专利名称：永磁同步电机的非线性动态校正方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁同步电机调节控制方法，具体为永磁同步电机的一种非线性动态校正方法。
(二)技术背景通常的同步电机控制，有变频控制和自同步控制两种。变频控制即采用变频器直接驱动同步电机实现开环或速度闭环控制，由于同步电机在力矩平衡点处存在固有振荡、失步等现象，普通变频器难以对同步电机进行有效的控制特别是高精度伺服控制，因此较少采用。目前同步电机的控制以自控方式为主，即通过检测转子空间位置(d轴矢量)，控制器使电机定子三相电流的合成磁势矢量(q轴矢量)位于超前或滞后于转子磁场空间矢量90度电角度，这样，单位电流下获得的电磁力矩最大。当电机的电枢电流较小时，电机电磁转矩最大点在电角度差90度附近出现，且在360度电角度范围内电磁转矩值与电角度的关系基本按正弦变化。但随着电流的增大，转矩最大点所对应的电角度越来越偏离90度。这种现象，也被理解为电机电流加大时，因磁通的饱和、永磁材料的退磁等因素造成力矩系数非线性化。因此，如果保持定子磁场矢量与转子磁场矢量始终相差90度，在电流较大时，工作点偏离了最大转动力矩点，单位电流产生的电磁力矩下降，电机效率因此而降低，并且电机转动的最大加速度下降，动态响应特性变差。
发明内容本发明的目的是设计一种永磁同步电机的非线性动态校正方法，用以对矩角特性随电流的变化而发生扭曲的特征进行非线性动态校正，以期在任何负载运行状况下，即不同电流的工作状态下，使电机输出转矩处于最佳工作点附近，提高电机的运行效率和动态特性指标。
本发明设计的永磁同步电机非线性动态校正方法为控制器根据传感器检测的转子空间位置矢量角度控制定子三相电流的矢量方向，使电机定子三相绕组的合成磁势矢量位于超前或滞后于转子磁场空间矢量一定的电角度，它包括如下步骤第1步，在电机定子绕组上通入三相正弦波电流，改变电流的有效值大小，在各个电流值下测量电机定子与转子磁场矢量之间不同的电角度差时的电机电磁转矩值，作出一组不同电流值下电磁转矩与电气角度关系曲线，即一组矩角特性曲线，并找出各条矩角特性曲线上的转矩最大值点对应的电气角度；第2步，将数据存入控制器中；第3步，控制器实施控制时，先通过传感器测量计算出电机的转子磁场空间矢量的电角度，并换算成电气角度θ，根据所存贮数据值，按定子实际电流大小找到与之相近的电流下测得的矩角特性曲线，得到该电流下最大转矩点对应的电气角度φ，控制器根据转子磁场所处的电气角度θ及最大转矩点对应的电气角度φ控制定子三相绕组合成磁场矢量方向，保证电气角度对应该电流下最大转矩，从而保证电机的力矩-电流关系得到非线性动态校正。
采用本发明的方法使得控制器对永磁同步电机矩角特性随电流的变化而发生扭曲的特征自行适应，即在不同的电机电流下，动态控制q轴矢量与d轴矢量之间的电气角度随着矩角特性的偏移而偏移，始终追随最大力矩点的变化，即可在任何负载运行状况下使电机输出转矩-定子电流特性处于最佳工作点附近，提高电机的运行效率和动态特性指标。本发明解决了传统观念上的“力矩系数非线性”难以实时动态校正的问题，使得同步电机控制尤其是伺服控制达到更高效率、更好动态调速特性。
图1为永磁同步电机在不同电流下测得的一组矩角特性曲线示意图。
第1步，矩角特性测量，是进行动态校正前进行的相关测量，预先在电机定子绕组上通入三相正弦波电流，改变电流有效值的大小，如取额定电流的30％、90％、150％、210％、270％，在各个电流值下测量电机定子与转子磁场矢量之间不同的电角度差时的电机电磁转矩值，取足够多的测量点，得到一组不同电流值下电磁转矩与电气角度关系曲线，即一组矩角特性曲线，如图1所示。图中可见，电流增大时，对应最大电磁转矩的电气角度或角度区间在理想电角度90度的基础上增加了偏移量Δθ。
第2步，有关数据的存贮，在各条矩角特性曲线上找出转矩最大值点对应的电气角度或角度区间，将数据存入控制器中。控制器中预先存贮的数据为不同电流值下具有若干个特征点的电磁转矩与电气角度关系的表格数据。或为根据表格数据生成的表征表格数据电磁转矩与电气角度关系规律的运算方法。二者均可获得在不同负载电流下输出矢量的电气角度偏移量。
