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CN108155837A - 永磁电机控制系统延时获取方法及装置 - Google Patents

永磁电机控制系统延时获取方法及装置 Download PDF

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CN108155837A CN201810017939.7A CN201810017939A CN108155837A CN 108155837 A CN108155837 A CN 108155837A CN 201810017939 A CN201810017939 A CN 201810017939A CN 108155837 A CN108155837 A CN 108155837A
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Abstract

本发明提供了一种永磁电机控制系统延时获取方法及装置，该永磁电机控制系统延时获取方法包括：控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制角度补偿PI调节器产生延迟补偿角；利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；当电流控制PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。本发明考虑了电机控制系统非理想因素的影响，可以准确的获得永磁电机控制系统的延时。

Description

永磁电机控制系统延时获取方法及装置
技术领域
本发明涉及交流电机传动技术领域，特别是涉及一种永磁电机控制系统延时获取方法及装置。
背景技术
在大功率场合，逆变器开关频率一般小于1000赫兹，而电机频率要求达到几百赫兹。控制系统延时引起的电压幅值衰减和相位滞后较大，如果不对延时进行补偿，控制滞后会使得矢量控制系统动态性能恶化，磁场定向不准，电流调节器失效。严重时，会发生系统失控和电流振荡等不稳定现象。
目前，数字控制系统延时的计算主要依据系统控制时序图。但是在实际系统中，由于逆变器死区时间、采样滤波时间和开关器件延迟等非理想因素的影响，理论计算结果与实际延迟时间偏差较大。如何准确的计算出数字控制延时成为研究的难点。
发明内容
本发明实施例提供了一种永磁电机控制系统延时获取方法及装置，以准确的获得永磁电机控制系统的延时。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种永磁电机控制系统延时获取方法，该永磁电机控制系统延时获取方法包括：
控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制PI调节器产生延迟补偿角；
利用所述延迟补偿角对所述电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；
当PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。
一实施例中，控制PI调节器产生延迟补偿角，包括：控制PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，以利用延迟补偿角θcomp将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零；
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数。
一实施例中，利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正，包括：利用延迟补偿角θcomp将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零，计算公式如下：
其中，为修正后的d轴电压指令，为修正后的q轴电压指令，为PI调节器输出的d轴电压指令，为PI调节器输出的q轴电压指令。
一实施例中，利用延迟补偿角θcomp将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零后，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间Tdelay的计算公式如下：
其中，ω为电机的机械角速度，np为电机极对数。
一实施例中，永磁电机控制系统延时获取方法还包括：对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。
一实施例中，永磁电机控制系统延时获取方法还包括：根据两相静止坐标系下的电压指令产生PWM脉冲，对逆变器开关进行控制。
为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种永磁电机控制系统延时获取装置，包括：
控制单元，用于控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
补偿角产生单元，用于将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制PI调节器产生延迟补偿角；
修正单元，用于利用所述延迟补偿角对所述电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；
延时计算单元，用于根据所述被测电机的机械角速度及PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。
一实施例中，所述补偿角产生单元具体用于：控制PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数。
一实施例中，永磁电机控制系统延时获取装置还包括：反变换单元，用于对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。
一实施例中，永磁电机控制系统延时获取装置还包括：脉冲产生单元，用于根据两相静止坐标系下的电压指令产生PWM脉冲，对逆变器开关进行控制。
本发明考虑了电机控制系统非理想因素的影响，可以准确的获得永磁电机控制系统的延时，从而有效改善电机控制系统的动态性能，保证电机的稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的永磁电机控制系统延时获取方法流程图；
图2为本发明实施例的永磁电机矢量控制系统原理图；
图3为数字化的电机控制系统时序图；
图4是考虑数字控制延时的永磁电机矢量控制原理图；
图5为本发明实施例的延时获取原理图；
图6为考虑了延时补偿的永磁电机矢量控制原理图；
