扇区2对应的两个基本矢量为u_s2和u_s3；u_s2为111000、u_s3为011100，则，在u_s2的作用时间处于导通状态的开关管为VT1～VT3，在u_s3的作用时间处于导通状态的开关管为VT2～VT4；VT5和VT6始终处于关断状态。

因此，每个开关管的导通时间为：

式中，t₁～t₆依次为六个功率开关管的导通时间，T_s2和T_s3分别代表扇区2的两个基本矢量的作用时间。

与现有技术相比，本实施例中的永磁同步电机低功耗控制方法，通过设置无功功率给定值，控制无功功率，降低了电机无用损耗；通过有功功率反馈值和电机转子位置信息，计算电压矢量角度，避免了复杂的计算算法和硬件检测电路，提高了电压矢量角度的计算精度，进一步降低了电机损耗。由此，本实施例改进了永磁同步电机长期运行时的高损耗问题，实现简单，可靠性高。

实施例二

本实施例提供了一种永磁同步电机低功耗控制电路，如图3所示，包括DSP控制器(1)、电流和电压检测电路(2)、转子位置和转速检测电路(3)、驱动电路(4)、功率主电路(5)。

所述电流和电压检测电路(2)用于采集三相电流信息和直流母线电压信息，发送给DSP控制器(1)；

具体的，所述包含电流和电压检测电路(2)三个电流传感器及其调理电路、一个电压采集电路及其调理电路，通过DSP控制器(1)的AD接口将采集三相电流信息和直流母线电压信息发送到DSP控制器。

所述转子位置和转速检测电路(3)，用于采集电机的转速和转子位置信息，发送给DSP控制器(1)；

具体的，所述转子位置和转速检测电路(3)包含一个解码芯片及其外围电路，通过DSP控制器(1)的SPI接口将采集的转速和转子位置信息发送到DSP控制器。

所述驱动电路(4)，用于在所述DSP控制器(1)的控制下，给所述功率主电路(5)提供功率驱动信号；

所述功率主电路(5)，用于在所述驱动电路(4)的驱动下，给永磁同步电机工作提供能量；

具体的，驱动电路(4)包含六个驱动芯片，功率主电路(5)包括六个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，每个功率开关管均有“D”、“G”、“S”三个接线端；DSP控制器(1)通过PWM接口与驱动电路(4)连接，输出开关管控制信号，控制开关管的导通和关断。

具体的，所述DSP控制器(1)包含DSP芯片及其外围电路，DSP芯片内部的控制计算模块及其连接关系如图3中所示，

所述DSP控制器(1)采集包括电机转子位置、转速、三相电流和直流母线电压在内的检测信息，通过DSP芯片内部的控制计算模块实施所述实施例一中永磁同步电机低功耗控制方法，对电机的工作进行控制。

与现有技术相比，本实施例提供的有益效果与实施例一提供的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机低功耗控制方法，其特征在于，包括，

采集包括电机转子位置、转速、三相电流、直流母线电压和功率开关管状态在内的检测信息；

根据所述检测信息对电机进行速度环、有功功率环和无功功率环控制；计算电压矢量角、有功功率环输出量和无功功率环输出量；通过坐标变换得到所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量；

根据所述电压矢量进行空间矢量调制，确定电压矢量在基本矢量图中的扇区位置，计算构成所述扇区的相邻基本矢量的作用时间；

所述基本矢量图的六个基本矢量u_s1为110001、u_s2为111000、u_s3为011100、u_s4为001110、u_s5为000111、u_s6为100011；每个基本矢量的六位数字从左到右依次代表六个功率开关管VT1～VT6，1代表导通，0代表关断；从u_s1开始升序到u_s6再到u_s1，相邻的两个基本矢量之间构成一个扇区；

