同步电机的力矩补偿控制系统及其力矩补偿控制方法
【专利摘要】本发明提出一种同步电机的力矩补偿控制方法，包括：S1，对同步电机的三相电流进行采样；S2，获得直轴电流Id和交轴电流Iq；S3，获得转子的估计角度，对转子的估计角度进行卡尔曼滤波处理获得滤波后的速度和滤波后的加速度；S4，根据滤波后的加速度、直轴电流Id和交轴电流Iq计算补偿电流Iq_com；S5，获得交轴目标电流Iqref，并获得直轴电压Vd，以及获得交轴电压Vq；S6，获得三相电压，并根据三相电压对同步电机进行控制。本发明的同步电机的力矩补偿控制方法可以降低计算的复杂性，减小相位滞后，还可以有效的降低噪声和抑制振动，提高同步电机的速度的平稳性。本发明还公开一种同步电机的力矩补偿控制系统。
【专利说明】同步电机的力矩补偿控制系统及其力矩补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动机【技术领域】，特别涉及一种同步电机的力矩补偿控制系统及其控 制方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步和生活水平的提高，用户对电器设备的舒适性提出了更高的要 求。对于家用电器和电动汽车而言，噪声性能是衡量系统性能的一个重要方面，而力矩波动 是永磁同步电机产生噪声的主要来源之一，因此，减小力矩波动是降低永磁同步电机噪声 的有效手段之一。
[0003] 现有技术中，对于减小电机的力矩波动有以下方案，方案1，通过建立基于谐波的 电机电压平衡方程对6次谐波进行补偿，能够使6次谐波明显减小，但是该方案计算量较 大，而且只是对固定次谐波进行补偿，应用范围存在局限；方案2,通过对电流和电压幅值 和相位进行补偿，达到减小低速力矩波动的目的，但是该方案的算法相对复杂，计算量大； 方案3和方案4,提出一种电机定位力矩的力矩补偿方案，减小了电机的力矩波动，增加了 电机速度的平稳性，但上述两种方案只针对电机的齿槽效应引起的定位力矩波动进行补 偿，应用范围也存在局限；方案5,将多层神经网络应用于永磁同步电机的力矩补偿，该方 案的算法十分复杂，计算量大，很难满足工程实时性要求。方案6,提出一种工程易实现的力 矩补偿方案，但是，该方案只针对表贴式电机，应用范围存在局限，而且加速度由速度经过 低通滤波得到，相位滞后较大。
[0004] 综上所述，现有技术存在的缺点是：加速度相位滞后大，算法复杂，计算量大，难以 满足工程实时性要求，应用范围存在局限。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种同步电机的力矩补偿控制系统，该系统加 速度的相位滞后小，计算简单，芯片资源占用率低，能够满足工程实时性要求，并且硬件成 本低，应用范围广。
[0007] 本发明的另一个目的在于提出一种同步电机的力矩补偿控制方法，该方法可以有 效的抑制同步电机的力矩波动，提高其速度的平稳性，从而达到降低同步电机的振动和噪 声的目的。
[0008] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出一种同步电机的力矩补偿控制系统， 该同步电机的力矩补偿控制系统包括：电流采样模块，用于采样所述同步电机的三相电流 la、lb、Ic;位置估计器，用于估计所述同步电机的转子的位置以获得转子的估计角度；卡 尔曼滤波模块，用于对所述转子的估计角度进行卡尔曼滤波处理以获得滤波后的速度和滤 波后的加速度；速度校正模块，用于根据所述目标速度对所述滤波后的速度进行速度校正 以获得交轴目标电流Iqref;第一坐标转换模块，用于对所述三相电流la、lb、Ic进行坐标 转换以获得直轴电流Id和交轴电流Iq;电流补偿计算模块，用于根据所述滤波后的加速 度、所述直轴电流Id和交轴电流Iq计算补偿电流;电流校正模块，用于根据直轴目标 电流Idref和所述直轴电流Id进行d轴电流校正以获得直轴电压Vd，并根据所述交轴目标 电流Iqref、所述交轴电流Iq和所述补偿电流进行q轴电流校正以获得交轴电压Vq; 第二坐标转换模块，用于对所述直轴电压Vd和交轴电压Vq进行坐标转换以获得控制所述 同步电机的三相电压Va、Vb、Vc。
