应用大转动惯量的永磁同步电机的控制方法及控制系统与流程

本发明属于交流永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种应用大转动惯量的永磁同步电机的控制方法及控制系统。

背景技术：

交流永磁同步电机具有功率密度大、调节性能优良、可维护性好等优点，且能工作于驱动和发电两种模式，因此在飞轮储能装置中普遍将其作为飞轮驱动电机使用。由于飞轮属于大转动惯量负载，采用永磁同步电机驱动飞轮过程中存在以下问题：若电机控制系统的功率较大，带大转动惯量、高转速电机时，一旦出现故障，即使电机控制系统输入断开、逆变器停止运行，由于输出开关未断开，大转动惯量电机又高速运行，造成电机反电势“反灌”到二极管整流器的直流侧，导致直流电压升高，甚至击穿电机控制系统的可控硅模块。

同时，飞轮转速变化时会产生较大的惯性转矩，造成控制过程中电机电流震荡、跟踪误差增大、转速响应慢等影响，导致电机控制系统性能下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用大转动惯量的永磁同步电机的控制系统，有效防止电机反电势反灌造成直流过压。

本发明的另一个目的是，提供一种应用大转动惯量的永磁同步电机的控制方法，在转速电流双环矢量控制的基础上，设计了电压前馈解耦和转动惯量前馈控制环节，对电机电流进行了实时动态补偿，加快了对大转动惯量负载的动态响应，提高了永磁同步电机控制系统的准确性和快速性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用大转动惯量的永磁同步电机的控制方法及控制系统，包括以下步骤，

1)计算电机实际转速，计算电机的转矩电流和励磁电流，

2)将电机实际转速与设定转速比较，得到的偏差值经速度调节器输出iq电流的参考值

3)根据电机转动惯量、实际转速，将转动惯量带来的扰动转换为电流补偿值，与速度调节器的输出值一起作为转矩电流调节的参考值，并根据电机升速、降速状态，执行相应的惯量补偿策略，

4)转矩电流与转矩电流调节的参考值进行比较，比较值经电流调节器得到交轴、直轴电压的输出值；

5)根据电机参数及电压方程，计算交轴、直轴电压的补偿值进行电压解耦前馈，并与电流调节器的输出值相加得到交轴、直轴电压的参考值，

6)根据交轴、直轴电压的参考值，执行空间矢量算法，得到pwm驱动信号，控制三相逆变桥驱动电机运行。

在上述技术方案中，所述的电流补偿值

在上述技术方案中，步骤3)中的惯量补偿策略为

升速时(spderr>spderrlimit)，转矩电流调节的参考值如下：

降速时(spderr<spderrlimit)，转矩电流的参考值如下：

其中，spderr为转速设定值与当前转速的差值，spderrlimit为转动惯量前馈调节的限值；ipi-spd为转速pi调节器的输出值；ibc为转动惯量带来的扰动转换为电流iq的补偿值。

在上述技术方案中，分别设定惯量补偿值ibc、转速pi调节器输出值ipi-spd及参考值的上下限值，若它们当前的计算值在上下限值范围内，则输出值为计算值；若计算值超出上限值,则输出值等于上限值；若计算值低于下限值,则输出值等于下限值。

在上述技术方案中，所述的电压解耦前馈为，电流iq、id的偏差值经pi调节器得到交轴、直轴电压的输出值u′q和u′d，电压输出值u′q和u′d分别与-ωlqiq或ωldid+ωψf相加后完成电压前馈解耦，得到交轴、直轴电压的给定值和

一种用以实现所述的控制方法的应用大转动惯量的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：包括整流桥、逆变桥pwm驱动模块，控制板，用以检测整流桥输出电压的直流电压检测电路，用以检测永磁同步电机定子电流的电流检测电路，以及保护电路，所述的直流电压检测电路和电流检测电路的输出分别输入所述的控制板和保护电路，所述的整流桥的正极输出串接充电电阻后接入三相逆变桥的输入端，所述的直流接触器由控制板输出驱动导通或断开，在所述的逆变桥的两输入端间串接有制动电阻，以及受所述的保护电路输出驱动的制动接触器。