根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，控制功率开关管导通，为电机供电；

根据所述扇区位置和扇区的相邻基本矢量的作用时间，计算每个功率开关管的导通时间，具体包括：

根据所述扇区位置确定对应的两个相邻基本矢量；

根据所述两个相邻基本矢量确定处于导通状态的功率开关管；

根据位于的扇区，计算基本矢量图中构成该扇区的相邻基本矢量的作用时间

式中，T_si和T_sj分别代表电压矢量坐落扇区中的相邻两个基本矢量的作用时间，i、j为构成扇区的相邻两个基本矢量编号；u_siα、u_siβ、u_sjα、u_sjβ分别为两个相邻基本矢量u_si、u_sj在α轴和β轴的电压矢量分量值，T_s代表PWM周期；

以相邻基本矢量的作用时间作为导通状态的开关管对应的导通时间；在一个基本矢量中处于导通状态的开关管的导通时间为该基本矢量的作用时间，在两个基本矢量中都处于导通状态的开关管的导通时间为两个基本矢量的作用时间之和。

2.根据权利要求1所述的低功耗控制方法，其特征在于，所述速度环、有功功率环和无功功率环控制分别采用PID控制器；

所述速度环控制器的输入为设定转速和采集转速的差，经过PID控制，输出速度环输出量；

所述有功功率环控制器的输入为所述速度环输出量与有功功率反馈值的差，经过PID控制，输出有功功率环输出量；

所述无功功率环控制器的输入为无功功率给定值与无功功率反馈值的差，经过PID控制，输出无功功率环输出量。

3.根据权利要求2所述的低功耗控制方法，其特征在于，所述PID控制器的控制公式为

式中，u_k为当前控制器输出值，u_k-1为前次控制器输出值，e_k为当前偏差值，e_k-1为前次偏差值，e_k-2为前前次偏差值，T为控制周期，K_p、KI、K_D分别为比例参数、积分参数和微分参数。

4.根据权利要求2所述的低功耗控制方法，其特征在于，所述有功功率反馈值和无功功率功率反馈值根据三相电流信息、直流母线电压和开关管状态进行计算得到。

5.根据权利要求4所述的低功耗控制方法，其特征在于，电压矢量角θ_s＝θ_r+90+δ；式中，θ_r为电机转子位置对应的角度值，δ为偏差值，δ的计算公式为

式中，p为有功功率反馈值，R_s为相电阻；L_s为相电感与互感之差；ψ_f为永磁体励磁空间矢量，ω为采集的电机转速。

6.根据权利要求1所述的低功耗控制方法，其特征在于，

所述有功功率环输出量和无功功率环输出量在α-β坐标系下的电压矢量

式中，θ_s为电压矢量角，u_sT为有功功率环输出量，u_sM为无功功率环输出量，u_sα为α轴电压矢量分量值，u_sβ为β轴电压矢量分量值。

7.根据权利要求1所述的低功耗控制方法，其特征在于，所述基本矢量图中相邻基本矢量的作用时间

式中，T_si和T_sj分别代表电压矢量坐落扇区中的相邻两个基本矢量的作用时间，i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4,5,6；u_siα、u_siβ、u_sjα、u_sjβ分别为两个相邻基本矢量u_si、u_sj在α轴和β轴的电压矢量分量值，T_s代表PWM周期。

8.一种永磁同步电机低功耗控制电路，其特征在于，包括DSP控制器(1)、电流和电压检测电路(2)、转子位置和转速检测电路(3)、驱动电路(4)、功率主电路(5)；

所述电流和电压检测电路(2)用于采集三相电流信息和直流母线电压信息，发送给DSP控制器(1)；

所述转子位置和转速检测电路(3)，用于采集电机的转速和转子位置信息，发送给DSP控制器(1)；

所述驱动电路(4)，用于在所述DSP控制器(1)的控制下，给所述功率主电路(5)提供功率驱动信号；

所述功率主电路(5)，用于在所述驱动电路(4)的驱动下，给永磁同步电机工作提供能量；

所述DSP控制器(1)用于采用如权利要求1-7任一项所述的低功耗控制方法，根据采集所述检测信息，对电机的工作进行控制。

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