CN112271970B - 永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质，包括电流传感器测量永磁同步电机的定子电流，获得永磁同步电机三相静止坐标系下的测量电流，并将测量电流转换成两相旋转坐标系下的电流分量i_d‑mea、i_q‑mea；创建自适应谐波消除模型，自适应谐波消除模型与永磁同步电机的转子角速度关联，并根据永磁同步电机的转子角速度计算出电流补偿分量i_d‑ASHE、i_q‑ASHE，分别使用电流补偿分量i_d‑ASHE、i_q‑ASHE补偿电流分量i_d‑mea、i_q‑mea，获得补偿后的电流分量i_d、i_q；通过PI控制器调节电流分量i_d、i_q获得给定电压，根据给定电压矢量控制永磁同步电机运行。本发明能够消除永磁同步电机的速度脉动，使三相电流恢复平衡；控制方法不需要电机参数、额外的传感器，控制方法的运行不需要复杂计算。

Description

永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术，具体涉及一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质。

背景技术

电机分为直流电机和交流电机，交流电机又分为异步电机和同步电机。随着先进的电力电子技术的发展，交流电机已经主导了牵引机市场。在各种交流电机中，永磁同步电机因为结构简单、运行高效平稳，受到了诸多青睐，被广泛应用于风力发电、航空航天和工业机器人等领域，而中国占世界的稀土资源储量又最为丰富，拥有良好的高磁场永磁材料研究条件。现代电动机控制技术中矢量控制是应用广泛的控制技术，它一般需要两个电流传感器和一个编码器，由速度比例积分(PI)控制器得到q轴电流给定，同时d轴电流给定为零，两者分别由PI控制，得到的给定电压再由空间电压矢量脉宽调制技术输出逆变器的开关管控制信号。

在交流电机驱动器中，相电流是传感器输出的电压信号，它由模数转换器通过匹配电路和噪声滤波器电路进行处理。由于传感器电路的非线性，工作环境，特别是温度变化，即使系统设计和构造合理，电流测量误差仍然不可避免。电流测量误差主要包括偏移误差和比例误差，电流测量误差产生的转矩脉动在速度环中充当负载扰动，随后产生基频和双基频的速度振荡。显然，这些误差需要受到限制或补偿。最简单的方法是在系统停机时获取和更新测量值，但是，无法处理比例误差。因此，一种在线补偿方法被提出，该方法基于速度或转矩脉动信息以及电动机的机械参数来估计电流测量误差，这种补偿方法可以分为两类：解决误差影响和估计误差值。

在解决误差影响方面，有使用附加扭矩传感器的方法，扭矩传感器获得扭矩误差，然后迭代学习控制为q轴参考电流提供额外的补偿电流，从而使扭矩波动最小化。有方法通过过滤名义模型的预测电流与实测电流之间的差异，可以直接估算静止两相电流的补偿值。也有方法采用纯积分器估算定子磁通，并根据磁通漂移估算出直流偏置电压，该直流偏置电压用于通过前馈控制消除偏置。此外，还有许多策略专注于电流测量误差的估计和校正。有方法利用一个额外的直流总线电流传感器，通过总线电流和相电流内在关系来相互校准电流传感器。还有方法分析d轴PI电流调节器的积分器输出信号几乎为零或恒定的特征后，补偿算法会减去失调误差或重新定标输入测量增益。尽管这些方法补偿了或抑制了电流测量误差影响，但有的方法使用附加的传感器来收集其他信息，有的依赖于电动机参数，有的具有复杂的计算过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质，通过电流补偿来校正电流测量误差，从而消除永磁同步电机的速度脉动，使三相电流恢复平衡；同时，控制方法不需要电机参数、不需要额外的传感器，控制方法的运行不需要复杂计算。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，包括，

电流传感器测量永磁同步电机的定子电流，获得所述永磁同步电机三相静止坐标系下的测量电流，并将所述测量电流转换成两相旋转坐标系下的电流分量i_d-mea、i_q-mea；

创建自适应谐波消除模型，所述自适应谐波消除模型与所述永磁同步电机的转子角速度关联，并根据所述永磁同步电机的转子角速度计算出电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE，分别使用所述电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE补偿所述电流分量i_d-mea、i_q-mea，获得补偿后的电流分量i_d、i_q；

通过PI控制器调节所述电流分量i_d、i_q获得给定电压，根据所述给定电压矢量控制所述永磁同步电机运行。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，根据所述永磁同步电机的转子角速度和给定角速度的差异获得给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*，所述给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*分别与所述电流分量i_d、i_q做差后通过所述PI控制器调节获得所述给定电压。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，根据反Park变换转换所述给定电压，并基于空间电压矢量脉宽调制技术输出逆变器的开关管控制信号，通过所述逆变器驱动所述永磁同步电机运行。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，光电编码器测量所述永磁同步电机的转子位置角，根据所述转子位置角获得所述永磁同步电机的转子角速度。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，根据最小均方算法创建所述自适应谐波消除模型，其包括定义参考信号向量