第3步，控制器实施控制时，先通过传感器测量计算出电机的转子磁场空间矢量的电角度，并换算成电气角度θ，根据所存贮数据值，按定子实际电流大小找到与之相近的电流下测得矩角特性曲线，得到该电流下最大转矩点对应的电气角度φ，控制器根据转子磁场所处的电气角度θ及最大转矩点对应的电气角度φ控制定子三相绕组合成磁场矢量方向。如需定子三相绕组的合成磁场矢量领先转子磁场矢量，则采用θ+φ作为三相绕组的合成磁场矢量电角度；如需定子三相绕组的合成磁场矢量落后于转子磁场矢量，则采用θ-φ作为三相绕组的合成磁场矢量电角度。保证电气角度对应该电流下最大转矩，从而保证电机的力矩-电流关系的得到非线性动态校正。
按实际电流查找对应最大电磁转矩的电角度偏移量时，可采用上述的近似法，或者根据实际电流大小找出预先存贮的的相近电流的矩角特性曲线，根据预先存贮的数据进行插补运算获得实际电流下最大转矩点对应的电角度偏移量。
权利要求
1一种永磁同步电机的非线性动态校正方法，由控制器根据传感器检测的转子空间位置矢量角度来控制定子三相电流的矢量，使电机定子三相绕组的合成磁势矢量位于超前或滞后于转子磁场空间矢量一定的电角度；其特征为还包括如下步骤第1步，在电机电枢绕组上通入三相正弦波电流，改变电流的有效值，在各个电流值下测量电机定子与转子磁场矢量之间不同的电角度差时的电机电磁转矩值，作出一组不同电流值下电磁转矩与电气角度关系曲线，即一组矩角特性曲线，并找出各条矩角特性曲线上的转矩最大值点对应的电气角度，第2步，将数据存入控制器中；第3步，控制器实施控制时，先通过传感器测量计算出电机的转子磁场空间矢量的电角度，并换算成电气角度θ，根据所存贮数据值，按定子实际电流大小找到与之相近的电流下测得的矩角特性曲线，得到该电流下最大转矩点对应的电气角度φ，控制器根据转子磁场所处的电气角度θ及最大转矩点对应的电气角度φ控制定子三相绕组合成磁场矢量方向。
2根据权利要求1所述的永磁同步电机的非线性动态校正方法，其特征为其中所述的第1步测定矩角特性曲线时，预先在电机定子绕组上通入三相正弦波电流，改变电流的有效值，如取额定电流的30％、90％、150％、210％、270％，在各个电流值下测量电机定子与转子磁场矢量之间不同的电角度差时的电机电磁转矩值，取足够测量点，得到一组不同电流值下电磁转矩与电气角度关系曲线，即一组矩角特性曲线。
3根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的非线性动态校正方法，其特征为其中所述的第3步控制器实施控制时，如需定子三相绕组的合成磁场矢量领先转子磁场矢量，则采用θ+φ作为三相绕组的合成磁场矢量电角度；如需定子三相绕组的合成磁场矢量落后于转子磁场矢量，则采用θ-φ作为三相绕组的合成磁场矢量电角度。
4根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的非线性动态校正方法，其特征为其中所述的第2步，控制器中预先存贮的数据为不同电流值下具有若干个特征点的电磁转矩与电气角度关系的表格数据；或为根据表格数据生成的表征表格数据电磁转矩与电气角度关系规律的运算方法。
5根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的非线性动态校正方法，其特征为其中所述的第3步控制器实施控制时，根据实际电流大小找出预先存贮的相近电流的矩角特性曲线，根据预先存贮的数据进行插补运算获得实际电流下最大转矩点对应的电角度偏移量。
全文摘要
本永磁同步电机的非线性动态校正方法第1步，在各电流值测量电机定子与转子磁场矢量间不同电角度差时的电机电磁转矩值，作出矩角特性曲线；第2步，数据存入控制器；第3步，按定子实际电流大小找到与之相近的电流下的矩角特性曲线，使得该电流下最大转矩点对应的电气角度φ，控制器根据转子磁场所处电气角度θ及最大转矩点对应的电气角度φ控制定子三相绕组合成磁场矢量方向。本法使控制器对电机矩角特性随电流变化而发生扭曲的特征自行适应，即在不同的电流下，动态控制电气角度随着矩角特性的偏移而偏移，始终追随最大力矩点的变化，即任何运行状况下电机力矩－电流关系得到非线性动态校正，近于最佳工作点，提高电机运行效率和动态特性指标。
文档编号H02P7/00GK1558547SQ20041002175
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月18日 优先权日2004年1月18日
发明者吕虹, 吕 虹 申请人:桂林星辰电力电子有限公司