CN114465530A - 永磁同步电机的速度控制方法及*** - Google Patents

永磁同步电机的速度控制方法及*** Download PDF

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CN114465530A CN202210386856.1A CN202210386856A CN114465530A CN 114465530 A CN114465530 A CN 114465530A CN 202210386856 A CN202210386856 A CN 202210386856A CN 114465530 A CN114465530 A CN 114465530A
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current
magnet synchronous
synchronous motor
voltage
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闫栋宇
赵立军
余泽寰
龙鸿辉
于佳强
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

永磁同步电机的速度控制方法及***，现有技术永磁同步电在参数辨识不精确的情况下容易产生较大的电流波动的问题，属于永磁同步电机控制领域。本发明包括：采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，获得两相静止坐标系下的电流i d 、i q ，构造电流复矢量i s ，利用i s 采用PI控制器及电角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
构造电压复矢量u s ；根据u s 获取两相静止坐标系下的电压u d 、u q ；利用
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
对u d 、u q 进行变换，获得两相旋转坐标系下电压
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；根据
Figure 988110DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 905250DEST_PATH_IMAGE006
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，实现速度的控制。

Description

永磁同步电机的速度控制方法及***
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机的速度控制方法及***，属于永磁同步电机控制领域。
背景技术
永磁电机结构简单、体积小和效率高等优势，目前在机器人、家用电器及电动汽车等领域得到广泛应用，随着科技发展和应用强化，随着智能技术和移动作业动态操作精度提升，对电机速度控制的精度和可靠性要求也越来越高。相比其他类型电机，永磁同步电机拥有使用寿命长，调速效果好，使用安全性高等特点。现有的永磁同步电机的电流控制大多采用PI控制器与前馈解耦来控制，虽然控制方法简单，但过于依赖电机参数，在参数辨识不精确的情况下容易产生较大的电流波动，影响调速的精确性。
发明内容
针对现有技术永磁同步电机在参数辨识不精确的情况下容易产生较大的电流波动，影响调速精确性的问题，本发明提供一种永磁同步电机的速度控制方法及***。
本发明的一种永磁同步电机的速度控制方法，包括：
S1、采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure 960457DEST_PATH_IMAGE001
，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ；
S2、利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 774829DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量u s ；
Figure 534975DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 802008DEST_PATH_IMAGE004
其中，e s =i sD -i S ，i sD 表示电流给定值，k p 表示PI控制器的比例增益，k i 表示PI控制器的积分增益，
Figure 908DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链，j表示虚部，电角速度
Figure 106005DEST_PATH_IMAGE002
是根据电角度
Figure 99369DEST_PATH_IMAGE001
获取的；
S3、根据电压复矢量u s 获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ；
S4、利用电角度
Figure 791382DEST_PATH_IMAGE001
、电压u d 、u q 得到永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 793973DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 317358DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 419306DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 660932DEST_PATH_IMAGE009
；
S5、根据电压
Figure 139318DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 517209DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
作为优选，所述电角度
Figure 117955DEST_PATH_IMAGE001
的获取方法包括：
S11、构建观测器，观测器的输入为电流
Figure 17515DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 361909DEST_PATH_IMAGE011
及电压
Figure 594307DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 303637DEST_PATH_IMAGE009
，输出为永磁同步电机的反电动势的
Figure 254276DEST_PATH_IMAGE006
轴分量
Figure 74464DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 426948DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 369496DEST_PATH_IMAGE013
；电流
Figure 745114DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 431310DEST_PATH_IMAGE011
分别表示永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 74519DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 187969DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流；
S12、通过控制恒定的A相电流产生的磁场使得永磁同步电机转子转动到固定的启动位置；
S13、通过控制电流复矢量i s 在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，使电流复矢量i s 在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
S14、当永磁同步电机的速度达到想要控制的速度时，停止增加电流复矢量i s 的转速，降低电流复矢量i s 的大小，使得转子角度为设定的电流矢量的角度；
S15、开启观测器，利用S1至S4的方法获得电流
