永磁同步電機的控制系統、控制方法及無人飛行器與流程
本發明涉及永磁同步電機控制技術領域，特別是涉及一種永磁同步電機的控制系統、控制方法及無人飛行器。
背景技術：
永磁同步電機由于具備功率密度高、體積小、不需要勵磁、功率因素高以及位置控制精度高等優點，在高性能控制系統中得到了越來越廣泛的應用。
現有的永磁同步電機的控制系統包括外環速度環和內環電流環，所述外環速度環產生定子電流的給定值，所述內環電流環得到實際控制信號，從而使現有的永磁同步電機控制系統構成一個雙閉環系統。
然而，在實現本發明實施例的過程中，發明人發現在現有永磁同步電機控制系統的實現過程中，由于外環速度環和內環電流環中參數過多，需要進行大量的參數計算和調節，從而降低了控制系統的動態響應速度。
技術實現要素：
本發明實施方式主要解決的技術問題是提供一種永磁同步電機控制系統、控制方法及無人飛行器，其能夠提高永磁同步電機控制系統的動態響應速度。
為解決上述技術問題，本發明實施方式采用的一個技術方案是：提供一種永磁同步電機的控制系統，包括坐標變換單元、控制單元、信號處理單元和逆變器；
所述坐標變換單元用于將三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換成d-q同步旋轉坐標系下的實際定子電流Id和Iq；
所述控制單元用于將給定定子電流Idref和所述實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref；
所述信號處理單元用于將所述給定d軸電壓Udref和給定q軸電壓Uqref處理調制成控制信號；
所述逆變器用于將所述控制信號調制所述定子三相對繞組的實際電流，并驅動所述永磁同步電機運行。
在其中一些實施方式中，所述控制單元包括減法器和電流環積分分離PI調節器；所述減法器用于計算所述給定定子電流Idref和所述實際定子電流Id的差值；所述電流環積分分離PI調節器用于將所述差值進行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓Udref。
在其中一些實施方式中，所述信號處理單元包括Park逆變換單元和空間矢量調制器；所述Park逆變換單元用于將所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref轉換成αβ兩相靜止坐標系下的電壓分量Uα和Uβ；所述空間矢量調制器用于對所述電壓分量Uα和Uβ計算處理，輸出脈寬控制信號。
在其中一些實施方式中，所述坐標變換單元包括Clarke變換單元和Park變換單元；所述Clarke變換單元用于將三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換成αβ兩相靜止坐標系下的定子電流Iα和Iβ；所述Park變換單元用于將所述定子電流Iα和Iβ轉換成d-q同步旋轉坐標系下的定子電流Id和Iq。
本發明還提供一種無人飛行器，包括機身和安裝于所述機身上的永磁同步電機，所述永磁同步電機包括上述任一項所述的永磁同步電機的控制系統。
本發明還提供一種永磁同步電機的控制方法，包括：
將三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換成d-q同步旋轉坐標系下的實際定子電流Id和Iq；
輸入給定定子電流Idref，并根據所述給定定子電流Idref和所述實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref；
輸入給定q軸電壓Uqref，并根據所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref處理調制成控制信號；
將所述控制信號調制所述永磁同步電機的定子三相對稱繞組的實際電流，驅動所述永磁同步電機運行。
在其中一些實施方式中，所述控制方法還包括將所述永磁同步電機的控制系統進行標幺化。
在其中一些實施方式中，所述永磁同步電機控制系統以所述永磁同步電機的額定電壓和額定電流為基準值進行標幺化處理，所述給定q軸電壓Uqref的大小與永磁同步電機的給定轉速ωref的大小相等。
在其中一些實施方式中，先將所述給定定子電流Idref和所述實際定子電流Id計算差值，再對所述差值進行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓Udref。
在其中一些實施方式中，所述給定定子電流Idref和所述給定q軸電壓Uqref通過數字信息處理系統輸出。
本發明實施方式的有益效果是：本發明的永磁同步電機的控制系統的控制單元僅包括一個電流環，減小了永磁同步電機的控制系統中的參數計算和調節，從而提高了永磁同步電機的控制系統的動態響應速度。
