同步电机的控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种同步电机的控制系统。其中，该控制系统包括：获取装置，用于获取同步电机的dq轴的电流分量和同步电机的转速；内模控制器，与获取装置连接，用于使用内模控制模型根据电流分量和转速确定dq轴的电压分量；计算器，与内模控制器连接，用于根据电压分量、电流分量以及转速计算同步电机实时运行的电机参数；反馈控制器，连接于计算器与内模控制器之间，用于使用电机参数更新内模控制模型，重新确定电压分量得到更新电压分量；电机控制器，与内模控制器连接，用于控制同步电机。通过本实用新型，解决了现有技术中对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题，实现了准确高效地对同步电机进行矢量控制的效果。
【专利说明】同步电机的控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电机控制领域，具体而言，涉及一种同步电机的控制系统。
【背景技术】
[0002]目前永磁同步电机矢量控制系统中的位置、速度和电流环均采用常规的PI或者PID调节器，这些调节器一般是基于线性理论设计的，只能在一个特定运行点或有限的范围内得到较好的控制。为获得良好的动态性能和消除静差，如图1所示的永磁同步电机矢量控制系统，该系统主要由同步电机(PMSM)、三相逆变器(IPM，可以采用电压源型逆变器)、控制器(PI，也即PI调节器)、调制解调器、电压电流采样和保护电路组成，在该系统中还可以包括=Park变换器、Clarke变换器以及Park逆变器，其中，PI调节器增益计算需要系统准确的数学模型。事实证明，这类调节器对扰动和系统参数的变化是非常敏感的，然而，电机在高速动态变化时dq轴电压存在耦合关系，造成电磁转矩波动，使用传统的PI调节会降低系统对加速度的控制精度。
[0003]现有技术中还可以使用内模控制对电机进行控制，使用内模控制对模型精度的依赖性不高，当参数估计值与实际值存有偏差时，具有较好的补偿效果，但是当电机参数变化较大时，控制效果变差。
[0004]电流前馈解耦是在d轴和q轴电流控制器的输出端分别引入与永磁同步电机d，q轴电压方程的耦合项，大小相等符号相反作为耦合补偿，因此也称为电压前馈解耦控制。但电机运行时参数估计误差会造成补偿误差，延迟d轴和q轴电流动态变化，导致解耦控制效
果严重变差。
[0005]偏差解耦是将电流指令值与实际值的偏差进行计算得到耦合电压，并将其作为补偿量加到直接控制器的输出端，但是偏差解耦的程序运行中所占用的时间过长，这就限制了伺服系统其它功能的应用。
[0006]目前的解耦技术方案和专利都没有解决对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题。
[0007]针对现有技术中对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
实用新型内容
[0008]针对相关技术中对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题，目前尚未提出有效的解决方案，为此，本实用新型的主要目的在于提供一种同步电机的控制系统，以解决上述问题。
[0009]为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种同步电机的控制系统，该系统包括:获取装置，用于获取同步电机的dq轴的电流分量和同步电机的转速；内模控制器，与获取装置连接，用于根据电流分量和转速确定dq轴的电压分量；计算器，与内模控制器连接，用于根据电压分量、电流分量以及转速计算同步电机实时运行的电机参数；反馈控制器，连接于计算器与内模控制器之间，用于使用电机参数重新确定电压分量得到更新电压分量；电机控制器，与内模控制器连接，用于使用更新电压分量控制同步电机。
[0010]进一步地，获取装置包括:电流采样电路，与内模控制器连接，用于采集同步电机的定子的初始电流；第一传感器，与内模控制器连接，用于采集转速；Clarke变换器和Park变换器，分别与内模控制器连接，用于对初始电流进行Clarke变换和Park变换得到电流分量。
