CN102122915A - 用于永磁同步电机闭环控制的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于永磁同步电机闭环控制的装置包括：电流采样恢复模块、闭环反馈控制模块、电压坐标逆转换模块及空间矢量脉宽调制模块；根据本发明提供的应永磁同步电机的闭环控制的装置在保证电机控制精度的前提下，对整个控制算法进行优化设计实现，并且硬件电路还可根据特定电机调整电机参数和死区时间，这样可以缩短设计周期，使其灵活应用于不同型号的永磁同步电机。

Description

用于永磁同步电机闭环控制的装置

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及一种用于永磁同步电机闭环控制的装置。

背景技术

空间矢量脉宽调制(SVPWM)的思想首次提出是在上世纪70年代，后来SVPWM理论和算法得到了很大的发展。目前SVPWM算法是最流行的永磁同步电机高性能交流伺服驱动***实现技术之一。

由于应用于永磁同步电机控制领域的基于空间矢量脉宽调制的闭环控制算法较为复杂，目前的硬件电路实现主要是在高性能数字信号处理器(DSP)上实现的。TI(德州仪器)公司推出了用于控制电机的2000系列DSP芯片，ADI公司推出了控制电机的系列专用芯片。专用芯片由于其功能针对性，可以根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的特定要求进行实现，但是DSP和专用芯片设计周期长，不便于再配置。本发明提出的方案不仅解决了空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法在硬件电路难以实现以及占用硬件资源大这一问题，同时还可针对特定电机进行配置和重构，实现控制方案的灵活高效应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种应用于永磁同步电机闭环控制的装置。

根据本发明的一个方面，提供一种永磁同步电机闭环控制的装置包括：

电流采样恢复模块、闭环反馈控制模块、电压坐标逆转换模块及空间矢量脉宽调制模块；

其中，所述电流采样恢复模块，将两相电流模拟信号恢复为三相电流数字信号i_u、i_v、i_w；

所述闭环反馈控制模块，对所述三相电流数字信号i_u、i_v、i_w进行处理，从而得到两相转子电压v_d、v_q；

所述电压坐标逆转换模块，将所述两相转子电压v_d、v_q转换为正弦波形反馈控制电压；

所述空间矢量脉宽调制模块所述正弦波形反馈控制电压进行处理，生成控制永磁同步电机运转的六路开关信号。

根据本发明提供的应永磁同步电机的闭环控制的装置在保证电机控制精度的前提下，对整个控制算法进行优化设计实现，并且硬件电路还可根据特定电机调整电机参数和死区时间，这样可以缩短设计周期，使其灵活应用于不同型号的永磁同步电机。

附图说明

图1是本发明实施例提供的应用于永磁同步电机闭环控制的装置的结构框图；

图2是图1所示装置中闭环反馈控制模块的结构框图；

图3是图1所示装置中空间矢量脉宽调制模块的结构框图。

本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的应用于永磁同步电机的闭环控制的装置包括：电流采样恢复模块110、闭环反馈控制模块220、电压坐标逆转换模块330源PFC控制模块440、有过温过压过流保护模块550及空间矢量脉宽调制模块660。其中，电流采样恢复模块110将两相电流模拟信号恢复为三相电流数字信号i_u、i_v、i_w。电流采样恢复模块110包括第一相电流采样控制单元及第二相电流采样控制单元。第一相电流采样控制单元，将永磁同步电机定子电流i_u模拟信号转成数字信号。第二相电流采样控制单元，将永磁同步电机定子电流i_w模拟信号转成数字信号。

闭环反馈控制模块220对三相电流数字信号i_u、i_v、i_w进行处理，从而得到两相转子电压v_d、v_q。参见图2，闭环反馈控制模块220包括电流坐标转换单元2201、力矩计算单元2202、速度估计单元2203、第一加法器2204、第二加法器2206、第三加法器2207、算术逻辑运算单元2210及比例积分调节器。其中，电流坐标转换单元2201将永磁同步电机三相定子电流i_u、i_v、i_w进行坐标转换得到i_d、i_q。电流坐标转换单元2201包括第一电流坐标变换子单元及第二电流坐标变换子单元。第一电流坐标变换子单元将永磁同步电机三相定子电流i_u、i_v、i_w转换到两相静止坐标系电流i_α、i_β。第二电流坐标变换子单元将两相静止坐标系电流i_α、i_β转换到两相转子坐标系电流i_d、i_q。例如，通过数学变换将电机三相电流i_u、i_v、i_w转换成为定子两相坐标系下的i_α、i_β。数学变换的公式为