附圖說明
圖1是本發明實施方式的永磁同步電機的矢量控制系統框圖。
圖2是本發明實施方式的永磁同步電機的控制方法流程圖。
圖3是采用圖1所示的永磁同步電機的矢量控制系統的實驗結果圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
需要說明的是，當一個元件被稱為“電連接”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“電連接”另一個元件，它可以是接觸連接，例如，可以是導線連接的方式，也可以是非接觸式連接，例如，可以是非接觸式耦合的方式。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。
下面結合附圖，對本發明的一些實施方式作詳細說明。在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
圖1示出了本發明實施方式的永磁同步電機100的控制系統框圖，包括坐標變換單元101、控制單元103、信號處理單元105以及逆變器107。逆變器107的輸出端與永磁同步電機100的輸入端連接，坐標變換單元101的輸入端連接在逆變器107和永磁同步電機100之間，坐標變換單元101的輸出端與控制單元103的輸入端連接，控制單元103的輸出端與信號處理單元105的輸入端連接，信號處理單元105的輸出端與逆變器107的輸入端連接。
在進一步描述永磁同步電機100的控制系統的工作過程之前，值得說明的是，本發明實施方式中，永磁同步電機100的控制系統已經進行標幺化處理，以使采用標幺值表示的形式與實際值表示的形式一致。本發明實施方式中，優選永磁同步電機100的額定電壓和額定電流作為永磁同步電機100的控制系統的基準值進行標幺化，其他物理量均可由所述兩個基準值推算出來。由于本領域普通技術人員結合本發明實施例，可以理解永磁同步電機的控制系統的標幺化處理，故在本發明實施方式中不再進行贅述。
坐標變換單元101用于將永磁同步電機100的三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換成d-q同步旋轉坐標系下的定子電流Id和Iq。具體來說，坐標變換單元101包括用于將三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換到αβ兩相靜止坐標系下的定子電流Iα和Iβ的變換單元，即Clark變換單元1011，以及用于將定子電流Iα和Iβ轉換到d-q同步旋轉坐標系下的定子電流Id和Iq的變換單元，即Park變換單元1012。
控制單元103用于根據給定定子電流Idref和實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref，即控制單元103包括一個電流環。本發明實施方式中，控制單元103包括減法器1031和電流環積分分離PI調節器1032。具體來說，首先，上位系統輸入給定定子電流Idref至減法器1031，同時坐標變換單元101輸出實際定子電流Id至減法器1031；其次，減法器1031根據給定定子電流Idref和實際定子電流Id得出的差值；再其次，減法器1031將所述差值輸出至電流環積分分離PI調節器1032，電流環積分分離PI調節器1032對所述差值進行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓Udref。本發明實施方式中，給定定子電流Idref＝0。本發明中的術語“上位系統”是指與永磁同步電機100的控制系統通信連接的其他系統，例如數字信息處理系統。
信號處理單元105用于根據控制單元103輸出的所述給定d軸電壓Udref和上位系統輸出的給定q軸電壓Uqref處理調制成控制信號。本發明實施方式中，信號處理單元105包括Park逆變換單元1051和空間矢量調制器1052。具體來說，首先，Park逆變換單元1051將所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref轉換成αβ兩相靜上坐標系下的電壓分量Uα和Uβ；其次，Park逆變換單元1051將電壓分量Uα和Uβ輸出至空間矢量調制器1052，空間矢量調制器1052對所述電壓分量Uα和Uβ計算處理，輸出脈寬控制信號。可以理解的是，信號處理單元105也可以僅包括空間矢量調制器1052，也就是說，所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref直接輸入空間矢量調制器1052，并由空間矢量調制器1052計算處理，輸出脈寬控制信號。本發明實施方式中，上位系統輸出的給定q軸電壓Uqref的大小與永磁同步電機100的給定轉速ωref的大小相等。