在上述技术方案中，所述的制动接触器包括对应串接在制动电阻回路上的常开式触点以及由保护电路对应的驱动线圈。

在上述技术方案中，所述的保护电路的输出与控制板的对应输出并接至所述的pwm驱动模块。

在上述技术方案中，所述的电压采样模块包括正极输入端和负极输入端与电压采集端的第一运算放大器、所述的第一运算放大器的输出经电阻r5及信号调整单元后连接至信号处理模块，同时，所述的第一运算放大器的输出经电阻r4与输入端连接；电流采样模块包括设置在负极输出的互感器，正极和负极对应与所述的互感器两端对应电连接的第二运算放大器、同时，所述的第二运算放大器的输出经电阻r8与输入端连接，所述的第二运算放大器的输出经电阻r10后接入第三运算放大器的正极，所述的第三运算放大器的输出与负极连通，所述的第三运算放大器的输出经信号调整单元后连接至信号处理模块，所述的信号调整单元包括两个依次正极和负极连通的二极管，所述的二极管的负极接正电压，正极接地，所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出与两二极管间电连通。

在上述技术方案中，所述的保护信号电路包括正极分别所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出连接的比较器，所述的比较器负极分别与参考电压和参考电流连接，两输入端与所述的两个比较器的输出连接的与或门，以及与所述的与或门的输出连接的反相器，所述的反相器的输出端连接至pwm驱动模块，反相器输出的保护信号控制pwm驱动模块信号的输出与关断以实现保护系统。

在上述技术方案中，所述的制动接触器的驱动电路包括基极与所述的反相器的输出端的三极管，所述的三极管的发射极接地，继电极串联对应线圈后接正电源，以及与所述的线圈并接且负极与正电源连接的二极管。

本发明的优点和有益效果为：

本发明在转速电流双环矢量控制的基础上，设计了电压前馈解耦和转动惯量前馈控制环节，对电机电流进行了实时动态补偿，加快了对大转动惯量负载的动态响应，提高了永磁同步电机控制系统的准确性和快速性。

本发明增加了制动电阻和制动接触器，可以将故障发生后直流电容剩余的电压通过制动电阻消耗，同时也防止电机反电势反灌造成直流过压，进一步保障了电路器件的安全。

附图说明

图1为永磁同步电机控制系统结构图；

图2为二极管整流桥内部结构图；

图3为三相逆变桥内部结构图；

图4为直流电压采集电路图；

图5为电流采集电路图；

图6为保护电路图；

图7为永磁同步电机大转动惯量控制算法流程图；

图8为id＝0的矢量控制原理图；

图9电压解耦前馈控制环节图；

图10为转动惯量前馈控制环节图；

图11为本发明的id＝0的矢量控制原理图；

图12为改进前后的电流波形对比图。

其中：

1、三相交流电源2、二极管整流器

3、三相逆变桥4、永磁同步电机

5、触摸屏6、dsp控制板

7、直流电压检测电路8、电流检测电路

9、pwm驱动模块10、保护电路

11、充电电阻12、直流接触器

13、母线电容14、制动电阻

15、制动接触器16、第一运算放大器

17、第二运算放大器18、第三运算放大器

19、比较器20、比较器

21、或门22、反相器

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

一种应用大转动惯量的永磁同步电机的控制系统，包括输入端与三相交流电1的uvw三相对应接通的整流桥2、以及输出端abc三相与表贴式永磁同步电机4对应连通的三相逆变桥3，以及pwm驱动模块9和dsp控制板6，以及分别与控制板电连接的用以检测整流桥输出电压的直流电压检测电路7，用以检测永磁同步电机定子电流的电流检测电路8和保护电路10，所述的直流电压检测电路和电流检测电路的输出输入至保护电路10，所述的整流桥的正极输出串接充电电阻11、直流接触器12，充电电阻11、直流接触器12的另一端与母线电容13的正极、制动电阻14接入三相逆变桥的输入端，所述的直流接触器12由dsp控制板6输出驱动导通或断开。在所述的逆变桥的两输入端间串接有母线电容13、制动电阻14，以及受所述的保护电路输出驱动的制动接触器15，所述的制动接触器15由保护电路10的输出驱动导通或断开。所述的制动接触器包括对应串接在制动电阻回路上的常开式触点以及由保护电路对应的驱动线圈。

