CN1976211A - 永磁同步电动机的混合式调速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的永磁同步电动机的混合式调速方法，依据凸极式永磁同步电动机转矩特性，即对负载扰动具有功角调节的能力，将他控调速方法运用到永磁同步电动机速度调节中，在永磁同步电动机起动时，采用自控式矢量控制调速，当电动机进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，由自控调速切入他控调速。采用他控调速时，直接根据给定速度输出相应频率的电压矢量，相当于速度开环控制，较自控调速取消了测速、速度调节器和电流调节器等环节，消除了上述环节的误差。他控调速时，随负载扰动功角自动调节实现调速，转速精度高。该调速方法尤其适用于电机稳态运行时负载变化不大、且要求高转速精度的伺服场合。

Description

永磁同步电动机的混合式调速方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电动机的调速方法，特别是对稳态时转速精度要求较高的凸极式永磁同步电动机的调速方法。
背景技术
目前，自控式矢量控制是永磁同步电动机的一种主要调速方法，该方法的调速系统为速度环和电流环双环调节，其中，电流环有交轴电流和直轴电流两个调节器(如图1所示)。调节步骤是：速度给定nr与速度反馈n取误差做速度PI(比例积分)运算，得到定子交轴电流分量给定值iqr，该值与反馈的交轴电流分量iq取误差做交轴电流PI运算，得到定子交轴电压分量uq；通常将定子直轴电流分量idr给定为零，该值与反馈的直轴电流分量id取误差做直轴电流PI运算，得到定子直轴电压分量ud；将定子交、直轴电压分量合成为一个电压矢量经Park反变换后，通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器施加电压到电机(PMSM)上。其中，转子位置通过位置传感器检测得到，反馈转速n通过转子位置θ计算得到，反馈交、直轴电流iq和id由实际定子三相电流经dq0变换得到。
此种调速方法的缺点是：存在位置检测误差、进而存在测速误差；存在电流检测误差、进而反馈的交、直轴电流有误差；调节器性能与比例、积分参数相关，而一组PI参数不能兼顾到电机的动态和稳态性能。
位置、测速、电流反馈误差的存在和调节器按照误差进行调节的特性使得电机转速在给定值附近波动、甚至会偏离给定值，电机转速精度难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电动机的混合式调速方法，以实现在电机稳态运行时消除因位置检测误差、测速误差、电流检测误差以及调节器自身特性造成的电机转速误差，提高转速的调节精度。
为达上述目的，本发明依据永磁同步电机的凸极性，即最大电磁转矩点所对应的转矩角(电流矢量与直轴的夹角)在[90°，135°]区间内，最大转矩点对应的功角(电压矢量与交轴的夹角)也在一个区间内，利用他控调速拓宽该功角区间可调节转矩，采用自控调速和他控调速相结合的调速方法。
本发明的永磁同步电动机的混合式调速方法，其特征是在永磁同步电动机起动时，采用自控式矢量控制调速，当电动机进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，锁定输出电压矢量的交轴分量uq、直轴分量ud和转子位置角θ0，由自控调速切入他控调速，以切入时刻的转子位置角θ0为初始值，按给定速度nr计算出自给定的转子位置角θ′，将交轴电压分量uq和直轴电压分量ud经Park反变换后，通过空间矢量脉宽调制逆变器施加电压到电机上，每次施加电压之前，检测实际转子位置角θ，将θ′与θ的角差Δθ与功角初值δ0相加得到实际功角值δ，判断δ范围，若δ在设定的他控调速区间[δ-，δ+]，则继续采用他控调速，若超出了他控调速区间，则切换到自控调速，当电机再次进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，再次切入他控调速，重复上述过程；上述的δ0、uq和ud分别为自控调速切入他控调速时刻的功角初值、电压矢量的交轴分量uq和直轴分量ud，δ-、δ+分别为设定的功角下限值和上限值。
上述的他控调速区间[δ-，δ+]中，δ+对应的转矩角β在90°～βmax范围内，βmax按下式计算
                 Temax＝1.5P[ψfiq+0.5(Ld-Lq)is 2sin2βmax]
式中，Temax是最大电磁转矩值，P是电机极对数，ψf是永磁磁链幅值，iq是交轴电流值，Ld、Lq分别是定子直轴和交轴电感值，is是电流矢量幅值。
δ-对应的转矩角β在0°～90°范围内，为减小电流损耗，δ-对应的转矩角β以接近90°为宜。
本发明的有益效果在于：
本发明采用自控调速和他控调速相结合的调速方法，在永磁同步电动机起动时，采用自控调速，当电机进入稳态，采用他控调速，直接根据给定速度输出相应频率的电压矢量，相当于速度开环控制，较自控调速取消了测速、速度调节器和电流调节器等环节，消除了上述环节的误差。他控调速时，随负载扰动功角自动调节实现调速，转速精度高。该调速方法尤其适用于电机稳态运行时负载变化不大、且要求高转速精度的伺服场合。
附图说明
图1是自控式矢量控制系统框图；
图2是自控式矢量控制系统矢量图，图中，a为定子A相绕组轴线，Vs为电压矢量，is为电流矢量，θ为转子位置角，d为转子直轴，q为转子交轴；
图3是凸极式永磁同步电机电磁转矩-转矩角关系曲线，图中，曲线1为永磁转矩、2为磁阻转矩、3为合成电磁转矩，交点A为转矩角β＝90°时的转矩值；
图4是凸极式永磁同步电机电磁转矩-功角关系曲线，图中，虚线对应转矩角β＝90°时功角值δ0、转矩值为A点，左实线对应他控运行下限功角值δ-、转矩值为B点，右实线对应他控运行上限功角值δ+、转矩值为C点；
图5是他控式矢量控制系统框图，图中，ud、uq分别为自控调速切入他控调速时锁定的电压矢量的直、交轴分量，θ′和θ分别为他控调速时自给定的转子位置角和实际的转子位置角；
图6是他控式矢量控制系统矢量图，图中，a为定子A相绕组轴线，d′为他控调速自给定转子位置角产生的虚拟d轴，Vs′为他控调速时的电压矢量，Vs为自控切入他控时的电压矢量，Δδ为功角变化值，q为转子交轴，θ′和θ分别为他控调速时自给定的转子位置角和实际的转子位置角。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
本发明的永磁同步电动机的混合式调速方法：在永磁同步电动机起动时，采用传统的自控＝式矢量控制方法(如图1)，系统由一个速度外环和两个电流内环实现调速，为id0转子磁场定向方案，矢量图如图2。
当电动机进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，锁定输出电压矢量的交轴分量uq、直轴分量ud和转子位置角θ0，由自控调速切入他控调速(参见图5、图6)，以切入时刻的转子位置角θ0为初始值，按给定速度nr计算出自给定的转子位置角θ′，在每个调速周期内，θ′按下式计算
                   θk′＝θk-1′+Δθ′
式中，θk-1′、θk′分别为上一周期和本周期的自给定转子位置角，Δθ′为根据给定转速计算出来的角度增量，按下式计算
                   Δθ′＝k·nr·θmin
式中，nr是给定速度，θmin是最小角度增量，k是系数。
根据自给定转子位置角θ′，将交轴电压分量uq和直轴电压分量ud(合成电压矢量Vs′)经Park反变换后，通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器施加电压到电机(PMSM)上。
在每个调速周期内，功角δk按下式计算
                 δk＝δ0+θk′-θk
式中，δ0是切入时刻的功角值，θk是本周期的实际转子位置角。
判断δk范围，若δk在设定的他控调速区间[δ-，δ+]，则继续采用他控调速，若超出了他控调速区间，则切换到自控调速以免失步，当电机再次进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，再次切入他控调速，重复上述过程。
在上述的他控调速区间[δ-，δ+]中，δ+对应的转矩角β在90°～βmax范围内，βmax按下式计算
                 Temax＝1.5P[ψfiq+0.5(Ld-Lq)is 2sin2βmax]
式中，Temax是最大电磁转矩值，P是电机极对数，ψf是永磁磁链幅值，iq是交轴电流值，Ld、Lq分别是定子直轴和交轴电感值，is是电流矢量幅值。
δ-对应的转矩角β在0°～90°范围内，为减小电流损耗，δ-对应的转矩角β以接近90°为宜。