逆變器107用于根據信號處理單元105輸出的控制信號，得到控制定子三相對稱繞組的實際電流，驅動永磁同步電機100運行。
本發明中，永磁同步電機100的控制系統的控制單元103僅包括一個根據給定定子電流Idref和實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref的電流環，再根據上位系統輸出的給定q軸電壓Uqref，即可由信號處理單元105得到控制信號，并進一步經逆變器107驅動永磁同步電機100運行。由于控制單元103中僅包括一個電流環，減小了永磁同步電機100的控制系統中的參數計算和調節，從而提高了永磁同步電機100的控制系統的動態響應速度。
本發明實施方式還提供一種無人飛行器，所述無人飛行器包括機身、安裝于所述機身上的永磁同步電機100，永磁同步電機100用于給所述無人飛行器提供動力。所述無人飛行器上的永磁同步電機100包括本發明的永磁同步電機100的控制系統，由于所述控制系統僅包括一個電流環，減小了永磁同步電機100的控制系統中的參數計算和調節，提高了永磁同步電機100的控制系統的動態響應速度，從而提高了所述無人飛行器的快速響應速度。
請參閱圖2，本發明實施方式還提供一種采用上述永磁同步電機100的控制系統的控制方法，包括以下步驟：
S1，將永磁同步電機100的控制系統進行標幺化。
本發明實施方式中，優選永磁同步電機100的額定電壓和額定電流作為永磁同步電機100的控制系統的基準值進行標幺化。
S2，將三相定子電流Ia、Ib和Ic轉換成d-q同步旋轉坐標系下的實際定子電流Id和Iq。
本發明實施方式中，先將三相定子電流Ia、Ib和Ic通過Clark變換轉換到αβ兩相靜上坐標系下的定子電流Iα和Iβ，再通過Park變換將定子電流Iα和Iβ轉換到d-q同步旋轉坐標系下的實際定子電流Id和Iq。
S3，輸入給定定子電流Idref，并根據所述給定定子電流Idref和實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref。
本發明實施方式中，先將給定定子電流Idref和實際定子電流Id通過減法器1031計算差值，再通過電流環積分分離PI調節器1032對所述差值進行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓Udref。
S4，輸入給定q軸電壓Uqref，并根據所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref處理調制成控制信號。
本發明實施方式中，先將所述給定d軸電壓Udref和所述給定q軸電壓Uqref通過信號處理單元105的Park逆變換單元1051轉換成αβ兩相靜上坐標系下的電壓分量Uα和Uβ；再通過空間矢量調制器1052對所述電壓分量Uα和Uβ計算處理，輸出脈寬控制信號。本發明實施方式中，上位系統輸出的給定q軸電壓Uqref的大小與永磁同步電機100的給定轉速ωref的大小相等。
S5，將所述控制信號調制永磁同步電機100的定子三相對稱繞組的實際電流，驅動永磁同步電機100運行。
可以理解的是，上述控制方法中的步驟S1也可以取消，當S1取消后，步驟S4中的給定q軸電壓Uqref的值可以根據控制需求進行設定。
本發明的永磁同步電機100的控制方法中，僅需要輸入給定定子電流Idref，并根據所述給定定子電流Idref和實際定子電流Id計算輸出給定d軸電壓Udref；再根據給定d軸電壓Udref和給定q軸電壓Uqref處理調制即可得到控制信號，減小了永磁同步電機100的控制系統中的參數計算和調節，從而提高了永磁同步電機100的控制系統的動態響應速度。
請參閱圖3，示出了采用本發明實施方式的永磁同步電機100的控制系統的永磁同步電機的實驗結果。
圖3為在永磁同步電機增速過程對定子三相對稱繞組的實際電流和逆變器107中輸入的控制信號波形記錄，其中，實際電流波形200為平滑的正弦波，所述控制信號形成的調制波形300為馬鞍波。從圖3中可以看出，實際電流波形200與調制波形300同步度非常高，也就是說，永磁同步電機的控制系統具有優良的動態響應速度，滿足對動態響應速度的負載，例如無人飛行器對于永磁同步電機的控制系統的要求。
以上所述僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
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