Figure 113199DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 275190DEST_PATH_IMAGE011
及电压
Figure 602266DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 558721DEST_PATH_IMAGE009
，待观测器收敛，利用矢量控制FOC算法观测到
Figure 971248DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 936930DEST_PATH_IMAGE013
，根据
Figure 118513DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 573765DEST_PATH_IMAGE013
利用反三角函数计算出电角度
Figure 667664DEST_PATH_IMAGE001
；
S16、根据电角度
Figure 233775DEST_PATH_IMAGE001
获得电角速度
Figure 473126DEST_PATH_IMAGE002
。
作为优选，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure 99280DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 220819DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 528304DEST_PATH_IMAGE016
或
Figure 684479DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 481533DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 28052DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 935966DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 382865DEST_PATH_IMAGE021
表示 X的估计值，
Figure 350821DEST_PATH_IMAGE022
表示Y的估计值，
Figure 446953DEST_PATH_IMAGE023
表示
Figure 96240DEST_PATH_IMAGE021
的一阶导数，
Figure 961428DEST_PATH_IMAGE024
，K为观测器增益，
Figure 37969DEST_PATH_IMAGE025
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的
Figure 621397DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 136692DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 794069DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 103828DEST_PATH_IMAGE013
。
作为优选，所述S1包括：
采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 610770DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 664177DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流
Figure 441640DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 859983DEST_PATH_IMAGE011
，利用永磁同步电机转子的电角度
Figure 355686DEST_PATH_IMAGE001
对电流
Figure 947205DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 641491DEST_PATH_IMAGE011
进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q 。
作为优选，S2中电流复矢量i s =i d +ji q 。
作为优选，S3中，根据
Figure 994850DEST_PATH_IMAGE026
，获取电压
Figure 774587DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 107479DEST_PATH_IMAGE028
。
作为优选，
Figure 921852DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 744314DEST_PATH_IMAGE030
；
L表示d轴电感分量及q轴电感分量的电感值，R表示定子电阻，
Figure 949030DEST_PATH_IMAGE006
表示带宽的控制参数。
作为优选，所述S5中，采用空间矢量脉宽调制SVPWM根据电压
Figure 147931DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 754492DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比。
本发明还提供一种永磁同步电机的速度控制***，包括：
所述***包括变换模块、电压复矢量构造模块、坐标转换模块、反变换模块和调制模块；
变换模块，与电压复矢量构造模块连接，用于采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure 184075DEST_PATH_IMAGE001
，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ，并发送给电压复矢量构造模块；
电压复矢量构造模块，与坐标转换模块连接，用于利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 938404DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量
Figure 613099DEST_PATH_IMAGE031
，并发送给坐标转换模块；
Figure 136484DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 566328DEST_PATH_IMAGE004
其中，e s =i sD -i S ，i sD 表示电流给定值，k p 表示PI控制器的比例增益，k i 表示PI控制器的积分增益，
Figure 745637DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链，j表示虚部，电角速度
Figure 20761DEST_PATH_IMAGE002
是根据电角度
Figure 664231DEST_PATH_IMAGE001
获取的；
坐标转换模块，与反变换模块连接，用于根据电压复矢量u s 获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ，并发送给反变换模块；
反变换模块，与调制模块连接，用于利用电角度
Figure 937081DEST_PATH_IMAGE001
、电压u d 、u q 得到永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 666003DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 181035DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 679013DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 388343DEST_PATH_IMAGE009
，并发送给调制模块；
调制模块，与永磁同步电机连接，用于根据电压