[0011]进一步地，电机控制器包括=Park逆变器，与内模控制器连接，用于对更新电压分量进行Park逆变换得到α β直角坐标系的相电压分量；空间矢量脉冲调制器，与Park逆变器连接，用于根据相电压分量产生调制解调信号；三相逆变器，连接于空间矢量脉冲调制器与同步电机之间，用于使用根据调制解调信号生成的控制信号控制同步电机。
[0012]进一步地，控制系统还包括:第二传感器，用于采集同步电机的转子机械角度；角度转换器，连接于第二传感器与内模控制器之间，用于将转子机械角度转换为电角度，其中，电角度用于Park变换和Park逆变换的计算。
[0013]进一步地，第一传感器和第二传感器为位置传感器或无位置传感器。
[0014]进一步地，控制系统还包括:速度转换器，分别与内模控制器和第一传感器连接，用于根据转速与预定转速的偏差确定q轴电流参考量。
[0015]采用本实用新型，通过获取装置获取同步电机的dq轴的电流分量和同步电机的转速，通过内模控制器使用内模控制模型根据电流分量和转速确定dq轴的电压分量，使用计算器计算同步电机实时运行的电机参数，然后通过反馈控制器使用电机参数更新内模控制模型对内模控制器进行反馈控制，使用重新确定的更新电压分量通过电机控制器控制同步电机。使用内模控制器代替传统的电流环PI控制器结构，对电流环进行控制，并且将在线参数辨识得到的电机参数(定子电阻R、直轴电感Ld、交轴电感Lq、永磁体磁链Ψ?)代入内模控制器，实时更新内模 控制模型，从而在当电机运行范围较宽导致参数发生明显变化时，通过反馈控制可以提高内模算法鲁棒性，使永磁同步电机矢量控制系统具有更良好的动态性能和静态精度，从而解决了现有技术中对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题，实现了准确高效地对同步电机进行矢量控制的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0017]图1是根据现有技术中的同步电机的控制框图；
[0018]图2是根据本实用新型实施例的同步电机的控制系统的结构示意图；
[0019]图3是根据本实用新型实施例的一种可选的同步电机的控制系统的结构示意图；
[0020]图4是根据本实用新型实施例的三相逆变器的结构图；
[0021]图5是根据本实用新型实施例的同步电机的控制方法的流程图；
[0022]图6是根据本实用新型实施例的同步电机的LdLq变化曲线图；以及
[0023]图7是根据本实用新型实施例的同步电机的控制装置的结构示意图。【具体实施方式】
[0024]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0025]图2是根据本实用新型实施例的同步电机的控制系统的结构示意图。图3是根据本实用新型实施例的一种可选的同步电机的控制系统的结构示意图。
[0026]如图2和图3所示，该系统可以包括:获取装置10，用于获取同步电机的dq轴的电流分量和同步电机的转速；内模控制器30，与获取装置10连接，用于使用内模控制模型根据电流分量和转速确定dq轴的电压分量；计算器50，与内模控制器30连接，用于根据电压分量、电流分量以及转速计算同步电机实时运行的电机参数；反馈控制器70，连接于计算器50与内模控制器30之间，用于使用电机参数更新内模控制模型，重新确定电压分量得到更新电压分量；电机控制器90，与内模控制器30连接，用于根据更新电压分量生成调制解调信号，以控制同步电机110。
[0027]采用本实用新型，通过获取装置获取同步电机的dq轴的电流分量和同步电机的转速，通过内模控制器使用内模控制模型根据电流分量和转速确定dq轴的电压分量，使用计算器计算同步电机实时运行的电机参数，然后通过反馈控制器使用电机参数更新内模控制模型对内模控制器进行反馈控制，使用重新确定的更新电压分量通过电机控制器控制同步电机。使用内模控制器代替传统的电流环PI控制器结构，对电流环进行控制，并且将在线参数辨识得到的电机参数(定子电阻R、直轴电感Ld、交轴电感Lq、永磁体磁链Ψ f )代入内模控制器，实时更新内模控制模型，从而在当电机运行范围较宽导致参数发生明显变化时，通过反馈控制可以提高内模算法鲁棒性，使永磁同步电机矢量控制系统具有更良好的动态性能和静态精度，从而解决了现有技术中对永磁同步电机矢量的控制随电机参数变化而效果变差的问题，实现了准确高效地对同步电机进行矢量控制的效果。
