CN110707976A - 一种永磁同步电机矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机矢量控制方法，属于永磁同步电机领域，包括以下步骤：S1：在不同坐标系下建立数学模型，为控制系统的建立与相关模型的仿真提供基础，S2：控制方法的选择，根据永磁同步电动机的用途和控制目标不同，矢量控制方法也各不相同，不同的控制方法具有各自的特点，S3：进行仿真分析，在MATLAB中搭建系统仿真模型。本发明的构建方法更加的科学合理，在id＝0控制方法的基础上适当的采用弱磁控制的方法，从而改善电机高速时的性能，通过调节定子电流id和iq，增加定子直轴去磁电流分量实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极限值，转矩电流量应随之减小，在保持电机端电压不变的情况下减小输出转矩实现弱磁增速。

Description

一种永磁同步电机矢量控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，具体为一种永磁同步电机矢量控制方法。
背景技术
矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施任然是落实到对定子电流的控制上，由于在定子测得各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等，都是交流电，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算都不是很方便，因此需要借助于坐标交换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后站在同步旋转坐标系上的各个空间矢量就变成的直流量，然后通过id＝0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、控制，恒磁链控制等方法进行矢量控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机矢量控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种永磁同步电机矢量控制方法，包括以下步骤：
S1：在不同坐标系下建立数学模型，为控制系统的建立与相关模型的仿真提供基础，包括以下步骤：
A：建立三相定子坐标系上的模型；
B：建立两相静止坐标系上的模型；
C：建立两相旋转坐标系上的模型；
S2：控制方法的选择，根据永磁同步电动机的用途和控制目标不同，矢量控制方法也各不相同，不同的控制方法具有各自的特点；
S3：进行仿真分析，在MATLAB中搭建系统仿真模型。
优选的，在S1中，永磁同步电机的数学模型解释了其内部构成，有助于我们设计控制策略，我们进行坐标变换和PI参数整定时都需要对其数学模型进行分析。
优选的，在S2中，矢量控制方法主要有id＝0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、
Figure BDA0002250363200000021
控制，恒磁链控制。
优选的，采用控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正比，其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大，而功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高，另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力，在输出转矩中磁阻反应转矩为零。
优选的，
Figure BDA0002250363200000022
控制相对复杂，并且最大输出力矩小。
优选的，恒磁链控制方法与id＝0控制方法比较，可以获得较高的功率因数，并且在输出相同转矩情况下，需要的逆变器容量比id＝0方式小，单磁分量大。
优选的，永磁同步电机弱磁控制思想来自他励直流电动机调磁控制，对于他励直流电动机，档期电枢端电压达到最高电压时，为使电动机能运行于更高转速采取降低电动机励磁电流，以平衡电压，实现弱磁增强。
优选的，综合来看，按照转子磁链方向并按id＝0方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解耦，控制系统简单，转矩拨动小，可以获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求的工业应用领域。
优选的，在S3中，为保证启动过程达到设计要求，既要根据PMSM数学模型选择和设计合适的仿真模型，又要合理设定仿真参数。
优选的，采用PMSM矢量控制系统仿真模型，可快捷验证控制算法，也可对其进行简单修改或替换，完成控制策略的改进，通用性较强，且其本身模型也简单易于实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的控制方法更加的科学合理，按照转子磁链定向并按id＝0方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解耦，控制系统简单，转矩波动小，可获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求工业应用领域，在id＝0控制方法的基础上适当的采用弱磁控制的方法，从而改善电机高速时的性能，通过调节定子电流id和iq，增加定子直轴去磁电流分量实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极限值，转矩电流量应随之减小，在保持电机端电压不变的情况下减小输出转矩实现弱磁增速。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的在id＝0控制策略原理下各矢量之间的关系图；
图3为本发明的永磁同步电机矢量控制仿真模型图；
图4为本发明的转速及电磁转矩波形图；
图5为本发明的SVPWM输入图；
图6为本发明的3S-2r变换得到的定子D轴和Q轴波形图；
图7为本发明的电机测量模块测量的定子D轴和Q轴波形图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种永磁同步电机矢量控制方法，包括以下步骤：
S1：在不同坐标系下建立数学模型，为控制系统的建立与相关模型的仿真提供基础，包括以下步骤：
A：建立三相定子坐标系上的模型；
由此可得到定子电压方程为：
Figure BDA0002250363200000041
式中：ua、ub、uc分别为电机定子a、b、c相的相电压；ia、ib、ic分别为a、b、c相的相电流；ψa、ψb、ψc分别为a、b、c相的磁链；Rs为电机定子的电枢绕组；
Figure BDA0002250363200000042
为微分算子；
磁链方程为
Figure BDA0002250363200000043
式中：Laa、Lbb、Lcc分别为定子a、b、c相绕组的自感；Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb分别为三相绕组之间的互感；ψf为永磁转子的磁链；θe为转子位置角，即旋转坐标系d轴与a轴之间的空间电角度；
电磁转矩方程为
Te＝pnψf[iasinθe+ibsin(θe-120°)+icsin(θe+120°)]
式中：Te为电机的电磁转矩；pn为极对数；
由电机在三相坐标系下的基本方程可以看出，三相永磁同步电机的定子绕组呈空间分布，轴线互差120度电角度，每相绕组电压与电阻压降和磁链变化平衡，永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体产生，定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关，其中，转子永磁链在每相绕组中产生反电动势，定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关；
B：建立两相静止坐标系上的模型；
