專利名稱：：一種永磁同步電機直接轉矩控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種永磁同步電機直接轉矩控制方法，是一種利用空間矢量調制的永磁同步電機(PMSM)直接轉矩的控制方法，屬于交流電機傳動
技術領域：
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背景技術：
：直接轉矩控制是高性能的電機控制方案，在異步電機上已經得到比較成熟的應用，如ABB公司生產的ACS600變頻器，有文獻將其控制思想應用于永磁同步電機獲得了優良的動態特性，但仍然存在以下幾個問題1)由于通常的逆變器只能產生6個有效空間電壓矢量和2個零矢量，而在永磁同步電機直接轉矩控制的開關表中只利用這6個有效電壓矢量來實施控制，可供選擇的矢量非常少；2)在同時控制磁鏈和轉矩時，8個空間電壓矢量沒有一個可以較準確地同時滿足系統對磁鏈和轉矩的雙重要求，會產生較大的磁鏈和轉矩脈動；3)直接轉矩控制采用滯環比較器來實施轉矩和磁鏈誤差的閉環控制，不可避免會造成功率器件開關頻率不固定，影響了功率器件開關頻率的最優化使用，在一定程度上造成較大的磁鏈和轉矩脈動。在《電工技術學報》2002年第17巻第1期711頁刊登的"永磁同步電機直接轉矩控制系統理論及控制方案的研究"一文(作者田淳等)，對直接轉矩控制方法應用于永磁同步電機控制進行了改進，提出了在開關表內容中增加零矢量且將兩點式滯環比較器改為三點式滯環比較器的方法，該方法可以在一定程度上減小系統的磁鏈和轉矩脈動，但仍然存在前述的三個問題，并沒有從根本上得到解決。在《電氣傳動》2003年第1期1821頁刊登的"一種恒定開關頻率的永磁同步電動機直接轉矩控制方法"(作者李練兵等)。該方法利用DSP對功率器件的控制周期是系統采樣周期的整數倍來實現功率器件開關頻率恒定，從而解決了前述的第三個問題。但該技術仍然存在不足1)由于功率器件的開關周期是系統采樣周期的整數倍，因此會存在磁鏈和轉矩誤差超過所設置的誤差范圍才實施控制，即不能精確控制磁鏈和轉矩；2)開關表內容仍然存在且還是只能利用最多8個空間電壓矢量，無法同時滿足系統對磁鏈和轉矩的雙重要求，因此磁鏈和轉矩脈動仍然較大。
發明內容要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種永磁同步電機直接轉矩控制方法，直接在定子坐標系下分析PMSM的數學模型以及控制電機的磁鏈和轉矩，不需要將PMSM與直流電機作比較、等效、轉化和像矢量控制那樣的旋轉坐標變換等復雜的變換和計算。同時由于采用空間矢量的概念來分析PMSM的數學模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。本發明方法的控制原理框圖如圖1所示。其中，磁鏈和轉矩估計器計算當前時刻定子磁鏈和轉矩的估計值，轉矩估計值與轉矩參考值之間的誤差經過一簡單的PI調節器得到定、轉子磁鏈動態速度差A化.，再與穩態旋轉速度w之和即可得到定子磁鏈總的旋轉速度，即下一個采樣周期給定的磁鏈的參考速度^，在得到了總的磁鏈旋轉速度《:后，通過參考磁鏈計算模型可得到在下一個采樣周期給定的參考磁鏈矢量V:.。參考磁鏈矢量<與估計的當前時刻的磁鏈矢量^通過簡單的計算可以得到在下一采樣周期應施加的空間電壓矢量U:，空間電壓矢量U:再經過空間矢量調制(SpaceVectorModulation,SVM)發生器產生電壓源逆變器的開關信號，從而驅動永磁同步電機。永磁同步電機動態變化過程如圖2所示。技術方案本發明是一種根據定子磁鏈和轉矩各自誤差的大小采用參考磁鏈計算模型計算控制這些誤差收斂的參考定子電壓矢量，再以空間矢量調制(SVM)發生器的方式發出電壓逆變器的開關信號，以控制永磁同步電機轉矩的方法。技術特征在于它依次含有以下步驟(1)根據設定的速度參考值"和電機編碼器輸出的速度反饋值w進行pi調節，得到參考轉矩7;'，7;、/^.^+《,J^&，(z^〉o,a:,一o)，其中~=^-;(2)參考轉矩t;'與估算轉矩7;之差經pi調節得到定子磁鏈和轉子磁鏈旋轉速度差=/^2'^+/:,.2]^^，(《p2>0,《2>o)，其中er=re'—re;(3)定轉子磁鏈旋轉速度差A必,與轉子速度w相加得到定子磁鏈總的旋轉速度，即下一個采樣周期應給定的磁鏈的參考速度《；(4)將^和當前估算的定子磁鏈^采用參考磁鏈模型得到下一個采樣周期期望的參考磁鏈矢量^;所述的參考磁鏈模型步驟為a)由w:.r、相乘得到在下一時刻的定子磁鏈角度的變化量a3;b)由&+a5相加得在下一時刻參考磁鏈的相位角Z;c)根據L=卜,l'eQS。得到參考磁鏈《在靜止兩相坐標系M下的分j(5)根據j=—得到磁鏈誤差Av^在靜止兩相坐標系下的分量;l化P，,/Ls/J(6)根據t/.-化L得到參考電壓矢量K在a^坐標系下的分量，其中，r、為系統采樣周期；(7)根據空間矢量調制方法SVM對參考電壓矢量K進行電壓矢量合成，得到逆變器所需要的三相開關控制信號&、&、sc。所述的步驟2、4和5中，當前時刻定子磁鏈估計值w,、/,.和轉矩的估計值7;由如下步驟得到(1)通過電壓、電流傳感器以及相應的信號處理電路從交流供電的逆變器電路中測得電機相電流^、/s、^及母線電壓f^;(2)由于逆變器在一個采樣周期內的開關狀態&、&、&,已知，因此由下式計算定子電流和定子電壓在靜止兩相坐標系a/下的分量(3)根據Jf計算當前磁鏈在"/坐標系下的分量^a和^.^(4)根據|^=>,。