CN110635740A - 一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法。该方法首先在同步旋转坐标系下，对永磁同步伺服电机建立相应数学模型。接着采用速度电流双闭环控制的方法，通过电压前馈补偿调节器利用前馈量对永磁同步电机旋转时电压分量中产生的耦合量进行补偿，得到旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压，最后通过Park变换、空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)以及Clark变换实现对永磁同步电机的良好控制。本发明针对永磁同步电机在高速运转和经常正反转变换等工况下单独利用速度环无法满足系统控制要求的问题，提高了电机系统的控制性能。

Description

一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体的涉及永磁同步电机矢量控制电压前馈补偿方法。

背景技术

由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率密度高、响应速度快和安全性高等诸多优点等优点，在一些驱动领域已经逐渐取代了直流电机，被广泛地应用于柔性制造系统、风力发电，新能源汽车等诸多场所。因此对永磁同步电机的控制策略具有重要的应用价值。

目前，针对永磁同步电机的控制策略主要包括恒压频比控制、直接转矩控制、非线性智能控制以及矢量控制。恒压频比控制虽然能够获得较大的调速范围，但是不能满足对于高转矩工况的控制需求；直接转矩控制虽然实现简单，但是存在负载能力差、转矩脉动大等缺点；非线性智能控制只能用于中高速工况，不适合应用于电机转速低；矢量控制具有较小的脉动、良好的加速性能、控制精度高，因此在各类电机理论中应用广泛。而当电机因为负载变化时，尤其是在电机高速运转和经常正反转变换的工况下，传统的基于PI调节的矢量控制策略无法满足永磁同步电机的控制需求。因此在矢量控制的基础上，对其作出一定的改进，提高电机控制性能是非常有必要的。

发明内容

针对上述问题，为了克服因为负载变化及其他扰动对电机控制造成的影响，尤其是在高速运转和经常正反转变换的场合中，传统的矢量控制方法无法满足系统控制要求的问题，本发明提供了一种基于电压前馈补偿策略，通过引入电流环，利用电压前馈补偿调节器的前馈量对永磁同步电机旋转时电压分量中产生的耦合量进行补偿，形成电机转速与电机电流的双闭环反馈来提高电机系统的控制性能。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其主要包含以下步骤：

步骤1：本发明基于永磁同步电机相关模型之上，忽略铁损和涡流损耗，在同步旋转坐标系下，永磁同步电机在同步旋转坐标系下的定子电压方程和磁链方程可以表示为：

式中，i_d,i_q,u_d,u_q,L_d,L_q分别为d轴和q轴电流，电压和电感，ω_e为电气角速度，R_s为定子电阻，ψ_f为永磁体磁链。

步骤2：永磁同步电机旋转时的电压分量带有耦合量，通过增加前馈量u_d0＝-ω_eL_qi_q以及u_q0＝ω_eL_di_d+ω_eψ_f的策略，通过将电压前馈量与耦合量相互抵消，从而实现对电机的良性控制。将前馈补偿量带入电压输出方程得：

在将上式带入定子电压方程，可得：

式中，

为从电机转矩与电流关系获得的d轴和q轴的参考电流，G_i为调节器增益。

步骤3：静止的三相绕组ABC可以产生三相平衡的正弦电流i_a，i_b，i_c，可用两相静止相互垂直的α-β坐标系来代替三相绕组ABC坐标系。

式中，N₂电机两相绕组的匝数，N₃为电机三相绕组的匝数；i_a，i_b，i_c为电机各相绕组的电流；i_α，i_β为α-β坐标系中的定子电流。

步骤4：实现静止坐标系和旋转坐标系的转换，在磁动势的等式中可以将设定的中间参量匝数进行消去，令α轴与d轴的夹角为

从坐标系中能够得到各个电流之间的关系：

附图说明

图1为永磁同步电机矢量控制系统框图。

图2为电压前馈补偿控制系统图。

图3为Clark变换坐标系转换关系图。

图4为Park变换坐标系转换关系图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案、技术目的以及优点更加清楚，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

基于图1所示的永磁同步电机矢量控制系统框图，一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法的控制系统包括两个闭环环节、PMSM本体模块、坐标变换模块、SVPWM模块以及三相电压逆变器模块。

两个闭环环节分别为速度闭环和电流闭环，形成电机转速与电机电流的双闭环反馈。速度闭环采用传统的PI调节器，其能对电机速度进行跟随，减小超调量和静态误差；并决定电流环的参考电流；同时对转速实现限制，避免电机因为转速转矩变化过大受到影响。电流闭环能够对给定的电流参考信号进行跟随；并保证电机转速动态变化时以最大电流值变化，提高电机快速响应能力；同时保证电机不会因电流过高而烧毁。

