专利名称：基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法， 属永磁同步电机调速方法。
背景技术：
目前电励磁同步电机常用的控制系统为矢量控制系统和直接转矩控制系 统。矢量控制从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题，很快被移植 到同步电机。矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身 具有良好的解耦性，它可以分别通过控制其电枢电流和激磁电流来达到控制电 机转矩的目的。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为激磁分量和转矩分 量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定 子电流的幅值大小，又需要控制定子电流空间相量的相位。永磁电机矢量控制 在理论上日趋完美，但在实现过程中较为复杂，这主要表现为磁体位置的偏移、 磁性材料的分布不均匀、电流传感器非线性化和电流调节器的局限等因素。
1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随后 日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案。直接转矩控制系统的特点如 下(1)在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的转矩和磁链， 避免了复杂的静止旋转坐标变换；(2)控制系统所用的是定子磁链，只要知道 定子电阻就可以把它观测出来，参数鲁棒性好；(3)将转矩和磁链直接作为被 控量，没有电流控制环节节，实现简单；(4)对转矩直接控制，转矩控制的动 态性能高。直接转矩控制的缺点如下对定子磁链和电磁转矩采用的是滞环节 控制，磁链幅值、转矩存在脉动，定子电流谐波含量较高，它的稳态控制性能 不如矢量控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于转矩角正弦值线性控制的电励 磁同步电机控制方法。
一种基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法，其特征在于 将由速度传感器检测到的电励磁同步电机实际转速w ，将给定的电励磁同步电机
转速^与实际转速W依次经过PI环节、限幅环节得到电励磁同步电机瞬时转矩 角正弦值sii^';将给定的电励磁同步电机定子磁链幅值/以及电励磁同步电机 瞬时转矩角正弦值sin^、电励磁同步电机气当前磁链矢量&的相角《经过目标 定子磁链矢量环节得到电励磁同步电机下一时刻目标定子磁链矢量^+1;将电励
磁同步电机下一时刻目标定子磁链矢量^;+1与电励磁同步电机当前定子磁链矢
量^作矢量差得到电励磁同步电机定子磁链变化量A^ ，将电励磁同步电机定子 磁链变化量A^经过空间矢量调制环节生成得到三相全桥逆变器的三相占空比 即A相占空比",、B相占空比A、 C相占空比"c，将所述三相占空比经过三相 全桥逆变器得到电励磁同步电机在静止"6c坐标下的三相相电流即A相电流^ 、 B相电流^、 C相电流L,采用所述三相相电流驱动电励磁同步电机得到电励磁 同步电机输出的目标电磁转矩7;; * +1时刻电励磁同步电机的目标电磁转矩为<formula>formula see original document page 6</formula>
其中A为当前时刻，L为电励磁同步电机定子漏感，p为电励磁同步电机 极对数，^为电励磁同步电机当前气隙磁链矢量，电励磁同步电机当前定子
磁链矢量A及其相角《的求取包括以下步骤
(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压f^，采用 所述直流母线电压^与三相全桥逆变器的三相占空比即A相占空比Z),、 B相 占空比Z)B 、 C相占空比&组合计算得出电励磁同步电机在静止"c坐标下的三 相相电压即A相电压"M、 B相电压""、C相电压"^:
<formula>formula see original document page 6</formula>将电励磁同步电机在静止"c坐标下的A相电压"M、 B相电压^、 C相电 压"5￡进行磁势不变的3/2变换得到电励磁同步电机在静止""坐标系下的定子 电压即"相定子电压^、"相定子电压i^:
(2) 采用电流传感器检测得到电励磁同步电机在静止《6c坐标下的三相相 电流即A相电流^、 B相电流^、 C相电流,；并进行磁势不变的3/2变换得到 电励磁同步电机在静止"/ 坐标系下的定子电流即"相定子电流^、/9相定子电
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3) 利用电励磁同步电机在静止"p坐标系下的"相定子电压"M、 -相定 子电压~和"相定子电流,;相定子电流,；计算得到电励磁同步电机在静止 "p坐标系下的a相定子磁链V^， -相定子磁链w<formula>formula see original document page 7</formula> ，其中R为定子绕组电阻，
再将式电励磁同步电机在静止"-坐标系下的"相定子磁链^ ， -相定子 磁链^V经过"-坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机当前定子磁链矢量
&的幅值^和相角
<formula>formula see original document page 7</formula>
利用电励磁同步电机在静止"/ 坐标系下的a相定子磁链^。， ^相定子磁 链^和"相定子漏磁H 、 相定子漏磁求得电励磁同步电机在静止"/ 坐 标系下的"相气隙磁链^^、"相气隙磁链^w:
再将电励磁同步电机在静止"-坐标系下的"相气隙磁链vu、 p相气隙磁 链^经过";9坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机气隙磁链矢量&的相
角<formula>formula see original document page 7</formula>
本发明通过线性调节sinf可以线性调节转矩，减小了转矩脉动，减小了定 子电流谐波；在动态过程中，通过直接调节^w^来迅速改变转矩，具有良好的
动态性能。该系统中无坐标变换，无电流环节，实现简单；只需辨识定子磁链 (直接转矩控制要同时辨识定子磁链与电磁转矩)；没有用到任何转子参数，无 需辨识任何转子量，参数鲁棒性好，在电励磁同步电机调速场合将有广泛的应
用前景。
图1:本发明基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机调速系统框图； 图2:目标定子磁链矢量计算示意图3:本发明6时刻控制电励磁同步电机占空比计算原理图。
具体实施例方式
如图l， 一种基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法，其 特征在于由速度传感器检测到的电励磁同步电机实际转速《 ，将给定的电励磁 同步电机转速^与实际角转速"依次经过PI环节、限幅环节得到电励磁同步 电机瞬时转矩角正弦值sin^ ;将给定的电励磁同步电机定子磁链幅值—以及 电励磁同步电机瞬时转矩角正弦值sin^ 、电励磁同步电机气当前磁链矢量^ 的相角《经过目标定子磁链矢量环节得到电励磁同步电机下一时刻目标定子 磁链矢量<+1;将电励磁同步电机下一时刻目标定子磁链矢量<+1与电励磁同 步电机当前定子磁链矢量&作矢量差得到电励磁同步电机定子磁链变化量 △ ^ ，将电励磁同步电机定子磁链变化量A一经过空间矢量调制环节生成得到三 相全桥逆变器的三相占空比即A相占空比Z), 、 B相占空比DB 、 C相占空比i)e ， 将所述三相占空比经过三相全桥逆变器得到电励磁同步电机在静止"c坐标下 的三相相电流即A相电流,;。、B相电流^、 C相电流,；，采用所述三相相电流
驱动电励磁同步电机得到电励磁同步电机输出的目标电磁转矩t;;
* +1时刻电励磁同步电机的目标电磁转矩为<formula>formula see original document page 8</formula>
其中it为当前时刻，i^为电励磁同步电机定子漏感，^为电励磁同步电机 极对数，^为电励磁同步电机当前气隙磁链矢量，电励磁同步电机当前定子 磁链矢量^及其相角《的求取包括以下步骤
(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压t^，采用 所述直流母线电压t^与三相全桥逆变器的三相占空比即A相占空比Z),、 B相 占空比2)fl 、 C相占空比&组合计算得出电励磁同步电机在静止Mc坐标下的三
相相电压即A相电压ii,。、 B相电压&、 C相电压"，<formula>formula see original document page 9</formula>将电励磁同步电机在静止"c坐标下的A相电压",。、B相电压i^、 C相电 压"w进行磁势不变的3/2变换得到电励磁同步电机在静止""坐标系下的定子 电压即"相定子电压"^、 / 相定子电压i^:
(2 )采用电流传感器检测得到电励磁同步电机在静止坐标下的三相相 电流即A相电流^、 B相电流^、 C相电流,；并进行磁势不变的3/2变换得到
电励磁同步电机在静止"/ 坐标系下的定子电流即"相定子电流C、"相定子电 流'V
(3)利用电励磁同步电机在静止"p坐标系下的"相定子电压"w、 P相定 子电压"^和"相定子电流L、P相定子电流^计算得到电励磁同步电机在静止 "/ 坐标系下的《相定子磁链^ ,"相定子磁链^<formula>formula see original document page 9</formula> ，其中R为定子绕组电阻，
再将式电励磁同步电机在静止""坐标系下的"相定子磁链V^， P相定子
磁链W经过""坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机当前定子磁链矢量 &的幅值^和相角《+&:
<formula>formula see original document page 10</formula>
利用电励磁同步电机在静止"々坐标系下的"相定子磁链^。，々相定子磁 链^和"相定子漏磁A上、/ 相定子漏磁k"求得电励磁同步电机在静止"^坐 标系下的"相气隙磁链^、々相气隙磁链^:<formula>formula see original document page 10</formula>
再将电励磁同步电机在静止""坐标系下的"相气隙磁链(^、々相气隙磁 链l-经过《々坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机气隙磁链矢量&的相 角
<formula>formula see original document page 10</formula>
如图2所示，先将电励磁同步电机当前气隙磁链矢量&旋转* r角度得
到电励磁同步电机下一控制周期气隙磁链矢量^ ，电励磁同步电机下一控制
周期气隙磁链矢量 ^的相角为《+ *r;电励磁同步电机下一时刻目标定子 磁链矢量<+1的相角为^ + H^rW，电励磁同步电机下一 时刻目标定子磁链矢 量^+1的长度为电励磁同步电机定子磁链给定幅值,，其中r为中断周期时 间、^为系统瞬时转速角频率；
如图3所示，以6时刻控制电励磁同步电机为例。将电励磁同步电机目标 定子磁链矢量^+1与电励磁同步电机当前定子磁链矢量&作矢量差得到定子