根据电机三相电流之间的关系i_u+i_v+i_w＝0，对数学变换公式进行化简为

对i_α、i_β幅度统一化得到

根据硬件电路运算的特点，将

简化运算，即只需要对i_v、i_w进行减法和移位操作。这种硬件实现方式不仅可以满足电机控制精度的需要，同时避免复杂运算占用硬件资源的开销。坐标变换运算中需要正余弦的值存储在查找表中，运算过程中通过查表即可得到。查找表存储器中存储的正余弦的值是经过16位量化的数值，这样做的目的是为了便于硬件之间的算法移植。

力矩计算单元2202在算术逻辑运算单元2210配合下，通过i_d、i_q计算电磁力矩T_e。

速度估计单元2203在算术逻辑运算单元2210配合下，通过电磁力矩T_e进行速度和位置估计得到速度当前速度ω和当前转子位置θ。在速度和位置估计时，首先需要计算速度增量

在ω初始值ω₀的基础上进行叠加估算出当前的速度同时在θ初始值θ₀的基础上进行叠加估算出当前转子位置θ＝θ₀+∑ω。

第一加法器2204对给定转速ω_ref与速度估计单元估算出的电机实际工作的转速ω做差，差值送入第一比例积分调节子单元2205。

比例积分调节器包括第一比例积分调节子单元2205、第二比例积分调节子单元2209和第三比例积分调节子单元2208。

第一比例积分调节子单元2205在算术逻辑运算单元2210配合下，对估算的速度ω与给定的速度ω_ref形成的速度反馈环进行调节，得到i_qref。

第二加法器2206将i_qref的值与电流在转子两相坐标系上的交轴分量i_q做差，差值送入第二比例积分调节子单元2208。

第二比例积分调节子单元2206在算术逻辑运算单元2210配合下，对i_qref与电流在转子两相坐标系上的交轴分量i_q形成的电流反馈环进行调节，得到转子电压V_q。

第三加法器2207将值为0的给定电流i_dref与电流在转子两相坐标系上的直轴分量i_d做差，差值送第三比例积分调节子单元2209。

第三比例积分调节子单元2209在算术逻辑运算单元2210配合下，对采用i_dref＝0的控制方式，与电流在转子两相坐标系上的直轴分量i_d形成的电流反馈环进行调节，得到转子电压V_d。

闭环控制中涉及到很多复杂的运算，如速度位置估计中涉及多次乘法、乘累加。在比例积分调节PI＝k_p·input+k_i·∑input中需要对输入进来的误差进行累加，坐标变换中涉及的多次乘累加。这些复杂运算全部基于算术逻辑运算单元2210通过时序控制状态机控制时序状态的改变。状态转换的过程中，通过改变算术逻辑运算单元的控制码，完成相应的运算。合理的状态转换即可完成闭环控制中需要的运算操作。由于硬件电路处理数据的高速性特征，可以完全满足电机闭环控制的处理速度需求，因此利用时分复用算术逻辑运算单元2210这种实现方式可以节省硬件资源，避免加法器、乘法器的多次例化。

电压坐标逆转换模块330将两相转子电压v_d、v_q转换为正弦波形反馈控制电压。

空间矢量脉宽调制模块660对正弦波形反馈控制电压进行处理，生成控制永磁同步电机运转的六路开关信号。参见图3，空间矢量脉宽调制模块660包括判断单元、电压坐标转换单元、两两相减单元、选择器I及选择器II。其中，判断单元根据转子角度输出判断出的扇区信息。电压坐标转换单元利用v_d、v_q坐标变换得到三相控制电压v_u、v_v、v_w。

