CN114977930A - 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，应用于包含电流获取子系统、电流预测子系统、逆变控制子系统、第一电流环PI调节器、第二电流环PI调节器和自适应扰动观测器的永磁同步电机矢量控制系统中，其方法包括：通过电流获取子系统获取第一电流分量和第二电流分量；通过电流预测子系统生成第一电流分量预测值和第二电流分量预测值；通过自适应扰动观测器生成第一扰动结果和第二扰动结果；通过第一电流环PI调节器运算得到第一电压分量；通过第二电流环PI调节器运算得到第二电压分量；通过逆变控制子系统将第一电压分量和第二电压分量转换成三相电流信号。本发明通过引入自适应扰动观测器，提高永磁同步电机矢量控制系统的抗干扰能力。

Description

一种永磁同步电机矢量控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体是涉及一种永磁同步电机矢量控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、结构简单、效率高等诸多优点，在数控机床、医疗器械、航空航天等领域得到广泛应用。永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂对象，但是目前利用常规PI控制方式所构建的电机控制系统无法适应于外界扰动因素影响，无法满足高性能控制的要求。其中，常规PI控制方式主要表现为：利用速度环PI调节器计算得到给定的q轴电流信号，再利用电流环PI调节器根据q轴电流信号以及给定数值为零的d轴电流信号进行计算得到给定电压分量，最后利用空间电压矢量脉宽调制技术将该给定电压分量转换为逆变器的开关控制信号。
发明内容
本发明提供一种永磁同步电机矢量控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明实施例提供一种永磁同步电机矢量控制方法，应用于永磁同步电机矢量控制系统中，所述系统包括电流获取子系统、电流预测子系统、逆变控制子系统、第一电流环PI调节器、第二电流环PI调节器和自适应扰动观测器；所述方法包括：
步骤100、通过所述电流获取子系统对永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量和第二电流分量进行获取；
步骤200、通过所述电流预测子系统生成所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值和第二电流分量预测值；
步骤300、通过所述自适应扰动观测器生成所述第一电流分量所对应的第一扰动结果以及所述第二电流分量所对应的第二扰动结果；
步骤400、通过所述第一电流环PI调节器结合所述第一电流分量、所述第一电流分量预测值和所述第一扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电压分量；
步骤500、通过所述第二电流环PI调节器结合所述第二电流分量、所述第二电流分量预测值和所述第二扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第二电压分量；
步骤600、通过所述逆变控制子系统将所述第一电压分量和所述第二电压分量转换成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
进一步地，所述永磁同步电机的内部设置有位置传感器，所述位置传感器用于测量转子位置。
进一步地，所述电流获取子系统包括Clark变换模块和第一Park变换模块，所述步骤100的实现过程包括：
通过所述Clark变换模块将所述逆变控制子系统所提供的三相电流信号转换为在静止坐标系下的定子电流分量；
通过所述第一Park变换模块根据所述转子位置将所述定子电流分量转换为在dq坐标系下的第一电流分量和第二电流分量。
进一步地，所述电流预测子系统包括速度计算模块、MTPA控制模块和速度环PI调节器，所述步骤200的实现过程包括：
通过所述速度计算模块对所述转子位置进行计算，得到电机实际转速；
通过所述速度环PI调节器根据给定电机转速和所述电机实际转速之间的差值进行计算，生成给定电流值；
通过所述MTPA控制模块结合所述给定电流值进行计算，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值和第二电流分量预测值。
进一步地，在所述步骤300中，所述自适应扰动观测器采用的计算公式为：
Figure BDA0003722586640000021
其中，fd为第一扰动结果，fq为第二扰动结果，ΔRs为电机定子电阻的变化量，id为第一电流分量，ΔLs为电机定子侧电感的变化量，tr为电机转子转过一圈所耗费的时间，v为电机转子的线速度，iq为第二电流分量，εd为未建模动态在dq坐标系下的d轴所引起的不确定量，Δψ为电机内部永磁体的磁通变化量，εq为未建模动态在dq坐标系下的q轴所引起的不确定量。
进一步地，在所述步骤400中，所述第一电流环PI调节器所对应的第一输入参数为：
