CN113114080B - 一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法，属于永磁同步电机技术领域，根据测量的两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β以及电流信号I_α、I_β，观测出此时的两相静止坐标系下定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e；根据速度环PI调节器输出转矩给定值T_e ^*以及电磁转矩T_e，得出转矩差值ΔT_e＝T_e ^*‑T_e；根据转矩控制需求，预测出转矩控制效果最优并且励磁电流为零的目标定子磁链，计算出旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq，经坐标变换矩阵得出两相静止坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；结合空间矢量调制模块，调制出用于将给定参考电压矢量合成三相开关PWM脉冲，经逆变器作用于永磁同步电机。本发明以预测磁链的方式，精确计算参考电压矢量，以此空间矢量调制技术，提高控制精度，降低转矩脉动。

Description

一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机因其损耗小、效率高、功率密度高等诸多优点使得其在高性能交流调速场合得到广泛应用。

与矢量控制相比，直接转矩控制直接以电机转矩为控制目标，减弱了对电机参数的依赖性，不要求严格的磁场定向，具有优良的动态响应性能。

传统无磁链环直接转矩控制从转矩控制思想和电压矢量的选取原则对传统直接转矩控制进行改进，省去了磁链控制环，电机运行中不要求保持定子磁链幅值恒定，磁链幅值能够随着负载的情况自适应变化，减小了励磁电流，提高了功率因素。

但传统无磁链环采用滞环控制的方式，存在控制精度不高，转矩脉动较大的问题。并且定子磁链限幅策略需要同时检测定子磁链与转子磁链的位置，在两套电压矢量选择表之间频繁切换，复杂性较高，存在改善的空间。

发明内容

发明目的：通过预测转矩效果最优并且无励磁电流的目标定子磁链，并结合空间矢量调制技术，解决传统无磁链环控制方式转矩脉动大、开关表切换繁琐的问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法，包括如下步骤：

1)根据测量的电压信号U_α、U_β以及电流L_α、L_β，输入到定子磁链观测模块以及转矩估算模块，观测出此时的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e；

2)根据速度环PI调节器输出转矩给定值

以及步骤1)的电磁转矩T_e，得出转矩差值/>

3)根据转矩控制需求，预测出转矩控制效果最优并且励磁电流为零的目标定子磁链，计算出旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq，经坐标变换矩阵得出两相坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；

4)结合空间矢量调制模块，调制出用于将给定参考电压矢量合成三相开关PWM脉冲，经逆变器作用于永磁同步电机。

进一步地，该方法基于永磁同步电机无磁链环直接转矩控制系统，所述的控制系统包括：

位置观测模块，用于读取电机轴部光电编码器信号，实时读取电机转子的空间位置θ_e，并计算出电机的机械角速度ω_m，可为速度调节器提供速度反馈信号以及为坐标变换模块提供角度信号θ_e；

速度环PI调节器，根据给定的速度控制信号n^*以及位置观测模块计算的速度反馈信号n，由转速误差调制出永磁同步电机转速控制所需的转矩给定值

坐标变换模块，包括采用Clark变换将采集到线电流I_A、I_B转换成两相坐标系下的I_α、I_β，采用Park变换将两相坐标系下的磁链估算值ψ_sα与ψ_sβ变换成旋转坐标系下的ψ_sd与ψ_sq，以及采用反Park变换将给定参考电压矢量U_sd与U_sq变换成两相坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；