图7为本发明是实施例的永磁电机控制系统延时获取装置的结构框图一；
图8为本发明是实施例的永磁电机控制系统延时获取装置的结构框图二；
图9为本发明实施例的延时补偿原理图。
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做出创造性劳动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。
本发明提供了一种永磁电机控制系统延时获取方法，如图1所示，该永磁电机控制系统延时获取方法包括：
S101：控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
通过调节陪试电机，使其工作在恒定转速工况下，电机机械角速度为ω。被测电机采用的控制模式，同时给定被测电机q轴电流指令当被测电机处于稳态时，被测电机dq轴电流将跟踪指令电流，即id＝0，iq＝0。根据电机方程，可认为实际作用于被测电机上的d轴电压为零，即
S102：将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制角度PI调节器产生延迟补偿角；
将d轴电压指令作为角度补偿PI调节器的输入信号，通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，实现对控制延迟的补偿。
S103：利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正,以将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零；
S104：当电流控制PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。当d轴电压指令修正为零时，即可认为实现了对控制延时的精确补偿。
由图1所示的流程可知，本发明在被测电机运行在空载状态下控制角度补偿PI调节器产生延迟补偿角，通过对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正，得到PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时对应的延迟补偿角，基于该延迟补偿角计算延迟时间。上述流程考虑了电机控制系统非理想因素的影响，可以准确的获得永磁电机控制系统的延时。
图2为本发明实施例的永磁电机矢量控制系统原理图，如图2所示，电机控制系统采用电流闭环的控制模式，通过对陪试电机的控制，可以实现对被测电机转速的调节。被测电机采用的控制模式，通过改变被测电机q轴电流指令来实现对被测电机输出转矩的调节，电流环对电流误差进行比例积分调节，输出dq轴电压指令值和
控制角度补偿PI调节器产生延迟补偿角时，将d轴电压指令作为角度补偿PI调节器的输入信号，控制PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数。
在数字化电机控制系统中，电流和角度采样时刻到PWM(Pulse Wide Modulation脉宽调制)作用时刻之间存在延时，需要通过一定的算法去补偿这个延时，从而获得更好的实时控制性能。图3为数字化的电机控制系统时序图，如图3所示，根据控制该时序图，可对控制延时产生的原因进行分析，并得到数字控制系统延时的理论值。数字控2制系统在电流及角度采样后的一个采样周期Ts进行PWM电压指令的加载，进而实现PWM占空比的更新。因此，计算延时Tcal为采样时刻与PWM加载时刻之间的一个采样周期：Tcal≤Ts；更新之后的PWM脉冲将在t+Ts与t+2Ts之间作用到系统上，根据脉宽调制的平均原理，等效的PWM输出延时TPWM为：TPWM≈0.5Ts。因此，数字控制造成的延迟时间约为：Tdelay＝Tcal+TPWM≈1.5Ts。当电机机械角频率为ω时，由控制延时导致的角度滞后为θdelay＝npωTdelay。
基于上述角度之后，可以计算电机控制系统的延迟时间Tdelay，计算公式如下：
图4是考虑数字控制延时的永磁电机矢量控制原理图；参考图4可知，由于数字控制延时的影响，实际作用在被测电机上的电压矢量和电流控制PI调节器输出的电压指令值之间将存在偏差，二者之间的关系为：将其改写为标量形式，即：
为实际作用在电机上的电压矢量，因此，在稳态工况下永磁同步电机电压方程可表示为：
其中，id、iq分别为电机定子电压和定子电流在d轴和q轴上的分量；Ld和Lq分别为电机d轴和q轴电感；R和λf分别为定子电阻和永磁磁链。
图5为本发明实施例的延时获取原理图，如图5所示，通过控制陪试电机，使其工作在恒定转速工况下，电机机械角速度为ω。给定被测电机dq轴电流指令均为零，即使被测电机工作于空载工况。当被测电机处于稳态时，电机dq轴电流将跟踪指令电流，即id＝0，iq＝0。根据电机方程，可认为实际作用于电机上的d轴电压为零，即但是，由于数字控制延时的影响，实际作用于电机上的电压矢量和PI调节器输出的电压指令之间存在偏差，这将导致PI调节器输出的d轴电压指令不再为零。因此，可对空载下PI调节器输出的d轴电压指令进行比例积分调节，以产生延迟补偿角θcomp来对PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正。修正后的电压指令可表示为：
将上式表示为矩阵形式为：
基于公式(5)，可以利用所述延迟补偿角对所述电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正，公式(5)中，为修正后的d轴电压指令，为修正后的q轴电压指令，为PI调节器输出的d轴电压指令，为PI调节器输出的q轴电压指令。
图6为考虑了延时补偿的永磁电机矢量控制原理图，如图6所示，可由实际作用在电机上的电压矢量推导出PI调节器输出的电压指令计算公式为：
将上式表示为矩阵形式为：
由于被试电机始终处于空载工况，由前述分析可知，实际作用于电机上的d轴电压为零，即由上式可知，当θcomp＝θdelay时，将为零。因此，可将作为延时补偿的判断标准，当PI调节器输出的d轴电压指令修正为零时，即可认为实现了对控制延时的精确补偿。
在完成对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令单修正后，本发明实施例还可以对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。
利用电机角度对dq轴电压指令和进行反变换，将电压指令由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系。电压反变换公式为：
被测电机在两相静止坐标系下的电压指令为和
另外，电机控制系统可以根据电压指令和产生PWM脉冲，实现对逆变器开关管的控制。