2+^/計算當前磁鏈幅值ld，根據r、=肌加(~V.J計算相位(5)根據7;=|^/)(^.^-^/,。)計算轉矩估計值7;。所述的參考速度^電機額定速度。所述的參考磁鏈幅值|^|=電機轉子永磁體磁鏈幅值。所述的根據永磁同步電機本身特性和系統性能要求設定《p，、&和~2、尺,2，并滿足A^〉0、尺,^0和i^2〉0、^2>o。有益效果本發明方法同直接轉矩控制相比具有以下優點1)采用參考磁鏈計算模型單元和空間電壓矢量調制單元替代了直接轉矩控制中的磁鏈和轉矩的滯環比較器和開關表，依據磁鏈和轉矩誤差的大小精確計算出控制這些誤差收斂的定子電壓矢量，因此磁鏈和轉矩脈動大大減小；2)通過SVM方法可以合成所需要的任意空間電壓矢量，從理論上來說可以達到無窮多個；3)實現了逆變器功率器件開關頻率的恒定和功率器件最優化使用。圖1:基于空間矢量調制的PMSM直接轉矩控制方法原理框圖圖2:定子磁鏈動態控制原理圖圖3:生成空間電壓矢量《的向量圖圖4:電機轉速響應曲線圖5:電機轉矩響應曲線圖6:定子相電流/,響應曲線圖7:轉矩角5變化曲線圖8:轉矩角增量A5變化曲線圖9:轉矩角增量A5穩態時的放大圖圖10:定子磁鏈軌跡圖lh系統硬件電路結構框圖具體實施例方式現結合附圖對本發明作進一步描述本發明的實施例的系統硬件結構如圖ll所示，包括整流電路、濾波電路、逆變器、隔離驅動電路、電流和電壓檢測電路、中央處理器和人機接口電路，此外，對于本系統還可以增加編碼器來檢測電機轉速，從而構成永磁同步電機調速控制系統。為驗證本發明方法，采用Matlab7.1-Simulink6.0進行仿真驗證。仿真中永磁同步電機參數為UN=220v;"尸=4;/、=2.875Q;Zrf=8.5mH;丄《=8.5mH;^=0.175Wb;=3000(Wmin)。具體仿真條件設定為空載啟動，初始速度1200(Wmin)，O.ls階躍至1400(Wmin)，在0.2s時突加負載至2NTn,最大轉矩限定為4N-m。實施例包含的具體步驟如下1.設定尺,2，^=0.2;~2=5000，《2=0.01;2.設定參考速度o、1200(Wmin)，小于電機額定速度；3.設定參考磁鏈幅值k:卜0.175附，等于電機轉子永磁體磁鏈幅值。4.計算當前時刻定子磁鏈估計值v,和轉矩的估計值t;如下.-(4.1).通過電壓、電流傳感器以及相應的信號處理電路從交流供電的逆變器電路中測得電機相電流/,、/fl、^及母線電壓C^;(4.2).由下式計算定子電流和定子電壓在靜止兩相坐標系a/下的分量(4.3).計算當前磁鏈在^坐標系下的分量L和W:，=A(4.4).由下式計算當前磁鏈幅值k.l和相位角r,:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(4.5).由下式計算轉矩估計值z;:『e，dC5.通過以下步驟實施電機控制(5.1).由以下步驟獲得參考轉矩7;':(5丄1).(5.1.2).r:=&.+尺"^(^>o,&>o)(5.2).定子磁鏈和轉子磁鏈旋速度度差Aw,-(5.2.1).er=r'-r(5.2.2).=&2,er+《2J"e一,(&2>0,,2>0)(5.3).定轉子磁鏈旋速度度差Acy、與轉子速度"相加得到定子磁鏈總的旋速度度，即下一個采樣周期應給定的磁鏈的參考速度^;(5.4).將已知的^和當前估算的定子磁鏈^(包括磁鏈幅值^l和相位角^)輸入至參考磁鏈計算模型來得到下一個采樣周期期望的參考磁鏈矢量^:(5.4.1).由^T、就可以得到在下一時刻的定子磁鏈角度的變化量A5;(5.4.2).再由y,+M即可算出在下一時刻參考磁鏈的相位角r:;(5.4.3).通過下式計算參考磁鏈《.在靜止兩相坐標系"/下的分量(5.5).計算磁鏈誤差AM/、在靜止兩相坐標系a/下的分量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，z;為系統采樣周期；(5.7).根據空間矢量調制(SVM)來進行電壓矢量合成(圖5)，計算逆變器所需要的三相開關控制信號&、&、(5.7.1).由下式計算參考定子電壓矢量的幅值l^l和相位角^:p:=arctan(";/CO(5.7.2).通過"確定合成參考定子電壓的兩個相鄰基本電壓矢量0S《《三，定子電壓矢量在第I扇區，采用^和仏|《"S,，定子電壓矢量在第II扇區，采用^和"，2p:S;r，定子電壓矢量在第m扇區，采用"和";rSp^，，定子電壓矢量在第IV扇區，采用[/4和"宇^:S警，定子電壓矢量在第V扇區，采用"5和"6，《"S2;r，定子電壓矢量在第VI扇區，采用K和C/,(5.7.3).釆用由下式計算定子電壓矢量相鄰的有效電壓矢量f/w和和零矢量"7和[/8作用的時間<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(5.7.4).隨著u:的增加，輸出電壓的基波電壓幅值也線性增加，零矢量作用的時間r。逐漸減小，但應滿足以下關系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(5.7.5).根據基本電壓矢量和零矢量以及各自作用的時間確定逆變器三相開關控制信號s,、ss、逆變器產生的有效電壓矢量和零矢量所對應的三相開關信號分別為t/,C^&sc):u"100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、U6(101)和兩個零電壓矢量u7(ooo)、u8(i11);在一個svm周期r、.