Figure 338981DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 159170DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
作为优选，本发明的***还包括龙伯格观测器和反三角函数模块；
龙伯格观测器，与反三角函数模块连接，用于根据输入
Figure 511654DEST_PATH_IMAGE015
得到反电动势的
Figure 391885DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 829820DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 250437DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 159224DEST_PATH_IMAGE013
，并发送给反三角函数模块，
Figure 272674DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 197905DEST_PATH_IMAGE011
分别表示永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 359896DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 421393DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流；
反三角函数模块，用于根据
Figure 705743DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 55953DEST_PATH_IMAGE013
得出电角度
Figure 83952DEST_PATH_IMAGE001
；
所述龙伯格观测器为：
Figure 203218DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 392891DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 292714DEST_PATH_IMAGE016
或
Figure 295043DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 596711DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 957285DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 282087DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 651889DEST_PATH_IMAGE021
表示 X的估计值，
Figure 542484DEST_PATH_IMAGE022
表示Y的估计值，
Figure 277222DEST_PATH_IMAGE023
表示
Figure 886058DEST_PATH_IMAGE021
的一阶导数，
Figure 997233DEST_PATH_IMAGE024
，K为观测器增益，
Figure 7915DEST_PATH_IMAGE025
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数。
本发明的有益效果：本发明采取复矢量解耦方法，融合前馈解耦，电流环波动明显下降，响应时间降低，速度控制得到改善，电流环控制效果对参数敏感性低，降低了参数辨识对控制效果的影响；观测器可适应的调速范围更广，在中速以及高速都有很好的观测效果。
附图说明
图1为本发明的控制原理示意图；
图2为PI控制器原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本实施方式的永磁同步电机的速度控制方法，包括：
步骤一、采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 975871DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 508221DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流
Figure 219825DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 85013DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤二、利用永磁同步电机转子的电角度
Figure 161553DEST_PATH_IMAGE001
对电流
Figure 744981DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 932380DEST_PATH_IMAGE011
进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ；
步骤三、利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 917654DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量u s ；
步骤四、根据电压复矢量u s 获取永磁同步电机定子两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ；
步骤二至步骤四是通过复矢量解耦与PI控制器的方法计算出；
步骤五、利用电角度
Figure 165095DEST_PATH_IMAGE001
对电压u d 、u q 进行反Park变换，获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 235820DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 289226DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 565225DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 45884DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤六、根据电压
Figure 276009DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 70789DEST_PATH_IMAGE009
采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
本实施方式中复矢量解耦与PI控制器的方法原理为：
首先明确永磁同步电机同步旋转坐标系下数学模型:
Figure 765076DEST_PATH_IMAGE032
对于阴极电机，有L d =L q =L
L d 表示d轴电感分量；
L q 表示q轴电感分量；
L表示电感值；
Figure 354320DEST_PATH_IMAGE002
表示转子电角速度；
Figure 399637DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链；
R表示定子电阻；
可以看到q、d轴电压方程之间互相包含对方的电流，明显是一个耦合的***。传统控制方法通过前馈的方法进行解耦，即在最终输入电机***之前在输出电压值上补偿数学模型中
Figure 231064DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 779857DEST_PATH_IMAGE034
这一项，***就可以得到解耦。然而，前馈解耦的方法过渡依赖于电机参数，即必须得到准确的L d 、L q 以及
Figure 805582DEST_PATH_IMAGE005
才能够较好地消除耦合影响。由此导致采用前馈解耦控制方法的电机存在电流波动，相应慢的缺陷。
而本实施方式采用的复矢量解耦的方法进行电流环控制：
首先构造控制量，构造电流复矢量i s ，其实部由i d 构成，虚部由i q 构成，则有:
i s =i d +ji q
同理，构造电压复矢量u S ，其实部由u d 构成，虚部由u q 构成，则有:
u S =u d +ju q