[0009] 根据本发明实施例的同步电机的力矩补偿控制系统，通过卡尔曼滤波模块对转子 的估计角度进行卡尔曼滤波处理以获得滤波后的速度和滤波后的加速度，以及通过电流补 偿计算模块获得补偿电流，进而进行力矩补偿，可以降低同步电机的噪声和抑制同步电机 的振动，提高同步电机速度的平稳性。此外，该力矩补偿控制系统的加速度的相位滞后小， 芯片资源占用率和硬件成本低，能够满足工程实时性要求，应用范围广。
[0010] 其中，在本发明的一个实施例中，所述卡尔曼滤波模块用于离线计算卡尔曼增益。
[0011] 卡尔曼滤波模块通过离线计算卡尔曼增益可以降低计算的复杂性，因此，芯片资 源占用率低，能够满足工程实时性要求。
[0012] 具体地，在本发明的一个实施例中，所述卡尔曼滤波模块的增益矩阵可以根据
【权利要求】
1. 一种同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，包括： 电流采样模块，用于采样所述同步电机的三相电流la、lb、Ic ; 位置估计器，用于估计所述同步电机的转子的位置以获得转子的估计角度； 卡尔曼滤波模块，用于对所述转子的估计角度进行卡尔曼滤波处理以获得滤波后的速 度和滤波后的加速度； 速度校正模块，用于根据所述目标速度对所述滤波后的速度进行速度校正以获得交轴 目标电流Iqref ; 第一坐标转换模块，用于对所述三相电流la、lb、Ic进行坐标转换以获得直轴电流Id 和交轴电流Iq; 电流补偿计算模块，用于根据所述滤波后的加速度、所述直轴电流Id和交轴电流Iq计 算补偿电流; 电流校正模块，用于根据直轴目标电流Idref和所述直轴电流Id进行d轴电流校正以 获得直轴电压Vd，并根据所述交轴目标电流Iqref、所述交轴电流Iq和所述补偿电流Iq _ 进行q轴电流校正以获得交轴电压Vq ; 第二坐标转换模块，用于对所述直轴电压Vd和交轴电压Vq进行坐标转换以获得控制 所述同步电机的三相电压Va、Vb、Vc。
2. 如权利要求1所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波 模块离线计算卡尔曼增益。
3. 如权利要求2所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波 模块的增益矩阵根据以下公式计算得到： Kklt_^ Pk^l C^(CkPmCf+RkY1 其中，Rk为观测噪声方差，Ck为观测矩阵，C/为Ck的转置矩阵，K kllrt为所述卡尔曼滤 波模块的增益矩阵，PiM根据公式以^ =為/V1 +ft确定，Ak为状态转移矩阵，P k为协 方差矩阵，Qk为系统模型噪声的方差矩阵，A〖为Ak的转置矩阵。
4. 如权利要求3所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波 模块的滤波方程为： Λ Λ Λ Xaia- = XkiA-i+ Kk(Yt - Ck XW-i) 其中，为滤波后的状态向量，Yk根据公式Yk=CkXk+v k确定，Xk为状态向量，vk为观测 噪声序列，据公式Xi1H = 确定。
5. 如权利要求3所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波 模块的滤波方差根据以下公式计算得到： Pu^(Z-KkCk)Pkk ^l-KkCk)' +KkRkKl 其中，Pwt为所述卡尔曼滤波模块的滤波方差，I为单位矩阵。
6. 如权利要求1所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述电流补偿计 算模块根据以下公式计算所述补偿电流: Iq_com=TL/Kt 其中，负载力矩T^-Ja，Te为电磁力矩，J为转动惯量，a为角加速度，Kt为力矩常数。
7. 如权利要求1所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述第二坐标转 换模块包括： 逆park坐标转换单元，用于根据所述转子的估计角度对所述直轴电压Vd和交轴电压 Vq进行逆park坐标转换以获得两相电压Valpha、Vbeta ; 逆clarke坐标转换单元，用于对所述两相电压Valpha、Vbeta进行逆clarke坐标转换 以获得所述三相电压Va、Vb、Vc。