两两相减单元根据三相电压值V_u，V_v，V_w求得开关导通时间的辅助变量X、Y、Z；所述

其中，V_u，V_v，V_w是三相电压值，V_dc为直流母线电压，T为开关频率。

选择器I，接收开关导通时间的辅助变量X、Y、Z及扇区信息，根据扇区的不同从X、Y、Z中选出两个值作为导通持续时间。

选择器II，接收来所述导通持续时间，根据参考空间电压矢量所在的所述扇区信息进行选择，生成与锯齿波进行比较的信号，并利用比较信号生成六路两两互补的脉冲控制信号。

下面对空间矢量脉宽调制模块660的工作过程进行描述，包括：

步骤1：利用电机反馈回来的转子角度值θ的大小确定参考电压空间矢量V_ref所处的扇区位置；

步骤2：利用电机反馈回来的直轴和交轴电压值U_d、U_q进行坐标变换得出三相电压值V_u，V_v，V_w；

步骤3：根据三相电压值V_u，V_v，V_w求得导通时间的辅助变量X、Y、Z；

步骤4：根据扇区的不同，从辅助变量X、Y、Z中进行选择，分别求出某一扇区内两相邻基本电压空间矢量V_i、V_i+1的作用时间T_i、T_i+1；

步骤5：由T_i、T_i+1计算得到t_aon、t_bon、t_con；

步骤6：根据扇区的不同进行选择，得到对应上下桥臂的导通时间T_cm1、T_cm2、T_cm3；

步骤7：根据不同扇区基本电压空间矢量的组合及作用时间，通过控制该扇区三级逆变器的开关模式，使转子按照预先设定的频率和幅度进行圆形旋转，最终实现PWM信号输出。

其中，所述步骤1中，是利用公式

得到V_ref所在的扇区位置N，其中，θ为反馈回来的转子位置信号，N为运算得出的基于本发明的扇区值。

步骤2中是利用公式

实现坐标变换将两相直交轴电压U_d、U_q变换至三相电压V_u，V_v，V_w。

步骤3中是利用公式

得到辅助变量X、Y、Z的值，其中V_u，V_v，V_w为三相电压值，V_dc为直流母线电压。

步骤4中，是通过直接使用选择器选择扇区，得到不同扇区两邻电压空间矢量V_i、V_i+1的作用时间T_i、T_i+1。

另外，步骤5、6和7中仍然采用传统的实现方式，由于这些步骤的计算量相对较小，同时可以跟发明方法进行完全衔接，因此也不会对算法的适用范围带来影响。

本发明提供的这种带有选择器的差值电压空间矢量调制方法，通过加入两个选择器，使得SVPWM方法的计算复杂度大大降低，减少了计算时间。

表1示出了根据反馈回来的转子位置信号进行参考空间电压矢量所在扇区的判断表，转子的转角从0°到360°转动，将0°至360°划分成6个扇区，分别为第一扇区到第六扇区。

扇区	划分角度
		I	0°-60°
II	60°-120°
		III	120°-180°
IV	180°-240°
		V	240°-300°
VI	300°-360°

表1

表2示出了根据扇区选择导通时间结果表，由于同一扇区内两相邻基本电压空间矢量V_i、V_i+1的作用时间T_i、T_i+1是根据参考电压空间矢量所在的扇区选择辅助参量X、Y、Z中值得到的。在此，增加选择器，直接从已经计算好的结果中选出需要的值，即可得到作用时间。

表2

另外，空间矢量脉宽调制模块660在死区时间调节中，利用计数器计数，在六路脉冲信号中***死区时间参数，可完成死区时间调节，并根据计数不同，完成不同死区时间参数下的调节，实现死区时间参数可调。

过温过压过流保护模块550包括过温过压过流采样控制接口、多路选择控制单元及故障检测单元。过温过压过流采样控制接口采样电机工作时的温度、直流母线电压和直流母线电流，将采集到的模拟信号转化成数字信号。多路选择控制单元控制过温过压过流采样控制接口在不同的时刻对电机工作时的温度、直流母线电压和直流母线电流分别进行采集，实现时分复用采样。故障检测单元，在出现过温、过流、过压故障时，进行报错。硬件电路实现方法中采用时分复用思想，可以在节省硬件资源的前提下，高效实现故障检测与保护功能。

有源PFC控制模块440对电源进行功率补偿。通过采样直流母线电流，并运算输出PFC(功率因数校正)驱动脉冲。所采用硬件实现方法可以根据外部硬件电路进行调试和配置，实现电压能耗的高效利用。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明提供的应用于永磁同步电机控制领域的基于空间矢量脉宽调制的闭环控制算法的硬件电路实现方案中，在空间矢量脉宽调制实现过程中避免了除法这类复杂的运算，在保证计算精度的情况下，用移位和加法运算进行代替，使得复杂计算大大减少，为算法在硬件电路上的实现提供了可能性。

2、本发明提供的应用于永磁同步电机控制领域的基于空间矢量脉宽调制的闭环控制算法的硬件电路实现方案是在保证控制精度的基础上，对闭环控制中的运算进行了简化，使用一个算术逻辑运算单元利用时序控制状态机完成闭环控制中的运算，在保证计算精度的条件下，在进入下一状态控制的运算前对结果进行处理。这种实现方式使得闭环控制中复杂运算可以在硬件电路上实现，且占用很少的硬件资源。

3、本发明提供的应用于永磁同步电机控制领域的基于空间矢量脉宽调制的闭环控制算法的硬件电路实现方案中，整个控制方案易于在FPGA(现场可编程门阵列)上实现。经过算法优化后在FPGA片上实现，仅仅用了不到3000个逻辑单元(LE)，可以极大地实现片上资源复用和降低实现成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于永磁同步电机的闭环控制的装置，其特征在于，包括：