[0028]本实用新型的上述实施例为电流环为内模控制结构，分别调节转矩电流分量和励磁电流分量跟踪给定值的变化，提高系统响应的快速性，并能及时抑制参数变化干扰，输出的dq轴电压矢量通过Park逆变换得到α β轴电压矢量，加在SVPWM逆变器上，输出PWM波控制电机。
[0029]在本实用新型的上述实施例中，获取装置10可以包括:电流采样电路，与内模控制器连接，用于采集同步电机的定子的初始电流；第一传感器，与内模控制器连接，用于采集转速；Clarke变换器11和Park变换器13，分别与内模控制器连接，用于对初始电流进行Clarke变换和Park变换得到电流分量。
[0030]在本实用新型的上述实施例中，电机控制器90包括:Park逆变器91，与内模控制器30连接，用于对更新电压分量进行Park逆变换得到α β直角坐标系的相电压分量；空间矢量脉冲调制器93，与Park逆变器91连接，用于根据相电压分量产生调制解调信号；三相逆变器95 (在图4中示出)，连接于空间矢量脉冲调制器与同步电机之间，用于使用根据调制解调信号生成的控制信号控制同步电机。
[0031]根据本实用新型的上述实施例，控制系统还可以包括:第二传感器，用于采集同步电机的转子机械角度；角度转换器，连接于第二传感器与内模控制器之间，用于将转子机械角度转换为电角度，其中，电角度用于Park变换和Park逆变换的计算。优选地，第一传感器和第二传感器为位置传感器或无位置传感器。[0032]具体地，通过电流采样电路测量电机得到定子的初始电流iA和iB，再经Clarke变换器和Park变换器得到dq轴的电流分量id和iq，将电流分量作为内模控制器的输入；通过位置传感器或无位置传感器可得到电机转子机械角度和转速，通过角度转换器将转子机械角度转换为电角度，将电角度提供给Park变换器及Park逆变换器的计算，转速ω e作为内模控制器和计算器的速度外环的负反馈量。
[0033]具体地，内模控制器输出交直轴电压，通过SVPWM模块(即上述实施例中的空间矢量脉冲调制器)控制电机。
[0034]更具体地，内模控制器输出dq轴的电压分量Ud和uq，再通过Park逆变换输出α β直角坐标系的相电压分量Ua和110，用于控制空间矢量脉冲调制器产生PWM控制信号，从而控制三相逆变器的输出，以实现对嵌入式永磁同步电机的矢量控制的准确性和稳定性，并且该控制方法不受参数变换幅度的影响。
[0035]图4是三相逆变器的结构图。在该三相逆变器中每个桥臂上下两个开关管状态互补，则逆变器有8种不同的开关状态。具体地，参考电压矢量Us可由电压分量Ud、U(1和转子角度计算得到。图中的a，b，c，分别对应电机的三相，U为对电源的示意性说明。
[0036]根据本实用新型的上述实施例，控制系统还可以包括:速度转换器，分别与内模控制器30和第一传感器连接，用于根据转速与预定转速的偏差确定q轴电流参考量。
[0037]具体地，采用矢量控制策略，给定转速(即上述实施例中的预定转速)与转速coe的偏差经过速度调节器，输出q轴电流的参考量iq’。
[0038]在内模控制器使用的内模控制模型中，可以令d轴电流的参考量id’ =0 (也可以是其他算法)，id’、iq’与id、iq经过内模控制器,输出dq轴的电压分量ud和uq。
[0039]如图3所示，dq轴的电流分量id和iq和dq轴的电压分量ud和uq，以及转速ωθ作为计算器的输入，通过参数辨识算法计算得到实时运行的电机参数:定子电阻R、直轴电感Ld、交轴电感Lq、永磁体磁链￥f`。
[0040]更具体地，当电机起动时，计算器不工作，电机参数采用离线状态下测量得到的电机的初始参数数值；电机开始加速并逐渐稳定的过程中，计算器开始工作，此时计算得到的电机参数准备切入到内模控制模型算法中。为了避免该时刻的参数与初始参数差别太大，导致电机运行震荡，计算器优选使用低通滤波算法，以减小电机参数变化对计算结果的影响，将电机参数代入内模控制器，实时更新内模控制模型。
[0041]具体地，在本实施例中，可以忽略电机铁心饱和，不计电机中的涡流和磁滞损耗；永磁材料的电导率设置为零；转子上没有阻尼绕组；相绕组中感应电动势波形为正弦。
[0042]下面以嵌入式永磁同步电机为例，详细介绍本实用新型的上述系统的工作原理。具体地，在同步旋转轴系下的电压方程和磁链方程为:....抑,