将上述方程与电机数学模型联立，可得到由电流、电压复矢量构成的新的电压方程如下：
Figure 72615DEST_PATH_IMAGE035
由此可见，将两个互相耦合的***变为一个整体，此时只需输出电压
Figure 271515DEST_PATH_IMAGE036
，即可控制电流
Figure 612498DEST_PATH_IMAGE037
，在控制i s 的同时，i d 与i q 也就得到了控制。
本实施方式采取PI控制器控制:
Figure 871441DEST_PATH_IMAGE038
其中i sD 表示电流给定值，PI参数可选取
Figure 625770DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 300465DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 823851DEST_PATH_IMAGE006
表示带宽的控制参数，
Figure 689913DEST_PATH_IMAGE006
控制***带宽，有
Figure 665959DEST_PATH_IMAGE006
越大，带宽越大，电流响应速度越快。但
Figure 206662DEST_PATH_IMAGE006
不可无限制地增加，应考虑控制器输出电压的范围合理设计
Figure 787816DEST_PATH_IMAGE006
的值。
优选实施例中，最后在最终输出的u q 部分可以前馈补偿上
Figure 122983DEST_PATH_IMAGE002
Figure 851904DEST_PATH_IMAGE005
，使模型更加拟合真实模型，如图2所示：
Figure 868402DEST_PATH_IMAGE041
本实施方式中的永磁同步电机转子的电角度
Figure 366379DEST_PATH_IMAGE001
可利用传感器测量，也可采用无传感器设计；传统无传感器算法通常采用六步换向法，即通过检测三相线上的反电动势来估计转子位置，通过控制逆变器的六种状态来实现电机的无传感器运行。但这种方法无法精确控制电流，且最终电流波形为方波而非正弦波，就可能导致电机运行不平稳，调速不灵活等问题。本实施方式取无传感器FOC控制算法，可以精确控制电流，实现电机平稳运行。使用龙伯格观测器观测电机的位置与速度，为FOC算法提供位置参考。
无传感器算法运行原理如下：
构建观测器；
启动前，首先通过控制恒定的A相电流，电流产生的磁场使得电机转子转动到固定的启动位置，随后开启开环启动流程。
开环启动时，通过控制电流复矢量i s 在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，电流复矢量
Figure 810130DEST_PATH_IMAGE042
在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
当电机达到想要控制的速度时，停止增大电流复矢量i s 的转速，此时电机会保持恒定的转速，此时产生的转矩与阻力相等，电流矢量一部分是q轴电流，一部分是d轴电流。降低电流复矢量
Figure 462566DEST_PATH_IMAGE043
大小使得转子角度等于设定的电流复矢量i s 的角度。
最后开启观测器，待观测器收敛，矢量控制FOC（Field-oriented Control）算法使用观测到的角度，再由速度开环切换到速度闭环即可完成一次无传感器启动。
开启观测器，利用步骤一至步骤五的方法获得电流
Figure 345071DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 635238DEST_PATH_IMAGE011
及电压
Figure 577787DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 15721DEST_PATH_IMAGE009
，待观测器收敛，利用矢量控制FOC算法观测到据
Figure 374021DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 846591DEST_PATH_IMAGE013
，根据
Figure 632144DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 557375DEST_PATH_IMAGE013
，利用反三角函数计算出电角度
Figure 217901DEST_PATH_IMAGE001
；
再根据电角度
Figure 544977DEST_PATH_IMAGE001
获得电角速度
Figure 829328DEST_PATH_IMAGE002
。
本实施方式的观测器采用龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure 179538DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 941958DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 123540DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 516476DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 416298DEST_PATH_IMAGE019
，此处假设了
Figure 920092DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 956181DEST_PATH_IMAGE013
的导数均为0，即
Figure 582335DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 405672DEST_PATH_IMAGE013
变化率为零。
Figure 509894DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 666069DEST_PATH_IMAGE021
表示 X的估计值，
Figure 400807DEST_PATH_IMAGE022
表示Y的估计值，
Figure 9643DEST_PATH_IMAGE023
表示
Figure 183135DEST_PATH_IMAGE021
的一阶导数，
Figure 131499DEST_PATH_IMAGE024
，K为观测器增益，
Figure 99455DEST_PATH_IMAGE025
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数；利用龙伯格观测器得到反电动势的
Figure 133271DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 579295DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 710062DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 285138DEST_PATH_IMAGE013
。在满足能观性的前提下，通过调节K的值，可以设定观测器的带宽。
利用龙伯格观测器得到反电动势的
Figure 868566DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 118282DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 41238DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 350997DEST_PATH_IMAGE013
；
根据电机数学模型，有:
Figure 421721DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 412811DEST_PATH_IMAGE045
，可由反三角函数计算出电角度的值：
Figure 252591DEST_PATH_IMAGE046
微分可计算出电角速度:
Figure 733251DEST_PATH_IMAGE047
此前假设了
Figure 963375DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 820473DEST_PATH_IMAGE013