电流采样恢复模块、闭环反馈控制模块、电压坐标逆转换模块及空间矢量脉宽调制模块；

其中，所述电流采样恢复模块，将两相电流模拟信号恢复为三相电流数字信号i_u、i_v、i_w；

所述闭环反馈控制模块，对所述三相电流数字信号i_u、i_v、i_w进行处理，从而得到两相转子电压v_d、v_q；

所述电压坐标逆转换模块，将所述两相转子电压v_d、v_q转换为正弦波形反馈控制电压；

所述空间矢量脉宽调制模块，对所述正弦波形反馈控制电压进行处理，生成控制永磁同步电机运转的六路开关信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流采样恢复模块包括：

第一相电流采样控制单元及第二相电流采样控制单元；

所述第一相电流采样控制单元，将永磁同步电机定子电流i_u模拟信号转成数字信号；

所述第二相电流采样控制单元，将永磁同步电机定子电流i_w模拟信号转成数字信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述闭环反馈控制模块包括：

电流坐标转换单元、力矩计算单元、速度估计单元、算术逻辑运算单元及比例积分调节器；

电流坐标转换单元，将永磁同步电机三相定子电流i_u、i_v、i_w进行坐标转换得到i_d、i_q；

力矩计算单元，在所述算术逻辑运算单元配合下，通过所述i_d、i_q计算电磁力矩T_e；

速度估计单元，在所述算术逻辑运算单元配合下，通过所述T_e进行速度和位置估计得到速度当前速度ω和当前转子位置θ；

比例积分调节器，在所述算术逻辑运算单元配合下，对所述速度ω与给定的速度ω_ref形成的速度反馈环进行调节，得到i_qref；对i_qref与坐标变换得到的i_q形成的电流反馈环进行调节，得到转子电压V_q；对采用i_dref＝0的控制方式，与反馈得到的i_d形成的电流反馈环进行调节，得到转子电压V_d；

所述i_q是电流在转子两相坐标系上的交轴分量；所述i_d是电流在转子两相坐标系上的直轴分量；所述V_d、V_q是空间矢量脉宽调制的输入值。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电流坐标转换单元包括：

第一电流坐标变换子单元及第二电流坐标变换子单元；

所述第一电流坐标变换子单元，将永磁同步电机三相定子电流i_u、i_v、i_w转换到两相静止坐标系电流i_α、i_β。

所述第二电流坐标变换子单元，将两相静止坐标系电流i_α、i_β转换到两相转子坐标系电流i_d、i_q。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述比例积分调节器包括：

第一比例积分调节子单元，对所述估算的速度ω与给定的速度ω_ref形成的速度反馈环进行调节，得到i_qref；

第二比例积分调节子单元，对i_qref与反馈得到的i_q形成的电流反馈环进行调节，得到转子电压V_q；

第三比例积分调节子单元，对采用i_dref＝0的控制方式，与反馈得到的i_d形成的电流反馈环进行调节，得到电压V_d。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空间矢量脉宽调制模块包括：

判断单元，根据转子角度输出判断出的扇区信息；

电压坐标转换单元，利用v_d、v_q坐标变换得到三相控制电压v_u、v_v、v_w；

两两相减单元，根据三相电压值V_u，V_v，V_w求得开关导通时间的辅助变量X、Y、Z；所述

其中，所述V_u，V_v，V_w是三相电压值，V_de为直流母线电压，T为开关频率；

选择器I，接收所述关导通时间的辅助变量X、Y、Z及所述扇区信息，根据扇区的不同从X、Y、Z中选出两个值作为导通持续时间；

选择器II，接收来所述导通持续时间，根据参考空间电压矢量所在的所述扇区信息进行选择，生成与锯齿波进行比较的信号，并利用比较信号生成六路两两互补的脉冲控制信号。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

有源PFC控制模块，所述有源PFC控制模块对电源进行功率补偿。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括过温过压过流保护模块，所述过温过压过流保护模块包括：

过温过压过流采样控制接口、多路选择控制单元及故障检测单元；

所述过温过压过流采样控制接口，采样电机工作时的温度、直流母线电压和直流母线电流，将采集到的模拟信号转化成数字信号；

多路选择控制单元，控制所述过温过压过流采样控制接口在不同的时刻对电机工作时的温度、直流母线电压和直流母线电流分别进行采集，实现时分复用采样；

故障检测单元，在出现过温、过流、过压故障时，进行报错。

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