和权重向量

所述参考信号和权重配合以匹配输入信号干扰的幅度和相位。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，所述自适应谐波消除模型为：

所述自适应谐波消除模型的输出为所述电流补偿分量i_q-ASHE，根据所述电流补偿分量i_q-ASHE和两相旋转坐标系的相互转换特性获得电流补偿分量i_d-ASHE；k表征离散时间索引；w_k表征k时刻权重。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，创建所述自适应谐波消除模型还包括，

定义权重迭代算法：

w_k+1表征k+1时刻权重；w_k表征k时刻权重；μ表征自适应增益常数；ε_k表征角速度给定值的跟踪误差；x_k表征k时刻的输入参考信号；ω^*表征给定角速度；ω_m表征永磁同步电机转子角速度。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，创建所述自适应谐波消除模型还包括，

定义：

T表征采样周期；ω₀表征要消除的目标角频率；

根据(1)、(2)、(3)获得：

基于相同的发明构思，本发明还提供一种永磁同步电机矢量控制设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器内并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有永磁同步电机矢量控制程序，所述永磁同步电机矢量控制程序被处理器执行时实现所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

本发明的有益效果：

本发明的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法、设备及存储介质，结合自适应谐波消除模型和矢量控制，控制对象主要是为永磁同步电机的dq轴电流，通过电流补偿校正电流测量误差，从而消除永磁同步电机的速度脉动，使三相电流恢复平衡；控制方法不需要电机参数、不需要额外的传感器，控制方法的运行不需要复杂计算。

附图说明

图1为三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系；

图2为三相两电平电压源逆变器结构；

图3为本发明优选实施例中永磁同步电机矢量控制的结构框图；

图4为单频自适应谐波消除模型结构框图；

图5为双基频自适应谐波消除模型结构框图；

图6为永磁同步电机补偿前后的波形：速度，q轴和d轴电流；

图7为永磁同步电机补偿前后的波形：三相电流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，永磁电机的数学模型可以通过以下三个坐标系来标识：

1)abc三相静止坐标系：abc分别为定子三相绕组轴向，互差120°电角度；

2)αβ两相静止坐标系：α轴重合a轴，β轴逆时针超前α轴90°电角度；

3)dq两相旋转坐标系：d轴为转子磁极轴向，q轴超前垂直于d轴。

三个坐标系通过Clark变换和Park变换相互变换，图1中，d轴和a轴夹角θ_r是转子位置角，而θ_s是定子磁链矢量位置角。

为了把abc三相静止坐标系的数学模型变换到αβ两相静止坐标系中去，需要进行Clark变换，其简称3/2变换，变换矩阵C_3/2(等幅值坐标变换)如下：

Park变换是坐标系αβ与dq之间的转换，dq坐标系在空间随转子以电角速度ω—起旋转，其变换矩阵C_2s/2r及其逆矩阵C_2r/2s为：

三相两电平电压源型逆变器的结构参照图2所示，输出的电压公式如下：

式中，V_dc为直流输入端的电压幅值，(S_aS_bS_c)标识逆变器开关状态，每相桥臂的上下开关器件信号互补，例如Si＝1,i＝a,b,c表示，上桥臂Si导通，下桥臂

关断；Si＝0表示上桥臂Si关断，下桥臂

导通。

永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型为：

(1)电压方程

式中，u_d、u_q和i_d、i_q是定子电压和电流的dq坐标系分量，ψ_d、ψ_q是定子磁链dq轴坐标系分量，ω_e是转子电角速度，ω_e＝pω_e，p是转子极对数，ω_e是机械角速度，R_s是定子绕组电阻。

(2)磁链方程

式中，L_d、L_q是dq轴同步电感，面装式PMSM的L_d＝L_q＝L_s，内置式PMSM的L_d＜L_q，ψ_f是永磁体磁链。

(3)转矩方程

式中，T_e是电磁转矩。

(4)运动方程

式中，T_L是负载转矩，θ_r为转子位置角，即d轴与a轴的夹角，θ_r＝∫ω_edt+θ₀(θ₀为转子初始位置电角度)，J是转动惯量。

根据电压方程(式1)和磁链方程(式1)，推导出dq坐标系下面装式永磁同步电机在连续时间域的电流微分方程：

式中，参数R_s、L_d、L_q和ψ_f为定子电阻、转子磁链和dq轴电感。将(6)代入(7)中的电动机运动方程式中，可以得出速度与q轴电流之间的关系：

在此，令相电流测量值表示为：

i_{x_mea}＝k_xi_{x_act}+Δi_{x_offset} (式7)；

其中i_{x_mea}和i_{x_act}是三相定子电流的测量值和实际值，其中x＝a,b,c，k_x和Δi_{x_offset}分别是偏移误差和缩放误差。通常，三相三线电路拓扑结构使用两个传感器来测量任何两相电流。以下以a，b相为例，c相电流根据基尔霍夫电流定律得到，三相电流的测量值为：