为实现直流接触器或制动接触器的动作，保护电路输出或控制板输出的线圈驱动电路包括基极经电阻与所述的输出端连通的三极管，所述的三极管的发射极接地，集电极串联对应线圈后接正电源，以及与所述的线圈并接且负极与正电源连接的二极管。

本发明充电电阻在控制系统上电时就已经串接在充电回路里，只有在电容电压达到设定值，充电完毕后，控制器即控制板会发出信号让直流接触器12闭合，将充电电阻短接。充电电阻是控制系统充电电路不可或缺的一部分，防止充电时过流损坏系统器件，尤其适用于大转动惯量的永磁同步电机驱动，同时增加了制动电阻14和制动接触器15，可以将故障发生后直流电容剩余的电压通过制动电阻消耗，同时也防止电机反电势反灌造成直流过压，进一步保障了主电路器件的安全。

其中，pwm驱动模块选用塞米控公司的skhi22ah4r模块，该模块集成驱动和保护电路功能，外围电路简单，无需光耦或变压器隔离，可直接将dsp的pwm信号连接到功率模块，方便应用。即电流、电压信号进入保护信号电路，通过硬件判断是否过流、过压，若判断故障直接通过硬件断开输入接触器和输出接触器，同时保护信号电路将故障信号通知控制器，控制器停止软件运行，保证即使控制器软件保护失效的情况下，硬件保护也能有效保护系统。

图2为二极管整流桥的内部结构图，具体连接方式如下：二极管整流桥2由六个二极管d1-d6组成，上桥臂的二极管为d1、d3、d5，下桥臂的二极管为d2、d4、d6，其中二极管d1的正极与二极管d2的负极连接构成一个桥臂，二极管d3的正极与二极管d4的负极连接构成一个桥臂，二极管d5的正极与二极管d6的负极连接构成一个桥臂。

图3为三相逆变桥的内部结构图，具体连接方式如下：三相逆变桥3由六个可控硅q1-q6组成，上桥臂由可控硅q1、q3、q5组成，下桥臂由可控硅q2、q4、q6组成，其中可控硅q1的发射极与可控硅q2的集电极连接构成一个桥臂，可控硅q3的发射极与可控硅q4的集电极连接构成一个桥臂，可控硅q5的发射极与可控硅q6的集电极连接构成一个桥臂。

具体地，主电路中二极管整流桥2为将交流电转换为直流电，充电电阻11和直流接触器12在充电时防止电流过流，母线电容13用于稳定直流电压，三相逆变桥3用于永磁同步电机4的矢量控制实现。二极管整流桥2的4端即正极输出端与充电电阻11、直流接触器12的一端连接，二极管整流桥2的5端即负极输出端与母线电容13的负极、制动接触器15、三相逆变桥3的2端连接。充电电阻11、直流接触器12的另一端与母线电容13的正极、制动电阻14以及三相逆变桥3的1端连接，三相逆变桥3的3、4、5端与永磁同步电机4的a、b、c相连接。

控制板，如dsp控制板6电连接以实现对应电连接。其中dsp控制板6是系统的控制核心，用于电压电流信号的采集、pwm信号输出(脉冲宽度调制)、电机控制算法和保护功能以及人机通讯等功能的实现。