8. 如权利要求7所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述第一坐标转 换模块包括： clarke坐标转换单元，用于对所述三相电流la、lb、Ic进行clarke坐标转换以获得两 相电流 Ialpha、Ibeta ; park坐标转换单元，用于根据所述转子的估计角度对所述两相电流Ialpha、Ibeta进 行park坐标转换以获得所述直轴电流Id和交轴电流Iq。
9. 如权利要求7所述的同步电机的力矩补偿控制系统，其特征在于，所述位置估计器 用于根据所述两相电压Valpha、Vbeta和所述两相电流Ialpha、Ibeta估计所述同步电机的 转子的位置以获得所述转子的估计角度。
10. -种同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤： Sl，对所述同步电机的三相电流la、lb、Ic进行采样； 52, 对所述三相电流la、lb、Ic进行坐标转换以获得直轴电流Id和交轴电流Iq ; 53, 估计所述同步电机的转子的位置以获得转子的估计角度，并对所述转子的估计角 度进行卡尔曼滤波处理以获得滤波后的速度和滤波后的加速度； 54, 根据所述滤波后的加速度、所述直轴电流Id和交轴电流Iq计算补偿电流Iq。" ; S5，根据所述目标速度对所述滤波后的速度进行速度校正以获得交轴目标电流Iqref， 并根据直轴目标电流Idref和所述直轴电流Id进行d轴电流校正以获得直轴电压Vd，以及 根据所述交轴目标电流Iqref、所述交轴电流Iq和所述补偿电流k。》进行q轴电流校正以 获得交轴电压Vq ; S6,对所述直轴电压Vd和交轴电压Vq进行坐标转换以获得三相电压Va、Vb、Vc，并根 据所述三相电压Va、Vb、Vc对所述同步电机进行控制。
11. 如权利要求10所述的同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，在步骤S3中，通 过离线计算卡尔曼增益。
12. 如权利要求11所述的同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，根据以下公式 计算卡尔曼增益矩阵： K41^1 ^ C1k (Ck Pk^ C7k + RkT1 其中，Rk为观测噪声方差，Ck为观测矩阵，C/为Ck的转置矩阵，K kllrt为所述卡尔曼增 益矩阵，Pm#据公式PilH = Pu 4 +?确定，Ak为状态转移矩阵，Pk为协方差矩阵，Qk 为系统模型噪声的方差矩阵，A【为Ak的转置矩阵。
13. 如权利要求12所述的同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，根据以下公式 计算卡尔曼滤波方程： Λ Λ A Xkit = Xkik^l+Kk(Yt - Ck XkIi-I) 其中，Xili为滤波后的状态向量，Yk根据公式Yk=ckx k+vk确定，Xk为状态向量，Vk为观测 噪声序列，根据公式Xjtp = 确定。
14. 如权利要求12所述的同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，根据以下公式 计算卡尔曼滤波方差： Pm ^(/-K,Ck)Pkk ^I-KkCkY +KkRkKl 其中，Pi1it为所述卡尔曼滤波方差，I为单位矩阵。
15. 如权利要求10所述的同步电机的力矩补偿控制方法，其特征在于，根据以下公式 计算所述补偿电流: Iq_com=TL/Kt 其中，负载力矩T^-Ja，Te为电磁力矩，J为转动惯量，a为角加速度，Kt为力矩常数。
【文档编号】H02P21/14GK104518722SQ201310465457
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】杨辉 申请人:广东美的制冷设备有限公司