定子磁链观测模块，用于根据两相坐标系下的电压U_α、U_β与电流I_α、I_β，观测出两相坐标系下的定子磁链值ψ_sα与ψ_sβ；

转矩估算模块，用于根据估算定子磁链值ψ_sα、ψ_sβ以及电流I_α、I_β估算出电机的电磁转矩T_e；

参考矢量生成模块，实现无磁链环控制方式，根据转矩控制需求以及预测的目标定子磁链，计算出参考电压矢量U_sd与U_sq；

空间矢量调制模块，用于将给定参考电压矢量U_sα与U_sβ，调制成驱动逆变器的PWM脉冲信号；

逆变器模块，用于为永磁同步电机提供电压，根据三相开关PWM脉冲实现对三相开关的控制。

进一步地，所述的步骤1)中，定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e的计算过程如下；

其中，U_α、U_β为电压矢量在两相静止坐标系上的分量；I_a、I_β为定子电压在两相静止坐标系上的分量；由定子磁链观测值得到电磁转矩T_e；

其中，ψ_α、ψ_β为定子磁链在两相静止坐标系上的分量；P_n为电机的极对数。

进一步地，所述的步骤3)中，所述的坐标变换矩阵如下，包括三相静止至两相静止的Clark变化T_3s/2s、两相静止至两相旋转的Park变换T_2s/2r以及相应的逆变换；

其中θ为电机的转子电角度；则电磁转矩T_e表达式如式(5)所示：

其中ψ_s是定子磁链幅值，ψ_f是转子磁链幅值，定转子磁链之间的转矩角为δ，L_s为电机直交轴电感；定子磁链交轴分量ψ_sq表示为：

ψ_sq＝ψ_s sinδ (6)

根据式(5)和式(6)，得式(7)：

式(7)的微分得式(8)：

当忽略定子电阻上的压降时，定子磁链微分方程表示为：

其中u_sd与u_sq分别为电压矢量交直轴分量；

将式(9)带入式(8)，得式(10)：

将单个周期内转矩的变化量进行离散化可得单个周期内满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

其中T_s为控制周期，ΔT_e为转矩在控制周期离散化增量；

式(11)即为满足转矩控制需求的最优交轴电压矢量，式(11)所作用的电压矢量GE将在下个控制周期时刻的定子磁链为OE。

进一步地，根据所述的式(3)，转矩与定子磁链交轴分量的有关，此时的磁链OF与OE转矩效果一致，而OF的直轴分量大小只有转子磁链ψ_f，无励磁电流作用效果；因此根据转矩最优的且定子磁链直轴分量为转子磁链值的目标定子磁链OF，反推出前一时刻所需的空间电压矢量，真正作用的电压矢量应该为GF；结合三角函数关系得：

在一个控制周期内，转子磁链偏移的电角度Δθ为：

Δθ＝ω_eT_s (12)

其中ω_e是电角速度；

由式(11)得出的满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

由三角函数关系，推出：

/>

其中ψ_ssd(n-1)与ψ_ssq(n-1)是分别为上一控制周期内所计算的定子磁链交直轴分量；

预测转矩控制最优且励磁电流为零的目标定子磁链，作用的电压矢量为GF直轴和交轴分量分别为：

发明原理：一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法，其特征在于永磁同步电机转矩和定子磁链交轴分量成正比，控制定子磁链交轴分量即可实现对电机转矩的直接控制，对其直轴分量没有控制要求；由于定子磁链直轴分量与永磁体磁链以及励磁电流有关，无效的定子磁链直轴分量会增加励磁电流；本发明通过预测转矩控制最优且励磁电流为零的目标定子磁链，并以此结合空间电压矢量调制技术，精确计算出参考电压矢量。预测励磁电流为零的方式可以带来电机转矩响应的快速性的同时，对励磁电流拥有很好的控制效果，能够使得电机稳定的高功率因素运行的同时，拥有很低的转矩脉动。

有益效果：相比传统无磁链环采用滞环的控制方式，本发明以预测磁链的方式，精确计算参考电压矢量，并以此空间矢量调制技术，能够有效提高控制精度，大大降低转矩脉动；相比于传统无磁链环磁链采样两套开关表切换方式进行定子磁链限幅，本发明通过预测转矩效果最优并且无励磁电流的目标定子磁链，励磁电流控制效果更好，保证电机能够稳定高功率因素运行。