将测量电流与实际电流之间的误差定义为：

Δi_x＝i_{x_mea}-i_{x_act} (式9)；

经过Clark和Park变换后，获得dq同步旋转电流：

其中，误差项是：

式中，θ_e代表电角度，θ_e＝ω_et＝2πf_et，因此误差项Δi_a，Δi_b与和定子电频率f_e有关。以下，分别分析偏移误差和缩放误差的dq轴表示：

仅考虑偏移误差，测得的电流为：

通过将式12带入式11可得到dq轴电流的误差项：

在正确执行控制算法的前提下，在稳定状态下，给定电流和测量电流应相等。从(3)和(13)可以看出，由于偏移误差，q轴电流存在误差，随之电磁转矩中存在扰动转矩，电磁转矩将以定子频率振荡。

同理，仅考虑比例误差，通常假定测得的电流保持正弦曲线：

式中，φ＝tan^-1(i_{q_mea}/i_{d_mea})，I是被测电流的大小。

将式14代入式12：

同时，将式15代入式11：

与偏移误差的分析相似，由比例误差引起的干扰转矩使电磁转矩以定子频率的两倍振荡。

基于以上分析，电流传感器测量永磁同步电机的定子电流存在偏移误差和比例误差，由于偏移误差q轴电流存在误差，随之电磁转矩中存在扰动转矩，电磁转矩将以定子频率振荡；由于比例误差，会引起干扰转矩，使得电子转矩以定子频率的两倍振荡。在偏移误差和比例误差的影响下，永磁同步电机的运行存在速度脉动。

本实施例公开一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，矢量控制过程中对电流传感器测量误差进行补偿校正，参照图3所示，三相两电平电压源型逆变器输出交流电到三相正弦波永磁同步电机上，矢量控制方法包括以下步骤：

创建自适应谐波消除模型，由永磁同步电机的转动角速度差信息和自适应谐波消除模型计算出测量电流补偿值。具体的，根据最小均方算法创建自适应谐波消除模型，自适应谐波消除模型包括单频和多频自适应谐波消除模型，图4所示为创建的单频自适应谐波消除模型结构框图，图5所示为双基频自适应谐波消除模型结构框图，包括定义参考信号向量

和权重向量

参考信号

和

为两个正交分量余弦和正弦，并定义

所述参考信号和权重配合以匹配输入信号干扰的幅度和相位。

创建所述自适应谐波消除模型为：

并定义权重迭代算法：

输出

即为电流补偿值i_{q_ASHE}，根据所述电流补偿分量i_q-ASHE和两相旋转坐标系的相互转换特性获得电流补偿分量i_{d_ASHE}。

式中，k表征离散时间索引；w_k表征k时刻权重；w_k+1表征k+1时刻权重；μ表征自适应增益常数；ε_k表征角速度给定值的跟踪误差；x_k表征k时刻的输入参考信号；ω^*表征给定角速度；ω_m表征永磁同步电机转子角速度；T表征采样周期；ω₀表征要消除的目标角频率。

当自适应过程缓慢并且消除的高次谐波高于控制器带宽时，所述自适应谐波消除模型与矢量控制组合，且假设权重缓慢变化且常数恒定，则包括电机逆传递函数的电流补偿值i_{d_ASHE}、i_{q_ASHE}：

对应单频自适应谐波消除模型，式(4)变换为(参照图4所示)：

对应双基频自适应谐波消除算法，将第二块添加到基频的第一块，以扩展和消除谐波分量，参照图5所示的双基频自适应谐波消除模型，添加的块仅改变参考信号的频率，并相应地对输出进行求和。

永磁同步电机运行时，光电编码器测量所述永磁同步电机的转子位置角θ_r，经微分换算得到永磁同步电机的转子角速度ω_m；两组电流传感器分别测量永磁同步电机的定子的两相电流i_a，i_b(三相静止坐标系下的电流)，并将两相电流i_a，i_b转换成两相旋转坐标系下的电流分量i_d-mea、i_q-mea。

根据所述自适应谐波消除模型和永磁同步电机的转子角速度计算出电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE，分别使用所述电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE补偿所述电流分量i_d-mea、i_q-mea，也就是将电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE分别与电流分量i_d-mea、i_q-mea相加获得补偿后的电流分量i_d、i_q。