变化率为零，但由上式得知，
Figure 514759DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 625976DEST_PATH_IMAGE013
存在明显的微积分关系，优选实施例中，改进龙伯格观测器的A’：
Figure 671293DEST_PATH_IMAGE017
可以进一步提升观测器跟随效果。
Figure 66502DEST_PATH_IMAGE048
本实施方式的电流环阶跃响应达到63%的时间小于电机电气时间常数的20%，超调量小于5%，扩张状态观测器观测角度误差小于10°。
本实施方式还提供一种永磁同步电机的速度控制***，包括变换模块、电压复矢量构造模块、坐标转换模块、反变换模块和调制模块；
变换模块，与电压复矢量构造模块连接，用于采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure 552978DEST_PATH_IMAGE001
，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ，发送给电压复矢量构造模块；
本实施方式的变换模块可采用Clark变换模块和Park变换模块，具体为采集永磁同步电机的三相交变电流，输入到Clark变换模块，经过Clark变换模块的Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 641020DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 406588DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流
Figure 458683DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 563780DEST_PATH_IMAGE011
；将永磁同步电机转子的电角度
Figure 822724DEST_PATH_IMAGE001
和电流
Figure 249157DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 251748DEST_PATH_IMAGE011
输入到Park变换模块，Park变换模块利用电角度
Figure 775133DEST_PATH_IMAGE001
对电流
Figure 611502DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 853128DEST_PATH_IMAGE011
进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ；
电压复矢量构造模块，与坐标转换模块连接，用于利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 597093DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量u s ，发送给坐标转换模块；
Figure 974984DEST_PATH_IMAGE049
或如图2所示：
Figure 575730DEST_PATH_IMAGE050
其中，e s =i sD -i S ，i sD 表示电流给定值，k p 表示PI控制器的比例增益，k i 表示PI控制器的积分增益，
Figure 475291DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链，j表示虚部；电流复矢量i s =i d +ji q 。
坐标转换模块，与反变换模块连接，用于根据电压复矢量
Figure 819684DEST_PATH_IMAGE051
获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ，并发送给反变换模块，u s =u d +ju q 。
反变换模块，与调制模块连接，用于利用电角度
Figure 255345DEST_PATH_IMAGE001
、电压u d 、u q 得到永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 761413DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 915313DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 797819DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 822406DEST_PATH_IMAGE009
，并发送给调制模块；
调制模块，与永磁同步电机连接，用于根据电压
Figure 499375DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 937310DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩，调制模块可采用空间矢量脉宽调制SVPWM调制器根据电压
Figure 325304DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 532294DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比。
本实施方式的***还包括龙伯格观测器和反三角函数模块，
龙伯格观测器，与反三角函数模块连接，用于根据输入
Figure 583427DEST_PATH_IMAGE015
得到反电动势的
Figure 508658DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 405069DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 732145DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 16496DEST_PATH_IMAGE013
，并发送给反三角函数模块；
反三角函数模块，用于根据
Figure 366706DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 394705DEST_PATH_IMAGE013
得出电角度
Figure 746927DEST_PATH_IMAGE001
。
所述龙伯格观测器为：
Figure 202179DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 305264DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 871375DEST_PATH_IMAGE016
或
Figure 907464DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 471300DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 592840DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 634745DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 790920DEST_PATH_IMAGE021
表示 X的估计值，
Figure 587975DEST_PATH_IMAGE022
表示Y的估计值，
Figure 922046DEST_PATH_IMAGE023
表示
Figure 829959DEST_PATH_IMAGE021
的一阶导数，
Figure 512744DEST_PATH_IMAGE024
，K为观测器增益，
Figure 480700DEST_PATH_IMAGE025
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数；
本实施方式的永磁同步电机的速度控制***的原理与上述速度控制方法相同，区别为可采用可编程逻辑器件实现，例如FPGA。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中 。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure 878705DEST_PATH_IMAGE001