还包括与dsp控制器通讯的触摸屏5，触摸屏5主要用于实现永磁同步电机参数的显示和调节功能。所述的触摸屏5选用北京昆仑通态公司的7寸触摸屏，型号为tpc7062k，触摸屏由24v直流电源供电，采用rs232方式与dsp通讯，集成了液晶显示屏、触摸面板、控制及数据存储等单元。软件分为运行环境画面组态软件和数据通讯协议，两者采用mcgs嵌入版组态软件及其脚本驱动开发工具进行编写。

其中，保护电路10与控制器电连接或者将保护信号直接输入到pwm驱动模块9中，控制pwm信号的使能，一旦出现故障信号，便直接封锁pwm信号，实现硬件保护功能，采用直接驱动的方式，减少控制板故障干扰中断的可能。

实施例二

本发明的直流电压检测电路7用以采集整流器输出电压，其包括正极和负极输入端与电压采集端的第一运算放大器16、所述的第一运算放大器16的输出经电阻r5后再经信号调整单元后连接至信号处理模块，同时，所述的第一运算放大器的输出经电阻r4与输入端连接，并在电阻r4上并接有电容c2。同时，在第一运算放大器的正极输入端经电容c1后接地，同时，与所述的电容c1并联地还设置有电阻r3。

电流检测电路用以采集电机定子电流，其包括设置在定子上的传感器，正极和负极对应与所述的传感器两端对应电连接的第二运算放大器17、同时，所述的第二运算放大器的输出经电阻r8与输入端连接，同时电阻r8并联有电容c5，所述的第二运算放大器的输出经电阻r10后接入第三运算放大器18的正极，所述的第三运算放大器的正极经电阻r11后接地，所述的第三运算放大器的输出与负极连通，所述的第三运算放大器的输出经信号调整单元后连接至信号处理模块。其中，所述的信号调整单元包括两个依次正极和负极连通的二极管d8和d7，或者d9和d10，所述的二极管d8或d9的负极接正电压，二极管d9或d10的正极接地，所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出与两二极管间电连通并输出至控制板。

所述的保护电路10包括两个正极分别所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出的比较器19、20，两个所述的比较器19、20的负极分别与参考电压和参考电流连接，两输入端与所述的两个比较器的输出连接的与或门21，以及与所述的与或门的输出连接的反相器22，所述的反相器的输出端连接至pwm驱动模块，同时在pwm驱动模块输入端设置有嵌位电阻r12。反相器输出的保护信号直接控制pwm驱动模块信号的输出与关断，达到保护系统的目的。

具体地，电阻r1连接反馈电压volinput1端口，另一端与电阻r4、电容c2以及运算放大器16的负端连接，电阻r4、电容c2的另一端与运算放大器16的输出端连接。电阻r2连接反馈电压volinput2端口，另一端与电阻r3、电容c1以及运算放大器16的正端连接，电阻r3、电容c1的另一端与agnd连接。电阻r5的一端与运算放大器16的输出端连接，另一端与电容c3、二极管d7的负极、二极管d8的正极连接。电容c3的另一端、二极管d7的正极与agnd连接，二极管d8的负极与3.3v连接，电压输出信号与二极管d8的正极、二极管d7的负极连接。

图5为电流检测电路图，具体连接关系如下：

电阻r6连接反馈电流curinput1端口，另一端与电阻r8、电容c5以及运算放大器17的负端连接，电阻r8、电容c5的另一端与运算放大器17的输出端连接。电阻r7连接反馈电流curinput2端口，另一端与电阻r9、电容c4以及运算放大器17的正端连接，电阻r9、电容c4的另一端与agnd连接。电阻r10的一端与运算放大器17的输出端连接，另一端与电阻r11、运算放大器18的正端连接，电阻r11的一端与3.3v连接，另一端与运算放大器18的正端连接。运算放大器18的负端与其输出端连接，运算放大器18的输出端与电容c6、二极管d10的负极、二极管d9的正极连接。电容c6的另一端、二极管d10的正极与agnd连接，二极管d9的负极与3.3v连接，电流输出信号与二极管d9的正极、二极管d10的负极连接。