根据所述永磁同步电机的转子角速度和给定角速度的差异(也就是将永磁同步电机的给定角速度与转子角速度做差)获得给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*，所述给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*分别与所述电流分量i_d、i_q做差后通过所述PI控制器调节获得所述给定电压，根据反Park变换转换所述给定电压，并基于空间电压矢量脉宽调制技术输出逆变器的开关管控制信号，通过所述逆变器驱动所述永磁同步电机运行。

根据以上具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，在Matlab2019a里建立起系统的矢量控制仿真模型，并用本发明的自适应谐波消除模型进行电流误差校正。仿真参数：直流电压为V_dc＝300V，R_s＝2.35Ω，L_s＝6.5mH，J＝0.0003kgm²，p＝4，采样周期为16kHz，对发明的校正策略进行补偿前后的仿真验证。

永磁同步电机的给定角速度为600r/min，负载转矩设为1.27Nm，步长μ设定为8e-6。图6为补偿前后永磁同步电机角速度速度、q轴、d轴电流波形，图7为补偿前后永磁同步电机三相电流波形。可以看出，使用本发明的自适应谐波消除模型进行补偿后，速度和电流中的脉动得到了抑制，三相电流也恢复了平衡，仿真波形验证了本发明方法的可行性和正确性。

本实施例还公开一种永磁同步电机矢量控制设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器内并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

本实施例还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有永磁同步电机矢量控制程序，所述永磁同步电机矢量控制程序被处理器执行时实现所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：包括，

电流传感器测量永磁同步电机的定子电流，获得所述永磁同步电机三相静止坐标系下的测量电流，并将所述测量电流转换成两相旋转坐标系下的电流分量i_d-mea、i_q-mea；

三相电流的测量值为：

式中，i_{x_mea}和i_{x_act}分别为三相定子电流的测量值和实际值，其中x＝a,b,c，k_x和Δi_{x_offset}分别是偏移误差和缩放误差；

将测量电流与实际电流之间的误差定义为：

Δi_x＝i_{x_mea}-i_{x_act}；

经过Clark和Park变换后，获得dq同步旋转电流：

式中，i_{d_mea}、i_q-mea为两相旋转坐标系下dq轴定子电流的测量值；i_{d_act}、i_{q_act}为两相旋转坐标系下dq轴定子电流的实际值；Δi_d、Δi_q为两相旋转坐标系下dq轴定子电流的测量值与实际值间的误差；

误差项是：

式中，θ_e代表电角度，θ_e＝ω_et＝2πf_et，因此误差项Δi_a，Δi_b与和定子电频率f_e有关；

创建自适应谐波消除模型，所述自适应谐波消除模型与所述永磁同步电机的转子角速度关联，并根据所述永磁同步电机的转子角速度计算出电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE，分别使用所述电流补偿分量i_d-ASHE、i_q-ASHE补偿所述电流分量i_d-mea、i_q-mea，获得补偿后的电流分量i_d、i_q；

通过PI控制器调节所述电流分量i_d、i_q获得给定电压，根据所述给定电压矢量控制所述永磁同步电机运行；

其中，根据最小均方算法创建所述自适应谐波消除模型，其包括定义参考信号向量

和权重向量

所述参考信号和权重配合以匹配输入信号干扰的幅度和相位；

所述自适应谐波消除模型为：

所述自适应谐波消除模型的输出为所述电流补偿分量i_q-ASHE，根据所述电流补偿分量i_q-ASHE和两相旋转坐标系的相互转换特性获得电流补偿分量i_{d_ASHE}；k表征离散时间索引；w_k表征k时刻权重；

创建所述自适应谐波消除模型还包括，

定义权重迭代算法：

w_k+1表征k+1时刻权重；w_k表征k时刻权重；μ表征自适应增益常数；ε_k表征角速度给定值的跟踪误差；x_k表征k时刻的输入参考信号；ω^*表征给定角速度；ω_m表征永磁同步电机转子角速度；

创建所述自适应谐波消除模型还包括，

定义：

T表征采样周期；ω₀表征要消除的目标角频率；

根据(1)、(2)、(3)获得：

2.如权利要求1所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：还包括，

根据所述永磁同步电机的转子角速度和给定角速度的差异获得给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*，所述给定电流初始值i_d ^*、i_q ^*分别与所述电流分量i_d、i_q做差后通过所述PI控制器调节获得所述给定电压。

3.如权利要求1或2所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：根据反Park变换转换所述给定电压，并基于空间电压矢量脉宽调制技术输出逆变器的开关管控制信号，通过所述逆变器驱动所述永磁同步电机运行。

4.如权利要求1或2所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：还包括，

光电编码器测量所述永磁同步电机的转子位置角，根据所述转子位置角获得所述永磁同步电机的转子角速度。

5.一种永磁同步电机矢量控制设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器内并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有永磁同步电机矢量控制程序，所述永磁同步电机矢量控制程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的具备电流误差校正的永磁同步电机矢量控制方法。

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