永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器与流程

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器。

背景技术：

永磁同步电机由于具备功率密度高、体积小、不需要励磁、功率因素高以及位置控制精度高等优点，在高性能控制系统中得到了越来越广泛的应用。

现有的永磁同步电机的控制系统包括外环速度环和内环电流环，所述外环速度环产生定子电流的给定值，所述内环电流环得到实际控制信号，从而使现有的永磁同步电机控制系统构成一个双闭环系统。

然而，在实现本发明实施例的过程中，发明人发现在现有永磁同步电机控制系统的实现过程中，由于外环速度环和内环电流环中参数过多，需要进行大量的参数计算和调节，从而降低了控制系统的动态响应速度。

技术实现要素：

本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机控制系统、控制方法及无人飞行器，其能够提高永磁同步电机控制系统的动态响应速度。

为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的控制系统，所述控制系统包括坐标变换单元、控制单元、信号处理单元和逆变器；

所述坐标变换单元用于将所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；

所述控制单元包括d轴电流控制环和q轴电流控制环，所述d轴电流控制环用于对给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id进行计算，输出给定d轴电压Udref；所述q轴电流控制环用于对给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，输出给定q轴电压Uqref；

所述信号处理单元用于将所述给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref调制成控制信号；

所述逆变器用于将所述控制信号转换为所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib和Ic，并驱动所述永磁同步电机运行。

在其中一些实施方式中，所述控制单元的所述d轴电流控制环包括减法器和比例积分PI调节器；所述减法器用于计算所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id的差值；所述比例积分PI调节器用于将所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。

在其中一些实施方式中，所述控制单元的所述q轴电流控制环包括减法器和比例积分PI调节器；所述减法器用于计算所述给定定子电流Iqref和所述实际定子电流Iq的差值；所述比例积分PI调节器用于将所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定q轴电压Uqref。

在其中一些实施方式中，所述信号处理单元包括Park逆变换单元和空间矢量调制器；所述Park逆变换单元用于将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref转换成αβ两相静止坐标系下的电压分量Uα和Uβ；所述空间矢量调制器用于对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。

在其中一些实施方式中，所述坐标变换单元包括Clarke变换单元和Park变换单元；所述Clarke变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成αβ两相静止坐标系下的定子电流Iα和Iβ；所述Park变换单元用于将所述定子电流Iα和Iβ转换成d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq。

本发明还提供一种无人飞行器，包括机身和安装于所述机身上的永磁同步电机组件，所述永磁同步电机组件包括如上述中任一项所述的永磁同步电机的控制系统。

本发明还提供一种采用如上述中任一项所述的永磁同步电机的控制系统的控制方法，包括：

将所述永磁同步电机的控制系统进行标幺化处理；

将所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；

接收给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id进行计算，输出给定d轴电压Udref；接收给定定子电流Iqref，并根据所述给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，输出给定q轴电压Uqref。

将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref调制成控制信号；

将所述控制信号转换为所述永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib和Ic，驱动所述永磁同步电机运行。

在其中一些实施方式中，将经标幺化处理的给定转速ωref赋值给所述给定定子电流Iqref。

在其中一些实施方式中，所述给定定子电流Idref的值为0。

在其中一些实施方式中，先将所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算差值，再对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref；先将所述给定定子电流Iqref和所述实际定子电流Iq计算差值，再对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定q轴电压Uqref。

本发明实施方式的有益效果是：本发明的永磁同步电机的控制系统的控制单元仅包括双电流控制环，减小了永磁同步电机的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机的控制系统的动态响应速度。

附图说明

图1是本发明实施方式的永磁同步电机的矢量控制系统框图。

图2是本发明实施方式的永磁同步电机的控制方法流程图。

图3是采用图1所示的永磁同步电机的矢量控制系统的实验结果图。

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。

需要说明的是，当一个元件被称为“电连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了本发明实施方式的永磁同步电机100的控制系统框图，包括坐标变换单元101、控制单元103、信号处理单元105以及逆变器107。逆变器107的输出端与永磁同步电机100的输入端连接，坐标变换单元101的输入端连接在逆变器107和永磁同步电机100之间，坐标变换单元101的输出端与控制单元103的输入端连接，控制单元103的输出端与信号处理单元105的输入端连接，信号处理单元105的输出端与逆变器107的输入端连接。

在进一步描述永磁同步电机100的控制系统的工作过程之前，值得说明的是，本发明实施方式中，永磁同步电机100的控制系统已经进行标幺化处理，以使采用标幺值表示的形式与实际值表示的形式一致。本发明实施方式中，优选永磁同步电机100的额定电压和额定电流作为永磁同步电机100的控制系统的基准值进行标幺化，其他物理量均可由所述两个基准值推算出来。由于本领域普通技术人员结合本发明实施例，可以理解永磁同步电机的控制系统的标幺化处理，故在本发明实施方式中不再进行赘述。

坐标变换单元101用于将永磁同步电机100的三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq。具体来说，坐标变换单元101包括用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换到αβ两相静止坐标系下的定子电流Iα和Iβ的变换单元，即Clarke变换单元1011，以及用于将定子电流Iα和Iβ转换到d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq的变换单元，即Park变换单元1012。

控制单元103包括双电流控制环，其中一个电流控制环为d轴电流控制环1031，用于对给定定子电流Idref和实际定子电流Id进行计算，输出给定d轴电压Udref；另一个电流控制环为q轴电流控制环1032，用于对给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，输出给定q轴电压Uqref。

