CN101286724B - 一种永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩控制方法,技术特征在于:根据磁链和转矩估计器计算当前时刻定子磁链和转矩的估计值,转矩估计值与转矩参考值之间的误差经过一简单的PI调节得到定、转子磁链动态速度差Δωs,再与稳态旋转速度ω之和即可得到定子磁链总的旋转速度,得到了总的磁链旋转速度ωs *后,通过参考磁链计算模型可得到在下一个采样周期给定的参考磁链矢量ψs *。参考磁链矢量ψs *与估计的当前时刻的磁链矢量ψs通过简单的计算可以得到在下一采样周期应施加的空间电压矢量Us *,空间电压矢量Us *再经过空间矢量调制方法产生电压源逆变器的开关信号。有益效果:由于采用空间矢量的概念来分析PMSM的数学模型和控制其各物理量,使问题变得特别简单明了。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩控制方法,是一种利用空间矢量调制的永磁同步电机(PMSM)直接转矩的控制方法,属于交流电机传动技术领域。
背景技术
直接转矩控制是高性能的电机控制方案,在异步电机上已经得到比较成熟的应用,如ABB公司生产的ACS600变频器,有文献将其控制思想应用于永磁同步电机获得了优良的动态特性,但仍然存在以下几个问题:1)由于通常的逆变器只能产生6个有效空间电压矢量和2个零矢量,而在永磁同步电机直接转矩控制的开关表中只利用这6个有效电压矢量来实施控制,可供选择的矢量非常少;2)在同时控制磁链和转矩时,8个空间电压矢量没有一个可以较准确地同时满足***对磁链和转矩的双重要求,会产生较大的磁链和转矩脉动;3)直接转矩控制采用滞环比较器来实施转矩和磁链误差的闭环控制,不可避免会造成功率器件开关频率不固定,影响了功率器件开关频率的最优化使用,在一定程度上造成较大的磁链和转矩脉动。
在《电工技术学报》2002年第17卷第1期7~11页刊登的“永磁同步电机直接转矩控制***理论及控制方案的研究”一文(作者田淳等),对直接转矩控制方法应用于永磁同步电机控制进行了改进,提出了在开关表内容中增加零矢量且将两点式滞环比较器改为三点式滞环比较器的方法,该方法可以在一定程度上减小***的磁链和转矩脉动,但仍然存在前述的三个问题,并没有从根本上得到解决。
在《电气传动》2003年第1期18~21页刊登的“一种恒定开关频率的永磁同步电动机直接转矩控制方法”(作者李练兵等)。该方法利用DSP对功率器件的控制周期是***采样周期的整数倍来实现功率器件开关频率恒定,从而解决了前述的第三个问题。但该技术仍然存在不足:1)由于功率器件的开关周期是***采样周期的整数倍,因此会存在磁链和转矩误差超过所设置的误差范围才实施控制,即不能精确控制磁链和转矩;2)开关表内容仍然存在且还是只能利用最多8个空间电压矢量,无法同时满足***对磁链和转矩的双重要求,因此磁链和转矩脉动仍然较大。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种永磁同步电机直接转矩控制方法,直接在定子坐标系下分析PMSM的数学模型以及控制电机的磁链和转矩,不需要将PMSM与直流电机作比较、等效、转化和像矢量控制那样的旋转坐标变换等复杂的变换和计算。同时由于采用空间矢量的概念来分析PMSM的数学模型和控制其各物理量,使问题变得特别简单明了。
本发明方法的控制原理框图如图1所示。其中,磁链和转矩估计器计算当前时刻定子磁链和转矩的估计值,转矩估计值与转矩参考值之间的误差经过一简单的PI调节器得到定、转子磁链动态速度差Δωs,再与稳态旋转速度ω之和即可得到定子磁链总的旋转速度,即下一个采样周期给定的磁链的参考速度ωs *,在得到了总的磁链旋转速度ωs *后,通过参考磁链计算模型可得到在下一个采样周期给定的参考磁链矢量ψs *。参考磁链矢量ψs *与估计的当前时刻的磁链矢量ψs通过简单的计算可以得到在下一采样周期应施加的空间电压矢量Us *,空间电压矢量Us *再经过空间矢量调制(Space VectorModulation,SVM)发生器产生电压源逆变器的开关信号,从而驱动永磁同步电机。永磁同步电机动态变化过程如图2所示。
技术方案
本发明是一种根据定子磁链和转矩各自误差的大小采用参考磁链计算模型计算出控制这些误差收敛的参考定子电压矢量,再以空间矢量调制(SVM)发生器的方式发出电压逆变器的开关信号,以控制永磁同步电机转矩的方法。技术特征在于它依次含有以下步骤:
(1)根据设定的速度参考值ω*和电机编码器输出的速度反馈值ω进行PI调节,得到参考转矩Te *,(Kp1>0,Ki1>0),其中:eω=ω*-ω;
(3)定转子磁链旋转速度差Δωs与转子速度ω相加得到定子磁链总的旋转速度,即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ωs *;