Figure BDA0003722586640000031
其中，Δid为第一输入参数，
Figure BDA0003722586640000032
为第一电流分量预测值，id为第一电流分量，fd为第一扰动结果。
进一步地，在所述步骤500中，所述第二电流环PI调节器所对应的第二输入参数为：
Figure BDA0003722586640000033
其中，Δiq为第二输入参数，
Figure BDA0003722586640000034
为第二电流分量预测值，iq为第二电流分量，fq为第二扰动结果。
进一步地，所述逆变控制子系统包括第二Park变换模块、SVPWM模块和逆变器模块，所述步骤600的实现过程为：
通过所述第二Park变换模块根据所述转子位置将所述第一电压分量和所述第二电压分量转换为在静止坐标系下的定子电压分量；
通过所述SVPWM模块将所述定子电压分量转换为六路PWM信号；
通过所述逆变器模块根据所述六路PWM信号生成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
本发明至少具有以下有益效果：通过引入自适应扰动观测器根据永磁同步电机在dq坐标系下的电流分量生成相关联的扰动信号，并在第一电流环PI调节器和第二电流环PI调节器的运行过程中加入该扰动信号，可以提高整个永磁同步电机矢量控制系统的抗干扰能力，达到高性能控制永磁同步电机的目的。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明实施例中的永磁同步电机矢量控制系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的永磁同步电机矢量控制系统的具体结构示意图；
图3是本发明实施例中的一种永磁同步电机矢量控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
请参考图1，图1是本发明实施例提供的一种永磁同步电机矢量控制系统，所述系统包括电流获取子系统、电流预测子系统、逆变控制子系统、第一电流环PI(Proportion-Integral，比例-积分)调节器、第二电流环PI调节器和自适应扰动观测器。
基本的，基于永磁同步电机(简称为PMSM，Permanent Magnet SynchronousMotor)的内部设置有用于测量转子位置的位置传感器，所述位置传感器与所述电流预测子系统连接，所述电流预测子系统与所述第一电流环PI调节器连接，所述电流预测子系统与所述第二电流环PI调节器连接；所述逆变控制子系统与所述电流获取子系统连接，所述位置传感器与所述电流获取子系统连接，所述电流获取子系统与所述第一电流环PI调节器连接，所述电流获取子系统与所述第二电流环PI调节器连接；所述电流获取子系统与所述自适应扰动观测器连接，所述自适应扰动观测器与所述第一电流环PI调节器连接，所述自适应扰动观测器与所述第二电流环PI调节器连接；所述第一电流环PI调节器与所述逆变控制子系统连接，所述第二电流环PI调节器与所述逆变控制子系统连接，所述位置传感器与所述逆变控制子系统连接，所述逆变控制子系统连接与所述永磁同步电机连接以进行供电。
在本发明实施例中，如图2所示，所述电流获取子系统包括Clark变换模块和第一Park变换模块，所述电流预测子系统包括MTPA(Maximum Torque Per Ampere，最大转矩电流比)控制模块、速度计算模块和速度环PI调节器，所述逆变控制子系统包括第二Park变换模块、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模块和逆变器模块。
其中，在所述速度计算模块与所述速度环PI调节器之间设置一个加法器，该加法器实际可内置于所述速度环PI调节器，其输出结果直接作为所述速度环PI调节器的输入参数；在所述MTPA控制模块与所述第一电流环PI调节器之间设置两个加法器，该两个加法器实际可内置于所述第一电流环PI调节器，其最终输出结果直接作为所述第一电流环PI调节器的输入参数；在所述MTPA控制模块与所述第二电流环PI调节器之间设置两个加法器，该两个加法器实际可内置于所述第二电流环PI调节器，其最终输出结果直接作为所述第二电流环PI调节器的输入参数。
基于图1至图2提供的永磁同步电机矢量控制系统，图3是本发明实施例提供的一种永磁同步电机矢量控制方法的流程示意图，所述方法包括如下步骤：
步骤100、通过所述电流获取子系统对永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量和第二电流分量进行获取。
在本发明实施例中，所述步骤100的实现过程包括：首先，通过所述Clark变换模块将所述逆变控制子系统所提供的三相电流信号(即A相电流信号ia、B相电流信号ib和C相电流信号ic)转换为在静止坐标系下的定子电流分量(即α轴电流信号iα和β轴电流信号iβ)，其中所述静止坐标系为α-β轴两相静止坐标系；其次，通过所述第一Park变换模块根据所述位置传感器测量得到的转子位置θr将所述定子电流分量转换为在dq坐标系下的第一电流分量id和第二电流分量iq。