图6为保护电路图，其连接关系如下：

比较器19的负端与反馈电流curfk端口，正端与3.3v连接，输出端和或门21的1脚连接，比较器20的负端与反馈电压volfk端口，正端与3.3v连接，输出端和或门21的2脚连接，或门21的输出端与反相器22的输入端连接，反相器22的输出端与电阻r12、保护信号pro连接，电阻r12的零一端与3.3v连接，保护信号pro与pwm驱动模块连接。

实施例三

本发明的对象是表贴式永磁同步电机，其直轴、交轴电感相等，因此经clarke和park变换得到d-q旋转坐标系下的电机基本方程为：

式中ld，lq----电机直轴电感、交轴电感；

ud，uq----电机直轴电压、交轴电压；

ω，ωm----电机电气角速度、械角速度；

te，tl----电机电磁转矩、负载转矩；

ψf----转子永磁体磁极的励磁磁链；

rs----电机定子电阻；

j----电机转动惯量；

bm----电机摩擦系数。

表贴式永磁同步电机通常采用id＝0的矢量控制方法，矢量控制方法将定子电流分解为励磁电流id和转矩电流iq，通过调节两者的幅值，便可实现对电机磁场和转矩的独立控制，其原理如图7所示：

速度偏差值经速度pi调节器得到iq电流的参考值由clarke、park变换计算得出的电机电流iq、id，分别与参考值0值做比较，产生的偏差值再经电流pi调节器得到电压的给定值和两者再经park逆变换产生电压给定值和和为三相逆变器svpwm(空间矢量脉冲宽度调制)的控制信号，通过控制逆变器的输出，从而达到调节电机转速的目的。

本发明对id＝0矢量控制技术中增加的电压前馈解耦和转动惯量前馈控制环节具体如下：

(1)电压解耦前馈环节

参考值0与反馈值iq、id经电流pi调节器得到电压给定值和当电流pi调节器增益很大时，可近似的认为id^*＝id、iq^*＝iq，从而实现对电流的近似线性控制，不过实际系统中受传感器延时、采集误差等因素影响，导致电流调节器增益幅值受到限制，因此式(1)、(2)中电压ud、uq的耦合项不能忽略，无法实现对系统的完全解耦，因此本发明对电流调节环节增加了电压解耦前馈环节。

即所述的电压解耦前馈为，电流iq、id的偏差值经pi调节器得到交轴、直轴电压的输出值u'q和u'd，电压输出值u'q和u'd分别与-ωlqiq或ωldid+ωψf相加后完成电压前馈解耦，得到交轴、直轴电压的给定值和

(2)转动惯量前馈环节

根据永磁同步电机的运动方程：

忽略摩擦系数b，由于飞轮储能装置采用转子飞轮一体化设计，飞轮本身即为电机转子，因此电机外部负载转矩tl为零，飞轮的转动惯量为固定值，因此根据公式(4)可以将转动惯量带来的扰动转换为电流iq的补偿值ibc与转速pi调节器的输出值ipi-spd一起作为转矩电流参考值其中，

假设转速设定值与当前转速的差值为spderr，设定转动惯量前馈调节的限值为spderrlimit,本专利根据电机升速、降速的不同状态制定相应的补偿策略:

升速时(spderr>spderrlimit)，转矩电流的参考值如下：

降速时(spderr<spderrlimit)，转矩电流的参考值如下：

同时为防止惯量控制输出饱和，对惯量补偿值ibc、转速pi调节器的输出值ipi-spd以及转矩电流参考值iq^*进行了限值保护。设定惯量补偿值ibc、转速pi调节器输出值ipi-spd、参考值的上下限值，若它们当前的计算值在上下限值范围内，则输出值与它们的计算值相等；若计算值超出上限值,则输出值等于上限值；若计算值低于下限值,则输出值等于下限值。其具体上下限值即可根据实际工况进行经验式设定。