在α-β坐标系下，IPMSM的电压方程为
Figure BDA0002250363200000051
磁链方程为
Figure BDA0002250363200000052
式中：Lαα、Lββ分别为α-β坐标系下α轴和β轴自感值；Lαβ、Lβα分别为α轴和β轴之间的互感值；
转矩方程为
Figure BDA0002250363200000053
C：建立两相旋转坐标系上的模型；
永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相同仍要求输入三相对称正弦电流；
在d、q坐标系下，IPMSM的电压方程为
Figure BDA0002250363200000061
式中：ωe为电机的电角速度；
磁链方程为
式中：Ld、Lq分别为d-q坐标系下d轴和q轴电感值；
转矩方程为
Figure BDA0002250363200000063
运动方程为
式中：ωm为电机的机械角速度，且有
Figure BDA0002250363200000065
TL为负载转矩；J为转子轴上的转动惯量；
从上述式子中可以看出，在三相静止坐标下，永磁同步电机各个物理量都与转子的位置角有关，并且是一组复杂的变系数的微分方程组，分析和求解此类方程是非常不便的，在两相旋转坐标系下，三相永磁同步电机可以等效的看做是直流电机，对我们研究电机的控制策略而言相对简单方便；
S2：控制方法的选择，根据永磁同步电动机的用途和控制目标不同，矢量控制方法也各不相同，主要有Id＝0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、
Figure BDA0002250363200000073
控制，恒磁链控制，不同的控制方法具有各自的特点：
在id＝0控制策略原理下各矢量之间的关系如图2所示，定子电流矢量的直轴分量为0，可得出电机输出转矩为：
Td＝pmψriq
当忽略电枢电阻时，功率因数:
在图2中，ωψr实际上代表空载时电动机的端电压，ωψo则代表系统带载运行时电动机端电压，设两者之比为K，且有
Ld＝Lq＝L，则
Figure BDA0002250363200000072
令Ldid/ωr＝ε，称为去磁分量，在本控制方法下应使ε＝0
逆变器的容量可以用
来表示
此处有
Figure BDA0002250363200000082
由上式可以看出，采用id＝0控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正比，其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大，而功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高，另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力，在输出转矩中磁阻反应转矩为零；
S3：进行仿真分析，在MATLAB中搭建系统仿真模型，如图3所示；
由图4只图7可以看出，在额定转速n＝2000r/min的参考转速下，系统启动响应快速，转速能很好的控制再给定，定子三相电流和转矩在电机转动开始波动只有稳定是的2到2.5倍，且很快稳定，具有较好的特性，从上述的仿真，我们可以知道为保证启动过程达到设计要求，既要根据PMSM数学模型选择和设计合适的仿真模型，又要合理设定仿真参数，采用PMSM矢量控制系统仿真模型，可快捷验证控制算法，也可对其进行简单修改或替换，完成控制策略的改进，通用性较强，且其本身模型也简单易于实现。
本发明的控制方法更加的科学合理，按照转子磁链定向并按id＝0方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解耦，控制系统简单，转矩波动小，可获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求工业应用领域，在id＝0控制方法的基础上适当的采用弱磁控制的方法，从而改善电机高速时的性能，通过调节定子电流id和iq，增加定子直轴去磁电流分量实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极限值，转矩电流量应随之减小，在保持电机端电压不变的情况下减小输出转矩实现弱磁增速。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在不同坐标系下建立数学模型，为控制系统的建立与相关模型的仿真提供基础，包括以下步骤：
A：建立三相定子坐标系上的模型；
B：建立两相静止坐标系上的模型；
C：建立两相旋转坐标系上的模型；
S2：控制方法的选择，根据永磁同步电动机的用途和控制目标不同，矢量控制方法也各不相同，不同的控制方法具有各自的特点；
S3：进行仿真分析，在MATLAB中搭建系统仿真模型。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：在S1中，永磁同步电机的数学模型解释了其内部构成，有助于我们设计控制策略，我们进行坐标变换和PI参数整定时都需要对其数学模型进行分析。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：在S2中，矢量控制方法主要有id＝0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、
Figure FDA0002250363190000011
控制，恒磁链控制。
4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：采用控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正比，其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大，而功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高，另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力，在输出转矩中磁阻反应转矩为零。
5.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：控制相对复杂，并且最大输出力矩小。
6.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：恒磁链控制方法与id＝0控制方法比较，可以获得较高的功率因数，并且在输出相同转矩情况下，需要的逆变器容量比id＝0方式小，单磁分量大。
7.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：永磁同步电机弱磁控制思想来自他励直流电动机调磁控制，对于他励直流电动机，档期电枢端电压达到最高电压时，为使电动机能运行于更高转速采取降低电动机励磁电流，以平衡电压，实现弱磁增强。
8.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：综合来看，按照转子磁链方向并按id＝0方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解耦，控制系统简单，转矩拨动小，可以获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求的工业应用领域。
9.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：在S3中，为保证启动过程达到设计要求，既要根据PMSM数学模型选择和设计合适的仿真模型，又要合理设定仿真参数。
10.根据权利要求9所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：采用PMSM矢量控制系统仿真模型，可快捷验证控制算法，也可对其进行简单修改或替换，完成控制策略的改进，通用性较强，且其本身模型也简单易于实现。
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