附图说明

图1为永磁同步电机各坐标系的关系示意图；

图2为本发明无磁链环直接转矩控制结构示意图；

图3为本发明无磁链环直接转矩控制参考电压矢量计算方式示意图；

图4为本发明的无磁链环直接转矩控制与传统无磁链环直接转矩控制空载至加载时转矩波形对比图；

图5为本发明的无磁链环直接转矩控制与传统无磁链环直接转矩控制空载至加载时励磁电流波形对比图；

图6为传统直接转矩控制和本发明的直接转矩控制定子磁链轨迹仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中符号名称：αβ-两相静止坐标系，dq-两相旋转坐标系，ψ_s电机定子磁链矢量，ψ_r转子永磁体磁链矢量，θ_s定子磁链相对于α轴角度，θ_r转子磁链相对于α轴角度，δ定子磁链和转子磁链之间的夹角，U_1～6六个运动电压矢量。

图3中符号名称：ψ_s(n)、ψ_s(n-1)、ψ_r(n)、ψ_r(n-1)分别为控制周期前后定转子磁链矢量位置，θ_s、θ_r分别控制周期前定转子磁链相对于α轴角度，Δψ_s为磁链矢量差，ω_e为电角速度，Δθ_e为控制周期内转子磁链旋转的电角度。

本发明无磁链环直接转矩控制方法，基于控制模块包括：

位置观测模块，用于读取电机轴部光电编码器信号，实时读取电机转子的空间位置θ_e，并计算出电机的机械角速度ω_m，可为速度调节器提供速度反馈信号以及为坐标变换模块提供角度信号θ_e；

速度环PI调节器，根据速度给定信号n^*以及位置观测模块计算的速度反馈信号n，由转速误差调制出永磁同步电机转速控制所需的转矩给定值

坐标变换模块，包括采用Clark变换将采集到线电流I_A、I_B转换成两相坐标系下的I_α、I_β，采用Park变换将两相坐标系下的磁链估算值ψ_sα与ψ_sβ变换成旋转坐标系下的ψ_sd与ψ_sq，以及采用反Park变换将给定参考电压矢量U_sd与U_sq变换成两相坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；

定子磁链观测模块，用于根据两相坐标系下的电压U_α、U_β与电流I_α、I_β，观测出两相坐标系下的定子磁链值ψ_sα与ψ_sβ；

转矩估算模块，用于根据估算定子磁链值ψ_sα、ψ_sβ以及电流I_α、I_β估算出电机的电磁转矩T_e；

参考矢量生成模块，实现无磁链环控制方式，根据转矩控制需求以及预测的目标定子磁链，计算出参考电压矢量U_sd与U_sq；

空间矢量调制模块，用于将给定参考电压矢量U_sα与U_sβ，调制成驱动逆变器的PWM脉冲信号；

逆变器模块，用于为永磁同步电机提供电压，根据三相开关PWM脉冲实现对三相开关的有效控制。

在本实施方式中，控制框图如图2所示。根据所测量的电压信号U_α、U_β以及电流I_α、I_β，输入到定子磁链观测模块以及转矩估算模块，观测出此时的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e。根据速度环PI调节器输出转矩给定值T_e ^*以及估算的电磁转矩T_e，得出转矩差值ΔT_e。据此预测出转矩控制效果最优并且励磁电流为零的目标定子磁链，精确计算出旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq，经坐标变化得出两相坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ，结合空间矢量调制模块，调制出用于将给定参考电压矢量合成三相开关PWM脉冲，经逆变器作用于所控永磁同步电机。

本发明无磁链环直接转矩控制参考电压矢量预测原理如下：

1)根据所测量的电压信号U_α、U_β以及电流I_α、I_β，输入到定子磁链观测模块以及转矩估算模块，观测出此时的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e，磁链的观测公式由式(1)得出；