，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ；
S2、利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 254323DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量u s ；
Figure 674940DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 583728DEST_PATH_IMAGE004
其中，e s =i sD -i S ，i sD 表示电流给定值，k p 表示PI控制器的比例增益，k i 表示PI控制器的积分增益，
Figure 431598DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链，j表示虚部，电角速度
Figure 356829DEST_PATH_IMAGE002
是根据电角度
Figure 518820DEST_PATH_IMAGE001
获取的；
S3、根据电压复矢量u s 获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ；
S4、利用电角度
Figure 845896DEST_PATH_IMAGE001
、电压u d 、u q 得到永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 130247DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 480457DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 242876DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 362142DEST_PATH_IMAGE009
；
S5、根据电压
Figure 817394DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 717217DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，所述电角度
Figure 719546DEST_PATH_IMAGE001
的获取方法包括：
S11、构建观测器，观测器的输入为电流
Figure 755635DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 319471DEST_PATH_IMAGE011
及电压
Figure 706590DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 748496DEST_PATH_IMAGE009
，输出为永磁同步电机的反电动势的
Figure 904671DEST_PATH_IMAGE012
轴分量
Figure 639408DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 248244DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 421737DEST_PATH_IMAGE014
；电流
Figure 868636DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 836592DEST_PATH_IMAGE011
分别表示永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 870407DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 316432DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流；
S12、通过控制恒定的A相电流产生的磁场使得永磁同步电机转子转动到固定的启动位置；
S13、通过控制电流复矢量i s 在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，使电流复矢量i s 在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
S14、当永磁同步电机的速度达到想要控制的速度时，停止增加电流复矢量i s 的转速，降低电流复矢量i s 的大小，使得转子角度为设定的电流矢量的角度；
S15、开启观测器，利用S1至S4的方法获得电流
Figure 384882DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 523740DEST_PATH_IMAGE011
及电压
Figure 44851DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 294567DEST_PATH_IMAGE009
，待观测器收敛，利用矢量控制FOC算法观测到
Figure 739496DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 49255DEST_PATH_IMAGE014
，根据
Figure 119979DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 111068DEST_PATH_IMAGE014
利用反三角函数计算出电角度
Figure 950849DEST_PATH_IMAGE001
；
S16、根据电角度
Figure 369192DEST_PATH_IMAGE001
获得电角速度
Figure 661633DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure 518730DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 150700DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 802261DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 847577DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 679005DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 227798DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 253523DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 520556DEST_PATH_IMAGE022
表示X的估计值，
Figure 453877DEST_PATH_IMAGE023
表示Y的估计值，
Figure 60439DEST_PATH_IMAGE024
表示
Figure 319382DEST_PATH_IMAGE022
的一阶导数，
Figure 808132DEST_PATH_IMAGE025
，K为观测器增益，
Figure 748406DEST_PATH_IMAGE026
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的
Figure 271791DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 872275DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 113900DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 654603DEST_PATH_IMAGE014
。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，所述S1包括：
采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 970178DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 570923DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流