內基本電壓矢量f/w和和零矢量t/7和"s作用順序如下"作用r。/4—c/w作用7;/2—+,作用rw+1/2—f/8作用r。/2—作用r屈/2~>t/w作用4/2—1/7作用r。/4;根據基本電壓矢量與逆變器三相開關信號&、&、^.之間的對應關系，得出逆變器開關控制信號，從而驅動永磁同步電機。圖4為轉速響應曲線，圖5為轉矩響應曲線，圖6為定子相電流響應曲線。圖7一圖16分別為轉矩角5變化曲線、轉矩角增量A5變化曲線、轉矩角增量A5穩態時的放大圖、定子磁鏈軌跡。權利要求1.一種永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于根據定子磁鏈和轉矩各自誤差的大小采用參考磁鏈計算模型計算出控制這些誤差收斂的參考定子電壓矢量，再以空間矢量調制發生器的方式發出電壓逆變器的開關信號，以控制永磁同步電機轉矩的方法，具體而言，它依次含有以下步驟(1)根據設定的速度參考值ω*和電機編碼器輸出的速度反饋值ω進行PI調節，得到參考轉矩Te*，<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>e</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>p</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>·</mo><msub><mi>e</mi><mi>ω</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mo>∫</mo><mi>e</mi></mrow><mi>ω</mi></msub><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S200710019081XC00011.gif"wi="183"he="27"img-content="drawing"img-format="tif"/-->(Kp1＞0，Ki1＞0)，其中eω＝ω*-ω；(2)參考轉矩Te*與估算轉矩Te之差經PI調節得到定子磁鏈和轉子磁鏈旋轉速度差ΔωsΔωs＝Kp2·eT+Ki2∫eTdt，(Kp2＞0，Ki2＞0)，其中<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msub><mi>e</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>e</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>T</mi><mi>e</mi></msub><mo>;</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0002"file="S200710019081XC00012.gif"wi="93"he="20"img-content="drawing"img-format="tif"/-->(3)定轉子磁鏈旋轉速度差Δωs與轉子速度ω相加得到定子磁鏈總的旋轉速度，即下一個采樣周期應給定的磁鏈的參考速度ωs*；(4)將ωs*和當前估算的定子磁鏈ψs采用參考磁鏈模型得到下一個采樣周期期望的參考磁鏈矢量ψs*；所述的參考磁鏈模型步驟為a)由ωs*·Ts相乘得到在下一時刻的定子磁鏈角度的變化量Δδ；b)由γs+Δδ相加得在下一時刻參考磁鏈的相位角γs*；c)根據<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>ψ</mi><mi>sα</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>|</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>s</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>|</mo><mo>·</mo><mi>cos</mi><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mo>*</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>ψ</mi><mi>sβ</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>|</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>s</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>|</mo><mo>·</mo><mi>sin</mi><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mo>*</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0003"file="S200710019081XC00013.gif"wi="126"he="64"img-content="drawing"img-format="tif"/-->得到參考磁鏈ψs*在靜止兩相坐標系αβ下的分量；(5)根據<