磁链变化量A^，将所述定子磁链变化量A^通过矢量合成可得<formula>formula see original document page 10</formula>其中F为参考电压矢量与定子电阻压降的差，由F,和F^的作用时间々和 进一步求得三相全桥逆变器的三相占空比<formula>formula see original document page 10</formula>
当<formula>formula see original document page 10</formula>贝U
<formula>formula see original document page 11</formula>本发明是通过直接线性的调节电励磁同步电机的转矩角正弦值来控制转 矩。在电励磁同步电机维持定子磁链幅值不变的情况下，电机的电磁转矩如下 式所示
<formula>formula see original document page 11</formula>，其中为电励磁同步电机定子磁链幅值。 由上式可见，电机的电磁转矩与转矩角正弦值成线性关系。通过直接线性 地调节电励磁同步电机的瞬时功率角正弦值就可以迅速线性地调节转矩。
附图1给出了基于转差线性控制的电励磁同步电机调速方法的原理框图， 它由转速环节、目标定子磁链矢量生成环节节、空间矢量调制环节节、定子磁 链辨识环节节、三相全桥逆变器、电励磁同步电机组成。
在静态时，通过线性调节^^'可以线性调节转矩，减小了转矩脉动，减小
了定子电流谐波；在动态过程中，通过直接调节^^来迅速改变转矩，具有良 好的动态性能。
权利要求
1. 一种基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法，其特征在于由速度传感器检测到的电励磁同步电机实际转速ω，将给定的电励磁同步电机转速ω*与实际转速ω依次经过PI环节、限幅环节得到电励磁同步电机瞬时转矩角正弦值sin δ*；将给定的电励磁同步电机定子磁链幅值ψ*以及电励磁同步电机瞬时转矩角正弦值sin δ*、电励磁同步电机当前磁链矢量的相角θk经过目标定子磁链矢量环节得到电励磁同步电机下一时刻目标定子磁链矢量将电励磁同步电机下一时刻目标定子磁链矢量与电励磁同步电机当前定子磁链矢量作矢量差得到电励磁同步电机定子磁链变化量将电励磁同步电机定子磁链变化量经过空间矢量调制环节生成得到三相全桥逆变器的三相占空比即A相占空比DA、B相占空比DB、C相占空比DC，将所述三相占空比经过三相全桥逆变器得到电励磁同步电机在静止abc坐标下的三相相电流即A相电流isa、B相电流isb、C相电流isc，采用所述三相相电流驱动电励磁同步电机得到电励磁同步电机输出的目标电磁转矩Te；k+1时刻电励磁同步电机的目标电磁转矩为其中k为当前时刻，Lsσ为电励磁同步电机定子漏感，p为电励磁同步电机极对数，为电励磁同步电机当前气隙磁链矢量，电励磁同步电机当前定子磁链矢量及其相角θk的求取包括以下步骤(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压Udc，采用所述直流母线电压Udc与三相全桥逆变器的三相占空比即A相占空比DA、B相占空比DB、C相占空比DC组合计算得出电励磁同步电机在静止abc坐标下的三相相电压即A相电压usa、B相电压usb、C相电压usc将电励磁同步电机在静止abc坐标下的A相电压usa、B相电压usb、C相电压usc进行磁势不变的3/2变换得到电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的定子电压即α相定子电压usα、β相定子电压usβ(2)采用电流传感器检测得到电励磁同步电机在静止abc坐标下的三相相电流即A相电流isa、B相电流isb、C相电流isc并进行磁势不变的3/2变换得到电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流isα、β相定子电流isβ(3)利用电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相定子电压usα、β相定子电压usβ和α相定子电流isα、β相定子电流isβ计算得到电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψsα,β相定子磁链ψsβ其中R为定子绕组电阻，再将式电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψsα,β相定子磁链ψsβ经过αβ坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机当前定子磁链矢量的幅值ψk和相角θk+δk利用电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψsα,β相定子磁链ψsβ和α相定子漏磁Lsσisα、β相定子漏磁Lsσisβ求得电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相气隙磁链ψmα、β相气隙磁链ψmβ再将电励磁同步电机在静止αβ坐标系下的α相气隙磁链ψmα、β相气隙磁链ψmβ经过αβ坐标到极坐标的变换求得电励磁同步电机气隙磁链矢量的相角
全文摘要
本发明公布了一种基于转矩角正弦值线性控制的电励磁同步电机控制方法，属电励磁同步电机调速方法。本发明调速方法在电励磁同步电机维持定子磁链幅值不变的情况下，通过直接线性的调节电励磁同步电机的转矩角正弦值来控制转矩。本发明结合了矢量控制对转矩线性调节和直接转矩控制直接调节转矩角、无电流闭环、无坐标变换的特点，实现简单，仅须辨识定子磁链，参数鲁棒性强，电流谐波小，转矩脉动小，磁链波动小，具有良好的调速性能。
文档编号H02P21/00GK101383582SQ200810155999
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者宇 王, 王晓琳, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学