在永磁同步电机相关先验模型的基础上，忽略贴心饱和；不计涡流和磁滞损耗；转子上无阻尼绕组，永磁体也无阻尼绕组；在同步旋转坐标系的基础上对永磁同步电机建立相应数学模型：

式中，i_d,i_q,u_d,u_q,L_d,L_q分别为d轴和q轴电流，电压和电感，ω_e为电气角速度，R_s为定子电阻，ψ_f为永磁体磁链。

进一步的，基于图2所示的电压前馈补偿控制系统图，由于永磁同步电机旋转时电压分量中存在耦合量ω_eL_qi_q、-ω_eL_di_d以及-ω_eψ_f，传统PI调节器不能实现的非线性调节，而且如果采用传统PI调节器来对含有耦合成分的参数进行调节，耦合量只会随着电机转速的加快而逐渐变大，导致电机控制系统的性能逐步恶化，因此本发明在PI调节器的基础上通过增加前馈量u_d0＝-ω_eL_qi_q以及u_q0＝ω_eL_di_d+ω_eψ_f的策略，通过将电压前馈量与耦合量相互抵消，从而实现对电机的良性控制。将前馈补偿量带入电压输出方程得：

在将上式带入定子电压方程，可得：

式中，

为从电机转矩与电流关系获得的d轴和q轴的参考电流，G_i为调节器增益。从上式中可以看出，耦合量被前馈量成功消去，实现了对于电机的解耦控制。

基于图3所示的Clark变换坐标系转换关系图，静止的三相绕组ABC可以产生三相平衡的正弦电流i_a，i_b，i_c，正弦电流产生的磁动势的旋转方向与电流相同。任意相绕组通入对称的电流都会产生旋转的磁动势，但是只有两相绕组是最简单的，因此将三相简化等效成两相绕组。同时两相静止相互垂直的α-β坐标系所产生的磁动势与三相绕组ABC坐标系所产生的的磁动势在大小、方向、速度上是等效的，因此可实现两相静止相互垂直的α-β坐标系与三相绕组ABC坐标系的转换。

式中，N₂电机两相绕组的匝数，N₃为电机三相绕组的匝数；i_a，i_b，i_c为电机各相绕组的电流；i_α，i_β为α-β坐标系中的定子电流。

基于图4所示的Park变换坐标系转换关系图，旋转坐标系下的d轴和q轴所产生的磁动势对于两个绕组来说位置是不变的。当绕组旋转时，磁动势也会跟着旋转，与α-β坐标系所产生的磁动势是等效的。因此可实现静止坐标系和旋转坐标系的转换。在磁动势的等式中可以将设定的中间参量匝数进行消去，令α轴与d轴的夹角为

从坐标系中能够得到各个电流之间的关系：

Claims (5)

1.一种基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、在同步旋转坐标系下，对永磁同步伺服电机建立相应数学模型；

步骤二、采用速度电流双闭环控制的方法，通过电压前馈补偿调节器利用前馈量对永磁同步电机旋转时电压分量中产生的耦合量进行补偿，得到旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压；

步骤三、通过Park变换、Clark变换等实现对永磁同步电机的进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：步骤一具体如下：

在同步旋转坐标系下，永磁同步电机在同步旋转坐标系下的定子电压方程和磁链方程可以表示为：

式中，i_d,i_q,u_d,u_q,L_d,L_q分别为d轴和q轴电流，电压和电感，ω_e为电气角速度，R_s为定子电阻，ψ_f为永磁体磁链。

3.根据权利要求2所述的基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：步骤二中所述的速度电流双闭环控制的方法具体如下：

永磁同步电机旋转时的电压分量带有耦合量，通过增加前馈量u_d0＝-ω_eL_qi_q以及u_q0＝ω_eL_di_d+ω_eψ_f的策略，通过将电压前馈量与耦合量相互抵消，从而实现对电机的良性控制。将前馈补偿量带入电压输出方程得：

在将上式带入定子电压方程，可得：

式中，

为从电机转矩与电流关系获得的d轴和q轴的参考电流，G_i为调节器增益。

4.根据权利要求1所述的基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：所述Clark变换具体如下：

静止的三相绕组ABC可以产生三相平衡的正弦电流i_a，i_b，i_c，可用两相静止相互垂直的α-β坐标系来代替三相绕组ABC坐标系：

式中，N₂电机两相绕组的匝数，N₃为电机三相绕组的匝数；i_a，i_b，i_c为电机各相绕组的电流；i_α，i_β为α-β坐标系中的定子电流。

5.根据权利要求1所述的基于电压前馈补偿策略的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于：所述的Park变换，具体如下：

实现静止坐标系和旋转坐标系的转换，在磁动势的等式中可以将设定的中间参量匝数进行消去，令α轴与d轴的夹角为

从坐标系中能够得到各个电流之间的关系：

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