本发明考虑了电机控制系统非理想因素的影响，可以准确的获得永磁电机控制系统的延时，从而有效改善电机控制系统的动态性能，保证电机的稳定运行。
基于与上述永磁电机控制系统延时获取方法相同的申请构思，本申请提供一种永磁电机控制系统延时获取装置，如下面实施例所述。由于该永磁电机控制系统延时获取装置解决问题的原理与永磁电机控制系统延时获取方法相似，因此该永磁电机控制系统延时获取装置的实施可以参见永磁电机控制系统延时获取方法的实施，重复之处不再赘述。
图7为本发明是实施例的永磁电机控制系统延时获取装置的结构框图，如图7所示，该永磁电机控制系统延时获取装置包括：
控制单元701，用于控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
补偿角产生单元702，用于将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制PI调节器产生延迟补偿角；
修正单元703，用于利用所述延迟补偿角对所述电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；
延时计算单元704，用于根据所述被测电机的机械角速度及PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。
一实施例中，补偿角产生单元702具体用于：控制PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数。
一实施例中，如图8所示，该永磁电机控制系统延时获取装置还包括：反变换单元801及脉冲产生单元802。反变换单元801用于对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。脉冲产生单元802用于根据两相静止坐标系下的电压指令产生PWM脉冲，对逆变器开关进行控制。
图9为本发明实施例的延时补偿原理图，如图9所示。利用式(2)得到的控制系统延时Tdelay可计算出电机在各转速下的延迟补偿角θcomp，计算公式为：
θcomp＝npωTdelay
利用延迟补偿角θcomp对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正。修正后的电压指令可表示为：
将上式表示为矩阵形式为：
基于公式(5)，可以利用所述延迟补偿角对所述电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正，公式(5)中，为修正后的d轴电压指令，为修正后的q轴电压指令，为PI调节器输出的d轴电压指令，为PI调节器输出的q轴电压指令。
本发明考虑了电机控制系统非理想因素的影响，可以准确的获得永磁电机控制系统的延时，从而有效改善电机控制系统的动态性能，保证电机的稳定运行。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，包括：
控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制角度补偿PI调节器产生延迟补偿角；
利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；
当电流控制PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。
2.根据权利要求1所述的永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，控制PI调节器产生延迟补偿角，包括：控制角度补偿PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，以利用延迟补偿角θcomp将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零；
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为角度补偿PI调节器的比例系数，ki为角度补偿PI调节器的积分系数。
3.根据权利要求1所述的永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正，包括：利用延迟补偿角θcomp将电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令修正为零，计算公式如下：
其中，为修正后的d轴电压指令，为修正后的q轴电压指令，为电流控制PI调节器输出的d轴电压指令，为电流控制PI调节器输出的q轴电压指令。
4.根据权利要求1所述的永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，根据所述被测电机的机械角速度及此时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间Tdelay的计算公式如下：
其中，ω为电机的机械角速度，np为电机极对数。
5.根据权利要求1所述的永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，还包括：对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。
6.根据权利要求5所述的永磁电机控制系统延时获取方法，其特征在于，还包括：根据两相静止坐标系下的电压指令产生PWM脉冲，对逆变器开关进行控制。
7.一种永磁电机控制系统延时获取装置，其特征在于，包括：
控制单元，用于控制被测电机以恒定转速运行于空载工况；
补偿角产生单元，用于将所述被测电机的d轴电压指令输入至电机控制系统的角度补偿PI调节器中，控制角度补偿PI调节器产生延迟补偿角；
修正单元，用于利用所述延迟补偿角对电流控制PI调节器输出的dq轴电压指令进行修正；
延时计算单元，用于根据所述被测电机的机械角速度及电流控制PI调节器输出的d轴电压指令被修正为零时对应的延迟补偿角计算电机控制系统的延迟时间。
8.根据权利要求7所述的永磁电机控制系统延时获取装置，其特征在于，所述补偿角产生单元具体用于：控制角度补偿PI调节器通过比例积分调节产生延迟补偿角θcomp，
延迟补偿角θcomp的计算公式为：
其中，为d轴电压指令，kp为角度补偿PI调节器的比例系数，ki为角度补偿PI调节器的积分系数。
9.根据权利要求7所述的永磁电机控制系统延时获取装置，其特征在于，还包括：反变换单元，用于对修正后的dq轴电压指令进行反变换，生成两相静止坐标系下的电压指令。
10.根据权利要求9所述的永磁电机控制系统延时获取装置，其特征在于，还包括：脉冲产生单元，用于根据两相静止坐标系下的电压指令产生PWM脉冲，对逆变器开关进行控制。
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