Figure 34266DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 316343DEST_PATH_IMAGE011
，利用永磁同步电机转子的电角度
Figure 814320DEST_PATH_IMAGE001
对电流
Figure 320388DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 474289DEST_PATH_IMAGE011
进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q 。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，S2中电流复矢量i s =i d +ji q 。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，S3中，根据
u S= u d + ju q ，获取电压u d 、u q 。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，k p =
Figure 356794DEST_PATH_IMAGE006
L、k i =
Figure 145496DEST_PATH_IMAGE006
R；
L表示d轴电感分量及q轴电感分量的电感值，R表示定子电阻，
Figure 822465DEST_PATH_IMAGE006
表示带宽的控制参数。
8.根据权利要求1所述的永磁同步电机的速度控制方法，其特征在于，所述S5中，采用空间矢量脉宽调制SVPWM根据电压
Figure 260400DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 884279DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比。
9.一种永磁同步电机的速度控制***，其特征在于，所述***包括变换模块、电压复矢量构造模块、坐标转换模块、反变换模块和调制模块；
变换模块，与电压复矢量构造模块连接，用于采集永磁同步电机的三相交变电流，结合永磁同步电机转子的电角度
Figure 91269DEST_PATH_IMAGE001
，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流i d 、i q ，并发送给电压复矢量构造模块；
电压复矢量构造模块，与坐标转换模块连接，用于利用电流i d 、i q 构造电流复矢量i s ，利用电流复矢量i s 采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度
Figure 142402DEST_PATH_IMAGE002
构造电压复矢量u s ，并发送给坐标转换模块；
Figure 67633DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 229624DEST_PATH_IMAGE004
其中，e s =i sD -i S ，i sD 表示电流给定值，k p 表示PI控制器的比例增益，k i 表示PI控制器的积分增益，
Figure 556700DEST_PATH_IMAGE005
表示永磁体磁链，j表示虚部，电角速度
Figure 841051DEST_PATH_IMAGE002
是根据电角度
Figure 424217DEST_PATH_IMAGE001
获取的；
坐标转换模块，与反变换模块连接，用于根据电压复矢量u s 获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压u d 、u q ，并发送给反变换模块；
反变换模块，与调制模块连接，用于利用电角度
Figure 452215DEST_PATH_IMAGE001
、电压u d 、u q 得到永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 633798DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 26733DEST_PATH_IMAGE007
轴的电压
Figure 926556DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 430350DEST_PATH_IMAGE009
，并发送给调制模块；
调制模块，与永磁同步电机连接，用于根据电压
Figure 466439DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 92592DEST_PATH_IMAGE009
调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
10.根据权利要求9所述的永磁同步电机的速度控制***，其特征在于，所述***还包括龙伯格观测器和反三角函数模块；
龙伯格观测器，与反三角函数模块连接，用于根据输入
Figure 151815DEST_PATH_IMAGE016
得到反电动势的
Figure 521617DEST_PATH_IMAGE006
轴分量和
Figure 677792DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 911065DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 519900DEST_PATH_IMAGE014
，并发送给反三角函数模块，
Figure 427814DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 376178DEST_PATH_IMAGE011
分别表示永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下
Figure 344134DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 440266DEST_PATH_IMAGE007
轴的电流；
反三角函数模块，用于根据
Figure 89553DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 220320DEST_PATH_IMAGE014
得出电角度
Figure 296861DEST_PATH_IMAGE001
；
所述龙伯格观测器为：
Figure 614709DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 130004DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 551496DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 861255DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 666400DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 657490DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 497270DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 977929DEST_PATH_IMAGE022
表示X的估计值，
Figure 208054DEST_PATH_IMAGE023
表示Y的估计值，
Figure 799572DEST_PATH_IMAGE024
表示
Figure 962700DEST_PATH_IMAGE022
的一阶导数，
Figure 614261DEST_PATH_IMAGE025
，K为观测器增益，
Figure 830217DEST_PATH_IMAGE026
；L表示电感值，R表示定子电阻；k 1 表示观测器对电流分量的增益系数，k 2 表示观测器对电压分量的增益系数。
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