本发明实施方式中，d轴电流控制环1031和q轴电流控制环1032均包括减法器1033和比例积分PI调节器1034。具体来说，对于d轴电流控制环1031的控制过程，首先，减法器1033接收给定定子电流Idref，同时坐标变换单元101输出实际定子电流Id至减法器1033；其次，减法器1033根据给定定子电流Idref和实际定子电流Id进行计算，得出差值；再其次，减法器1033将所述差值输出至比例积分PI调节器1034，比例积分PI调节器1034对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。本发明实施方式中，给定定子电流Idref＝0，且给定定子电流Idref由与永磁同步电机100的控制系统通信连接的飞控系统给予的一个控制信号进行赋值。

对于q轴电流控制环1032的控制过程，首先，减法器1033接收给定定子电流Iqref，同时坐标变换单元101输出实际定子电流Iq至减法器1033；其次，减法器1033根据给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，得出差值；再其次，减法器1033将所述差值输出至比例积分PI调节器1034，比例积分PI调节器1034对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定q轴电压Uqref。本发明实施方式中，接收的给定定子电流Iqref的大小与永磁同步电机100的给定转速ωref的大小相等，也就是说，将经标幺化处理的给定转速ωref赋值给给定定子电流Iqref，且给定定子电流Idref由与永磁同步电机100的控制系统通信连接的飞控系统给予的一个控制信号进行赋值。

信号处理单元105用于将控制单元103输出的所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref调制成控制信号。本发明实施方式中，信号处理单元105包括Park逆变换单元1051和空间矢量调制器1052。具体来说，首先，Park逆变换单元1051将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref转换成αβ两相静上坐标系下的电压分量Uα和Uβ；其次，Park逆变换单元1051将电压分量Uα和Uβ输出至空间矢量调制器1052，空间矢量调制器1052对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。

逆变器107用于将信号处理单元105输出的控制信号转换为永磁同步电机的三相定子电流Ia、Ib和Ic，驱动永磁同步电机100运行。

本发明中，永磁同步电机100的控制系统的控制单元103仅包括双电流控制环，通过d轴电流控制环1031得到给定d轴电压Udref，通过q轴电流控制环1032得到给定q轴电压Uqref，即可由信号处理单元105处理得到控制信号，并进一步经逆变器107驱动永磁同步电机100运行。由于控制单元103中仅包括双电流控制环，不包括速度环，减少了永磁同步电机100的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机100的控制系统的动态响应速度。

本发明实施方式还提供一种无人飞行器，所述无人飞行器包括机身、安装于所述机身上的永磁同步电机组件，所述永磁同步电机组件用于给所述无人飞行器提供动力。所述无人飞行器上的永磁同步电机组件包括本发明的永磁同步电机的控制系统，由于所述控制系统仅包括双电流控制环，减少了永磁同步电机的控制系统中的参数计算和调节，提高了永磁同步电机的控制系统的动态响应速度，从而提高了所述无人飞行器的快速响应速度。

请参阅图2，本发明实施方式还提供一种采用上述永磁同步电机100的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，将永磁同步电机100的控制系统进行标幺化处理。

本发明实施方式中，优选永磁同步电机100的额定电压和额定电流作为永磁同步电机100的控制系统的基准值进行标幺化。

S2，将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq。

本发明实施方式中，先将三相定子电流Ia、Ib和Ic通过Clarke变换转换到αβ两相静上坐标系下的定子电流Iα和Iβ，再通过Park变换将定子电流Iα和Iβ转换到d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq。

S3，接收给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和实际定子电流Id进行计算，输出给定d轴电压Udref；接收给定定子电流Iqref，并根据所述给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，输出给定q轴电压Uqref。

本发明实施方式中，先将给定定子电流Idref和实际定子电流Id通过减法器1033计算差值，再通过比例积分PI调节器1034对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。本发明实施方式中，给定定子电流Idref＝0。

本发明实施方式中，先将给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq通过减法器1033计算差值，再通过比例积分PI调节器1034对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定q轴电压Uqref。本发明实施方式中，将经标幺化处理的给定转速ωref赋值给所述给定定子电流Iqref。

S4，将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref调制成控制信号。

本发明实施方式中，先将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref通过信号处理单元105的Park逆变换单元1051转换成αβ两相静上坐标系下的电压分量Uα和Uβ；再通过空间矢量调制器1052对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。

S5，将所述控制信号转换为永磁同步电机100的三相定子电流Ia、Ib和Ic，驱动永磁同步电机100运行。

本发明的永磁同步电机100的控制方法中，仅需要通过d轴电流控制环，接收给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和实际定子电流Id进行计算，输出给定d轴电压Udref；通过q轴电流控制环，接收给定定子电流Iqref，并根据所述给定定子电流Iqref和实际定子电流Iq进行计算，输出给定q轴电压Uqref；再将给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref调制成控制信号，减少了永磁同步电机100的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机100的控制系统的动态响应速度。

请参阅图3，示出了采用本发明实施方式的永磁同步电机100的控制系统的永磁同步电机的实验结果。

图3为在永磁同步电机增速过程对定子三相对称绕组的实际电流和逆变器107中输入的控制信号波形记录，其中，实际电流波形200为平滑的正弦波，所述控制信号形成的调制波形300为马鞍波。从图3中可以看出，实际电流波形200与调制波形300同步度非常高，也就是说，永磁同步电机的控制系统具有优良的动态响应速度，满足对动态响应速度的负载，例如无人飞行器对于永磁同步电机的控制系统的要求。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。