[0043](I) Ud=Ri +；
?ψ
[0044](2) Ua = Rii + ~I + Xjf lOJc:
at
[0045](3) ￥d=Ldid+￥f ；
[0046](4) Ψ^=Lqiq。
[0047]其中，(I)和(2)为电压方程，(3)和(4)为磁链方程，￥d为直轴磁链；为交轴磁链ΑΑ?分别为直交轴电压和电流；为电角速度；分别为永磁体磁链、定子电阻和交直轴的电感。
[0048]根据初始控制器构建内模控制器。具体地，将电压方程进行Laplace变换(即拉普拉斯变换)，令Uq (s) ’ =Uq (S) - ω e Vf，其中，s是Laplace变换因子，U, (s) ’为对Uq (s)的辨识量，则上述的电压方程和磁链方程可改为:
[0049]Ud (s) = (R+sLd) Id (s) - ω eLqIq (s)；
[0050]Uq(s) ’ =(R+sLq) Iq(s)+ (OeLdId(s),其中，Id(S)表示对 id 进行 Laplace 变换之后的参数，Iti(S)表示对iq进行Laplace变换之后的参数,Ud(s)为对Ud进行Laplace变换之后的参数，Uq(S)为对Uq进行Laplace变换之后的参数。
[0051]上述初始的控制器的框图其内模控制模型表达式为:
[0052]F(S) = E1-C(S)G(S)1-1C(S),其中，I为单位矩阵，C(S)为内模控制函数，G(S)为参考模型传递函数，G(s)’为反馈模型传递函数，并且在上述内模控制模型的表达式中，
电压向
【权利要求】
1.一种同步电机的控制系统，其特征在于，包括: 获取装置，用于获取同步电机的dq轴的电流分量和所述同步电机的转速； 内模控制器，与所述获取装置连接，用于根据所述电流分量和所述转速确定所述dq轴的电压分量； 计算器，与所述内模控制器连接，用于根据所述电压分量、所述电流分量以及所述转速计算所述同步电机实时运行的电机参数； 反馈控制器，连接于所述计算器与所述内模控制器之间，用于使用所述电机参数重新确定所述电压分量得到更新电压分量； 电机控制器，与所述内模控制器连接，用于使用所述更新电压分量控制所述同步电机。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述获取装置包括: 电流采样电路，与所述内模控制器连接，用于采集所述同步电机的定子的初始电流； 第一传感器，与所述内模控制器连接，用于采集所述转速； Clarke变换器和Park变换器，分别与所述内模控制器连接，用于对所述初始电流进行Clarke变换和Park变换得到所述电流分量。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述电机控制器包括: Park逆变器，与所述内模控制器连接，用于对所述更新电压分量进行Park逆变换得到αβ直角坐标系的相电压分量； 空间矢量脉冲调制器，与所述Park逆变器连接，用于根据所述相电压分量产生所述调制解调信号； 三相逆变器，连接于所述空间矢量脉冲调制器与所述同步电机之间，用于使用根据所述调制解调信号生成的控制信号控制所述同步电机。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括: 第二传感器，用于采集所述同步电机的转子机械角度； 角度转换器，连接于所述第二传感器与所述内模控制器之间，用于将所述转子机械角度转换为电角度，其中，所述电角度用于所述Park变换和所述Park逆变换的计算。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器为位置传感器或无位置传感器。
6.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括: 速度转换器，分别与所述内模控制器和所述第一传感器连接，用于根据所述转速与预定转速的偏差确定q轴电流参考量。
【文档编号】H02P21/14GK203590111SQ201320701574
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】张有林, 郭清风, 米雪涛, 钱强, 宋泽琳, 许敏, 程海松, 许纹倚 申请人:珠海格力电器股份有限公司