其中，U_α、U_β为电压矢量在两相静止坐标系上的分量；I_α、I_β为定子电压在两相静止坐标系上的分量；ψ_α、ψ_β为定子磁链在两相静止坐标系上的分量。

由定子磁链观测值对转矩进行估算公式由式(2)得出；

其中P_n为电机的极对数。

2)根据速度环PI调节器输出转矩给定值T_e ^*以及步骤1)估算的电磁转矩T_e，得出转矩差值ΔT_e，据此转矩控制需求，预测出转矩控制效果最优并且励磁电流为零的目标定子磁链，计算出旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq，经坐标变化得出两相坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；坐标变换矩阵如下，包括三相静止至两相静止的Clark变化(T_3s/2s)、两相静止至两相旋转的Park变换(T_2s/2r)以及相应的逆变换；

其中θ为电机的转子电角度。

3)结合空间矢量调制模块，调制出用于将给定参考电压矢量合成三相开关PWM脉冲，经逆变器作用于所控永磁同步电机。

对于星形连结的表贴式永磁同步电机，电磁转矩T_e表达式如式(5)所示：

其中ψ_s是定子磁链幅值，ψ_f是转子磁链幅值，定转子磁链之间的转矩角为δ，L_s为电机直交轴电感；

定子磁链交轴分量ψ_sq表示为：

ψ_sq＝ψ_ssinδ (6)

根据式(5)和式(6)，可得式(7)：

式(7)的微分得式(8)：

当忽略定子电阻上的压降时，定子磁链微分方程表示为：

其中u_sd与u_sq分别为电压矢量交直轴分量；

将式(9)带入式(8)，得式(10)：

将单个周期内转矩的变化量进行离散化可得单个周期内满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

其中T_s为控制周期，ΔT_e为转矩在控制周期离散化增量；

式(11)即为满足转矩控制需求的最优交轴电压矢量，结合图(3)，式(11)所作用的电压矢量GE将在下个控制周期时刻的定子磁链为OE。根据式(3)可知，转矩只跟定子磁链交轴分量的有关。由此发现，此时的磁链OF与OE转矩效果一致，而OF的直轴分量大小只有转子磁链ψ_f，无励磁电流作用效果；因此根据转矩最优的且定子磁链直轴分量为转子磁链值的目标定子磁链OF，反推出前一时刻所需的空间电压矢量，真正作用的电压矢量应该为GF。

由图(3)结合三角函数关系得：

在一个控制周期内，转子磁链偏移的电角度Δθ为：

Δθ＝ω_eT_s (12)

其中ω_e是电角速度；

由式(11)得出的满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

由三角函数关系，可以推出图(3)中：

其中ψ_sd(n-1)与ψ_sq(n-1)是分别为上一控制周期内所计算的定子磁链交直轴分量；

预测转矩控制最优且励磁电流为零的目标定子磁链，作用的电压矢量为GF直轴和交轴分量分别为：

本发明也进行了仿真实验验证，实验条件给定转速1000rpm，空载启动，在0.5s时突加负载转矩2N·m。图4为本发明的无磁链环直接转矩控制(图4a)与传统无磁链环直接转矩控制(图4b)空载至加载时转矩波形对比图；图5为本发明的无磁链环直接转矩控制(图5a)与传统无磁链环直接转矩控制(图5b)空载至加载时励磁电流波形对比图；图6为本发明的无磁链环直接转矩控制空载(图6a)、加载(图6c)与传统无磁链环直接转矩控制空载(图6b)、加载(图6d)时定子磁链轨迹对比图。可以看出基于本发明的方法下，可以有效降低转矩脉动，对励磁电流有更好的控制，控制效果更加良好。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据测量的两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β以及电流信号I_α、I_β，输入到定子磁链观测模块以及转矩估算模块，观测出此时的两相静止坐标系下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ以及电磁转矩T_e；

2)根据速度环PI调节器输出转矩给定值

以及步骤1)的估算电磁转矩T_e，得出转矩差值/>

3)根据转矩控制需求，预测出转矩控制效果最优并且励磁电流为零的目标定子磁链，计算出旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq，经坐标变换矩阵得出两相静止坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；