Claims (3)

1.永磁同步电动机的混合式调速方法，其特征是在永磁同步电动机起动时，采用自控式矢量控制调速，当电动机进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，锁定输出电压矢量的交轴分量uq、直轴分量ud和转子位置角θ0，由自控调速切入他控调速，以切入时刻的转子位置角θ0为初始值，按给定速度nr计算出自给定的转子位置角θ′，将交轴电压分量uq和直轴电压分量ud经Park反变换后，通过空间矢量脉宽调制逆变器施加电压到电机上，每次施加电压之前，检测实际转子位置角θ，将θ′与θ的角差Δθ与功角初值δ0相加得到实际功角值δ，判断δ范围，若δ在设定的他控调速区间[δ-，δ+]，则继续采用他控调速，若超出了他控调速区间，则切换到自控调速，当电机再次进入稳态，在反馈转速达到给定速度值时刻，再次切入他控调速，重复上述过程；上述的δ0、uq和ud分别为自控调速切入他控调速时刻的功角初值、电压矢量的交轴分量uq和直轴分量ud，δ-，δ+分别为设定的功角下限值和上限值。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电动机的混合式调速方法，其特征是δ+对应的转矩角β在90°～βmax范围内，βmax按下式计算
           Temax＝1.5P[ψfiq+0.5(Ld-Lq)is 2sin2βmax]
式中，Temax是最大电磁转矩值，P是电机极对数，ψf是永磁磁链幅值，iq是交轴电流值，Ld、Lq分别是定子直轴和交轴电感值，is是电流矢量幅值；δ-对应的转矩角β在0°～90°范围内。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电动机的混合式调速方法，其特征是δ-对应的转矩角β接近90°。
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