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>sα</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>sα</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>sα</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>sβ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>sβ</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>sβ</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0004"file="S200710019081XC00014.gif"wi="131"he="56"img-content="drawing"img-format="tif"/-->得到磁鏈誤差Δψs在靜止兩相坐標系αβ下的分量；(6)根據<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>U</mi><mi>sα</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>sα</mi></msub></mrow><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>U</mi><mi>sβ</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>sβ</mi></msub></mrow><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0005"file="S200710019081XC00015.gif"wi="96"he="101"img-content="drawing"img-format="tif"/-->得到參考電壓矢量Us*在αβ坐標系下的分量，其中，Ts為系統采樣周期；(7)根據空間矢量調制方法SVM對參考電壓矢量Us*進行電壓矢量合成，得到逆變器所需要的三相開關控制信號SA、SB、SC。2.根據權利要求1所述的永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于所述的步驟2、4和5中，當前時刻定子磁鏈估計值v,、/、和轉矩的估計值7;由如下步驟得到(1)通過電壓、電流傳感器以及相應的信號處理電路從交流供電的逆變器電路中測得電機相電流/,/fl、一及母線電壓t/^(2)由于逆變器在一個采樣周期內的開關狀態&、&、&.已知，因此由下式計算定子電流和定子電壓在靜止兩相坐標系下的分量(3)根據l計算當前磁鏈在C^坐標系下的分量^。和V^=J("/(4)根據lll=>,。2計算當前磁鏈幅值k,l，根據八-arctan(V,J計算相位角K;(5)根據t;^ivv/,adv,a)計算轉矩估計值7;。3.根據權利要求1所述的永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于所述的參考速度O)'s電機額定速度。4.根據權利要求1所述的永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于所述的參考磁鏈幅值|^|=電機轉子永磁體磁鏈幅值。5.根據權利要求1所述的永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于所述的根據永磁同步電機本身特性和系統性能要求設定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>，并滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>全文摘要本發明涉及一種永磁同步電機直接轉矩控制方法，技術特征在于根據磁鏈和轉矩估計器計算當前時刻定子磁鏈和轉矩的估計值，轉矩估計值與轉矩參考值之間的誤差經過一簡單的PI調節得到定、轉子磁鏈動態速度差Δω<sub>s</sub>，再與穩態旋轉速度ω之和即可得到定子磁鏈總的旋轉速度，得到了總的磁鏈旋轉速度ω<sub>s</sub><sup>*</sup>后，通過參考磁鏈計算模型可得到在下一個采樣周期給定的參考磁鏈矢量ψ<sub>s</sub><sup>*</sup>。參考磁鏈矢量ψ<sub>s</sub><sup>*</sup>與估計的當前時刻的磁鏈矢量ψ<sub>s</sub>通過簡單的計算可以得到在下一采樣周期應施加的空間電壓矢量U<sub>s</sub><sup>*</sup>，空間電壓矢量U<sub>s</sub><sup>*</sup>再經過空間矢量調制方法產生電壓源逆變器的開關信號。有益效果由于采用空間矢量的概念來分析PMSM的數學模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。文檔編號H02P27/06GK101286724SQ20071001908公開日2008年10月15日申請日期2007年11月16日優先權日2007年11月16日發明者劉衛國,周熙煒,郎寶華,駱光照申請人:西北工業大學