4)结合空间矢量调制模块，调制出用于将给定参考电压矢量合成三相开关PWM脉冲，经逆变器作用于永磁同步电机；

所述的步骤3)中，所述的坐标变换矩阵如下，包括三相静止至两相静止的Clark变化T_3s/2s、两相静止至两相旋转的Park变换T_2s/2r以及相应的逆变换；

其中θ为电机的转子电角度；

所述的电磁转矩T_e表达式如式(5)所示：

其中ψ_s是定子磁链幅值，ψ_f是转子磁链幅值，定转子磁链之间的转矩角为δ，L_s为电机直交轴电感；

根据所述的定子磁链幅值ψ_s，则定子磁链交轴分量ψ_sq表示为：

ψ_sq＝ψ_ssinδ (6)

根据式(5)和式(6)，得式(7)：

式(7)的微分得式(8)：

当忽略定子电阻上的压降时，定子磁链微分方程表示为：

其中u_sd与u_sq分别为旋转坐标下的参考电压矢量；

将式(9)带入式(8)，得式(10)：

将单个周期内转矩的变化量进行离散化得单个周期内满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

其中T_s为控制周期，ΔT_e为转矩在控制周期离散化增量；式(11)即为满足转矩控制需求的最优交轴电压矢量，式(11)所作用的电压矢量GE将在下个控制周期时刻的定子磁链为OE；

根据所述的式(3)，转矩与定子磁链交轴分量的有关，此时的磁链OF与OE转矩效果一致，而OF的直轴分量大小只有转子磁链ψ_f，无励磁电流作用效果；因此根据转矩最优的且定子磁链直轴分量为转子磁链值的目标定子磁链OF，反推出前一时刻所需的空间电压矢量，真正作用的电压矢量为GF；结合三角函数关系得：

在一个控制周期内，转子磁链偏移的电角度Δθ为：

Δθ＝ω_eT_s (12)

其中ω_e是电角速度；

由式(11)得出的满足转矩控制需求的交轴电压矢量大小为：

由三角函数关系，推出：

其中ψ_sd(n-1)与ψ_sq(n-1)是分别为上一控制周期内所计算的定子磁链交直轴分量；预测转矩控制最优且励磁电流为零的目标定子磁链，作用的电压矢量为GF直轴和交轴分量分别为：

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无磁链环直接转矩控制方法，其特征在于，该方法基于永磁同步电机无磁链环直接转矩控制系统，所述的控制系统包括：

位置观测模块，用于读取电机轴部光电编码器的输出信号，实时计算电机转子的空间位置θ_e以及电机的机械角速度ω_m，为速度调节器提供速度反馈信号以及为坐标变换模块提供角度信号θ_e；

速度环PI调节器，根据给定的速度控制信号n^*以及位置观测模块计算的速度反馈信号n，由转速误差调制出永磁同步电机转速控制所需的转矩给定值

坐标变换模块，包括采用Clark变换将采集到线电流I_A、I_B转换成两相静止坐标系下的I_α、I_β，采用Park变换将两相静止坐标系下的磁链估算值ψ_sα与ψ_sβ变换成旋转坐标系下的ψ_sd与ψ_sq，以及采用反Park变换将给定旋转坐标系下的参考电压矢量U_sd与U_sq变换成两相静止坐标系下的参考电压矢量U_sα与U_sβ；

定子磁链观测模块，用于根据两相静止坐标系下的电压U_α、U_β与电流I_α、I_β，观测出两相坐标系下的定子磁链值ψ_sα与ψ_sβ；

转矩估算模块，用于根据观测的两相静止坐标系下的定子磁链值ψ_sα、ψ_sβ以及电流I_α、L_β估算出电机的电磁转矩T_e；

参考矢量生成模块，实现无磁链环控制方式，根据转矩控制需求以及预测的目标定子磁链，计算出旋转坐标下的参考电压矢量U_sd与U_sq；

空间矢量调制模块，用于将给定的两相静止坐标系下参考电压矢量U_sα与U_sβ，调制成驱动逆变器的PWM脉冲信号；

逆变器模块，用于为永磁同步电机提供电压，根据三相开关PWM脉冲实现对三相开关的控制。

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