根据上文所述的大转动惯量负载控制策略，改进后的id＝0矢量控制技术框图如增加了电压和转动惯量前馈控制环节。

本专利利用dsp28335控制板进行软件编程，在原有id＝0矢量控制技术的基础上增加了大转动惯量控制环节,采用新的控制算法后，永磁同步电机驱动飞轮过程中消除了电流震荡、转速响应慢等影响，电流波形变得平滑、转速跟踪良好，提高了电机控制系统性能。采用大转动惯量控制策略的电流与原有电流波形对比效果如下图所示，图上部为增加大转动惯量控制环节后的电流波形图，图下部为原有控制方式下的电流波形图。

大转动惯量负载控制策略包括电压前馈解耦和转动惯量前馈两部分控制环节。电压前馈解耦环节通过对电流反馈部分增加电压前馈补偿项，将电机定子电压中的耦合项抵消，从而消除耦合项所带来的扰动，降低电流跟踪误差。转动惯量前馈环节则根据电机的运动方程，考虑飞轮大转动惯量的影响，将转动惯量作为扰动的补偿反馈给电流调节器，从而提高速度控制环的动态响应性能。对电机电流进行了实时动态补偿，加快了对大转动惯量负载的动态响应，提高了永磁同步电机控制系统的准确性和快速性。

实施例四

图7为永磁同步电机大转动惯量控制算法流程图，控制算法采用c语言编写在dsp控制板6中运行，图7中(a)为主程序流程图，(b)为定时器中断子程序流程图，定时器中断子程序在主程序中执行，主要完成大转动惯量控制及转速电流双环的矢量控制算法，具体实施方式如下：

主程序具体实施方式如下：

(ⅰ)开始

程序开始，从主程序入口，s1；

(ⅱ)初始化

进行dsp的初始化，完成dsp外设时钟、看门狗、io口(输入输出)以及中断向量表的初始化工作，s2；

(ⅲ)配置寄存器

配置定时器、pwm寄存器、sci寄存器以及中断寄存器，并使能相关中断功能，s3；

(ⅳ)初始化软件参数

初始化定时器、pwm占空比、延时时间、rs232通讯软件等相关参数，s4；

(ⅴ)循环等待

进入主循环，等待定时器中断发生，s5；

(ⅵ)执行中断程序并返回

执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待，s6。

定时器中断子程序具体实施方式如下：

(ⅰ)中断开始

发生定时中断，进入定时器中断程序，s7；

(ⅱ)是否已启动

判断电机是否启动，若已经启动，直接进入转速电流双闭环的矢量控制，否则进入电机启动切换程序，s8；

进入电机启动切换程序后，先进行电机预定位，再采用i-f(电流-频率)矢量控制方式启动将电机带到设定转速，然后采用切换方法将电机切换至转速电流双闭环的控制方式运行，s9；

(ⅳ)速度调节

进入速度调节后，计算电机的转矩电流和励磁电流，计算电机实际转速，将其与设定转速比较，得到的偏差值经速度调节器输出iq电流的参考值s10；

(ⅴ)惯量前馈

根据电机转动惯量、实际转速，将转动惯量带来的扰动转换为电流补偿值，与速度调节器的输出值一起作为转矩电流调节的参考值，并根据电机升速、降速状态，执行相应的惯量补偿策略，s11；

(ⅵ)电流调节

计算电机的转矩电流和励磁电流，并与设定值进行比较，比较值经电流调节器得到交轴、直轴电压的输出值，s12；

(ⅶ)电压前馈解耦

根据电机参数及电压方程，计算交轴、直轴电压的补偿值，消除电压解耦，并与电流调节器的输出值相加得到交轴、直轴电压的参考值，s13；

(ⅷ)空间矢量算法

根据交轴、直轴电压的参考值，执行空间矢量算法，得到pwm驱动信号，控制三相逆变桥驱动电机运行，s14；

(ⅸ)中断完成返回主程序

完成电机的大惯量控制及转速电流双环运行，中断完成返回主程序，s15。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。