(4)将ωs *和当前估算的定子磁链ψs采用参考磁链模型得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψs *;所述的参考磁链模型步骤为:
a)由ωs *·Ts相乘得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ;
b)由γs+Δδ相加得在下一时刻参考磁链的相位角γs *;
c)根据得到参考磁链ψs *在静止两相坐标系αβ下的分量;
(7)根据空间矢量调制方法SVM对参考电压矢量Us *进行电压矢量合成,得到逆变器所需要的三相开关控制信号SA、SB、SC。
所述的步骤2、4和5中,当前时刻定子磁链估计值ψs、γs和转矩的估计值Te由如下步骤得到:
(1)通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流iA、iB、iC及母线电压Udc;
(2)由于逆变器在一个采样周期内的开关状态SA、SB、SC已知,因此由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量:
(4)根据计算当前磁链幅值|ψs|,根据γs=arctan(ψsβ/ψsα)计算相位角γs;
所述的参考速度ω*≤电机额定速度。
所述的根据永磁同步电机本身特性和***性能要求设定Kp1、Ki1和Kp2、Ki2,并满足Kp1>0、Ki1>0和Kp2>0、Ki2>0。
有益效果
本发明方法同直接转矩控制相比具有以下优点:1)采用参考磁链计算模型单元和空间电压矢量调制单元替代了直接转矩控制中的磁链和转矩的滞环比较器和开关表,依据磁链和转矩误差的大小精确计算出控制这些误差收敛的定子电压矢量,因此磁链和转矩脉动大大减小;2)通过SVM方法可以合成所需要的任意空间电压矢量,从理论上来说可以达到无穷多个;3)实现了逆变器功率器件开关频率的恒定和功率器件最优化使用。
附图说明
图1:基于空间矢量调制的PMSM直接转矩控制方法原理框图
图2:定子磁链动态控制原理图
图3:生成空间电压矢量Us *的向量图
图4:电机转速响应曲线
图5:电机转矩响应曲线
图6:定子相电流iA响应曲线
图7:转矩角δ变化曲线
图8:转矩角增量Δδ变化曲线
图9:转矩角增量Δδ稳态时的放大图
图10:定子磁链轨迹
图11:***硬件电路结构框图
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述:
本发明的实施例的***硬件结构如图11所示,包括:整流电路、滤波电路、逆变器、隔离驱动电路、电流和电压检测电路、中央处理器和人机接口电路,此外,对于本***还可以增加编码器来检测电机转速,从而构成永磁同步电机调速控制***。
为验证本发明方法,采用Matlab7.1-Simulink6.0进行仿真验证。仿真中永磁同步电机参数为:UN=220v;nP=4;Rs=2.875Ω;Ld=8.5mH;Lq=8.5mH;ψf=0.175Wb;nN=3000(r/min)。具体仿真条件设定为:空载启动,初始速度1200(r/min),0.1s阶跃至1400(r/min),在0.2s时突加负载至2N·m,最大转矩限定为4N·m。
实施例包含的具体步骤如下:
1.设定Kp1=2,Ki1=0.2;Kp2=5000,Ki2=0.01;
2.设定参考速度ω*=1200(r/min),小于电机额定速度;
4.计算当前时刻定子磁链估计值ψs和转矩的估计值Te如下:
(4.1).通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流iA、iB、iC及母线电压Udc;
(4.2).由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量:
(4.3).计算当前磁链在αβ坐标系下的分量ψsα和ψsβ:
(4.4).由下式计算当前磁链幅值|ψs|和相位角γs:
γs=arctan(ψsβ/ψsα)
(4.5).由下式计算转矩估计值Te:
5.通过以下步骤实施电机控制:
(5.1).由以下步骤获得参考转矩Te *:
(5.1.1).eω=ω*-ω
(5.1.2). (Kp1>0,Ki1>0)
(5.2).定子磁链和转子磁链旋速度度差Δωs:
(5.2.1).eT=T*-T
(5.2.2).Δωs=Kp2·eT+Ki2∫eTdt (Kp2>0,Ki2>0)
(5.3).定转子磁链旋速度度差Δωs与转子速度ω相加得到定子磁链总的旋速度度,即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ωs *;