步骤200、通过所述电流预测子系统生成所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值和第二电流分量预测值。
在本发明实施例中，所述步骤200的实现过程包括：首先，通过所述速度计算模块对所述位置传感器测量得到的转子位置θr进行计算，得到电机实际转速ω；其次，通过所述速度环PI调节器根据给定电机转速ω*和所述电机实际转速ω之间的差值进行计算，生成给定电流值
Figure BDA0003722586640000051
最后，通过所述MTPA控制模块结合所述给定电流值
Figure BDA0003722586640000052
进行计算，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值
Figure BDA0003722586640000061
和第二电流分量预测值
Figure BDA0003722586640000062
在本发明实施例中，所述MTPA控制模块内部所提供的预测模型如下：
Figure BDA0003722586640000063
其中，ψ为电机内部永磁体的磁通量，Ld为d轴电感分量，Lq为q轴电感分量。
步骤300、通过所述自适应扰动观测器生成所述第一电流分量所对应的第一扰动结果以及所述第二电流分量所对应的第二扰动结果。
在本发明实施例中，所述自适应扰动观测器所采用的计算公式为：
Figure BDA0003722586640000064
其中，fd为第一扰动结果，fq为第二扰动结果，ΔRs为电机定子电阻的变化量，ΔLs为电机定子侧电感的变化量，tr为电机转子转过一圈所耗费的时间，v为电机转子的线速度，εd为未建模动态在dq坐标系下的d轴所引起的不确定量，Δψ为电机内部永磁体的磁通变化量，εq为未建模动态在dq坐标系下的q轴所引起的不确定量。
步骤400、通过所述第一电流环PI调节器结合所述第一电流分量、所述第一电流分量预测值和所述第一扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电压分量。
在本发明实施例中，所述步骤400的实现过程包括：首先，根据所述第一电流分量id、所述第一电流分量预测值
Figure BDA0003722586640000065
和所述第一扰动结果fd，获取到所述第一电流环PI调节器所对应的第一输入参数为
Figure BDA0003722586640000066
其次，利用所述第一电流环PI调节器对所述第一输入参数Δid进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电压分量
Figure BDA0003722586640000067
步骤500、通过所述第二电流环PI调节器结合所述第二电流分量、所述第二电流分量预测值和所述第二扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第二电压分量。
在本发明实施例中，所述步骤500的实现过程包括：首先，根据所述第二电流分量iq、所述第二电流分量预测值
Figure BDA0003722586640000071
和所述第二扰动结果fq，获取到所述第二电流环PI调节器所对应的第二输入参数为
Figure BDA0003722586640000072
其次，利用所述第二电流环PI调节器对所述第二输入参数Δiq进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第二电压分量
Figure BDA0003722586640000073
步骤600、通过所述逆变控制子系统将所述第一电压分量和所述第二电压分量转换成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
在本发明实施例中，所述步骤600的实现过程包括：首先，通过所述第二Park变换模块根据所述位置传感器测量得到的转子位置θr将所述第一电压分量
Figure BDA0003722586640000074
和所述第二电压分量
Figure BDA0003722586640000075
转换为在静止坐标系下的定子电压分量(即α轴电压信号uα和β轴电压信号uβ)；其次，通过所述SVPWM模块将所述定子电压分量转换为六路PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号；最后，通过所述逆变器模块根据所述六路PWM信号生成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
在本发明实施例中，通过引入自适应扰动观测器根据永磁同步电机在dq坐标系下的电流分量生成相关联的扰动信号，并在第一电流环PI调节器和第二电流环PI调节器的运行过程中加入该扰动信号，可以提高整个永磁同步电机矢量控制系统的抗干扰能力，达到高性能控制永磁同步电机的目的。
尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，应用于永磁同步电机矢量控制系统中，所述系统包括电流获取子系统、电流预测子系统、逆变控制子系统、第一电流环PI调节器、第二电流环PI调节器和自适应扰动观测器；所述方法包括：
步骤100、通过所述电流获取子系统对永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量和第二电流分量进行获取；
步骤200、通过所述电流预测子系统生成所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值和第二电流分量预测值；
步骤300、通过所述自适应扰动观测器生成所述第一电流分量所对应的第一扰动结果以及所述第二电流分量所对应的第二扰动结果；
步骤400、通过所述第一电流环PI调节器结合所述第一电流分量、所述第一电流分量预测值和所述第一扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电压分量；
步骤500、通过所述第二电流环PI调节器结合所述第二电流分量、所述第二电流分量预测值和所述第二扰动结果进行运算处理，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第二电压分量；
步骤600、通过所述逆变控制子系统将所述第一电压分量和所述第二电压分量转换成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机的内部设置有位置传感器，所述位置传感器用于测量转子位置。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述电流获取子系统包括Clark变换模块和第一Park变换模块，所述步骤100的实现过程包括：
通过所述Clark变换模块将所述逆变控制子系统所提供的三相电流信号转换为在静止坐标系下的定子电流分量；
通过所述第一Park变换模块根据所述转子位置将所述定子电流分量转换为在dq坐标系下的第一电流分量和第二电流分量。
4.根据权利要求2所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述电流预测子系统包括速度计算模块、MTPA控制模块和速度环PI调节器，所述步骤200的实现过程包括：
通过所述速度计算模块对所述转子位置进行计算，得到电机实际转速；
通过所述速度环PI调节器根据给定电机转速和所述电机实际转速之间的差值进行计算，生成给定电流值；
通过所述MTPA控制模块结合所述给定电流值进行计算，得到所述永磁同步电机在dq坐标系下的第一电流分量预测值和第二电流分量预测值。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤300中，所述自适应扰动观测器采用的计算公式为：
Figure FDA0003722586630000021
其中，fd为第一扰动结果，fq为第二扰动结果，ΔRs为电机定子电阻的变化量，id为第一电流分量，ΔLs为电机定子侧电感的变化量，tr为电机转子转过一圈所耗费的时间，v为电机转子的线速度，iq为第二电流分量，εd为未建模动态在dq坐标系下的d轴所引起的不确定量，Δψ为电机内部永磁体的磁通变化量，εq为未建模动态在dq坐标系下的q轴所引起的不确定量。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤400中，所述第一电流环PI调节器所对应的第一输入参数为：
Figure FDA0003722586630000022
其中，Δid为第一输入参数，
Figure FDA0003722586630000023
为第一电流分量预测值，id为第一电流分量，fd为第一扰动结果。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤500中，所述第二电流环PI调节器所对应的第二输入参数为：
Figure FDA0003722586630000024
其中，Δiq为第二输入参数，
Figure FDA0003722586630000025
为第二电流分量预测值，iq为第二电流分量，fq为第二扰动结果。
8.根据权利要求2所述的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述逆变控制子系统包括第二Park变换模块、SVPWM模块和逆变器模块，所述步骤600的实现过程为：
通过所述第二Park变换模块根据所述转子位置将所述第一电压分量和所述第二电压分量转换为在静止坐标系下的定子电压分量；
通过所述SVPWM模块将所述定子电压分量转换为六路PWM信号；
通过所述逆变器模块根据所述六路PWM信号生成所述永磁同步电机所需的三相电流信号。
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Citations (9)

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