(5.4).将已知的ωs *和当前估算的定子磁链ψs(包括磁链幅值|ψs *|和相位角γs)输入至参考磁链计算模型来得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψs *:
(5.4.1).由ωs *·Ts就可以得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ;
(5.4.2).再由γs+Δδ即可算出在下一时刻参考磁链的相位角γs *;
(5.4.3).通过下式计算参考磁链ψs *在静止两相坐标系αβ下的分量:
(5.5).计算磁链误差Δψs在静止两相坐标系αβ下的分量:
(5.6).计算参考电压矢量Us *在αβ坐标系下的分量:
其中,Ts为***采样周期;
(5.7).根据空间矢量调制(SVM)来进行电压矢量合成(图5),计算逆变器所需要的三相开关控制信号SA、SB、SC:
定子电压矢量在第III扇区,采用U3和U4
(5.7.3).采用由下式计算定子电压矢量相邻的有效电压矢量UN和UN+1和零矢量U7和U8作用的时间:
(5.7.4).随着Us *的增加,输出电压的基波电压幅值也线性增加,零矢量作用的时间T0逐渐减小,但应满足以下关系式:
(5.7.5).根据基本电压矢量和零矢量以及各自作用的时间确定逆变器三相开关控制信号SA、SB、SC:
逆变器产生的有效电压矢量和零矢量所对应的三相开关信号分别为Ui(SA SB SC):U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)和两个零电压矢量U7(000)、U8(111);在一个SVM周期Ts内基本电压矢量UN和UN+1和零矢量U7和U8作用顺序如下:
U7作用T0/4→UN作用TN/2→UN+1作用TN+1/2→U8作用T0/2→UN+1作用TN+1/2→UN作用YN/2→U7作用T0/4;
根据基本电压矢量与逆变器三相开关信号SA、SB、SC之间的对应关系,得出逆变器开关控制信号,从而驱动永磁同步电机。
图4为转速响应曲线,图5为转矩响应曲线,图6为定子相电流响应曲线。图7-图10分别为转矩角δ变化曲线、转矩角增量Δδ变化曲线、转矩角增量Δδ稳态时的放大图、定子磁链轨迹。
Claims (5)
1.一种永磁同步电机直接转矩控制方法,其特征在于:根据定子磁链和转矩各自误差的大小采用参考磁链计算模型计算出控制这些误差收敛的参考定子电压矢量,再以空间矢量调制发生器的方式发出电压逆变器的开关信号,以控制永磁同步电机转矩的方法,具体而言,它依次含有以下步骤:
(2)参考转矩Te *与估算转矩Te之差经PI调节得到定子磁链和转子磁链旋转速度差Δωs:Δωs=Kp2·eT+Ki2∫eTdt,Kp2为第二比例增益,Kp2>0;Ki2为第二积分增益Ki2>0;其中:
(3)定子磁链和转子磁链旋转速度差Δωs与速度反馈值ω相加得到定子磁链总的旋转速度,即下一个采样周期应给定的磁链的参考速度ωs *;
(4)将ωs *和当前估算的定子磁链ψs采用参考磁链模型得到下一个采样周期期望的参考磁链矢量ψs *;所述的参考磁链模型步骤为:
a)由ωs *·Ts得到在下一时刻的定子磁链角度的变化量Δδ,其中,Ts为***采样周期;
b)由γs+Δδ得在下一时刻参考磁链的相位角γs *,γs为当前时刻的相位角;
(7)根据空间矢量调制方法SVM对参考电压矢量Us *进行电压矢量合成,得到逆变器所需要的三相开关控制信号SA、SB、SC。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法,其特征在于:所述的步骤2、4和5中,当前估算的定子磁链ψs、γs和估算转矩Te由如下步骤得到:
(1)通过电压、电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得电机相电流iA、iB、iC及母线电压Udc;
(2)由于逆变器在一个采样周期内的开关控制信号SA、SB、SC已知,因此由下式计算定子电流和定子电压在静止两相坐标系αβ下的分量:
其中:iα为定子电流在静止两相坐标系αβ下的α分量,iβ为β分量;uα为定子电压在静止两相坐标系αβ下的α分量,uβ为β分量;
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法,其特征在于:所述的设定的速度参考值ω*≤电机额定速度。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法,其特征在于:所述的根据永磁同步电机本身特性和***性能要求设定Kp1、Ki1和Kp2、Ki2,并满足Kp1>0、Ki1>0和Kp2>0、Ki2>0。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100519 Termination date: 20131116 |