本发明属于电机控制领域，具体涉及一种基于空间矢量调制的高速永磁同步电机直接功率控制方法。
背景技术：
永磁同步电机利用永磁体提供励磁，相比于电励磁电机减少了励磁系统的损耗，电机的效率及功率密度都得到极大的提高。同时，其克服了直流电机电刷和换向器带来的不利因素，应用范围从最初的军事工业，向航空航天、工业自动化等领域迅速发展。
目前较为常见的永磁同步电机控制方法有矢量控制方法和直接转矩控制方法。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。但是在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且在电机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。直接转矩控制它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，这种算法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现pwm脉宽调制和系统的高动态性能，但是直接转矩控制方法低速时存在脉动转矩大的问题，且控制算法的计算量和计算难度都很大。矢量控制法、直接转矩控制法都对系统的动态性能有很好的效果，但是无功功率的含量均有所增加。
在构建资源节约型社会的大背景下，面对我国能源短缺的形势,寻找一种新型、高效的电机控制方法成为研究热点。高速磁悬浮电机作为鼓风机等高速动力机械的核心部件，其大部分时间处于稳态运行状态，对动态性能要求不高，但是对系统节能有严格的要求。
为了减少电机吸收的无功功率以达到节能的目标，采用直接功率控制算法对电机进行控制。直接功率控制方法结构简单，通过控制电机无功功率为零，可以实现电机功率因数接近1的理想目标。直接功率控制算法具有高功率因数、低谐波失真、算法及系统结构简单等优点，且无需旋转坐标变换。传统直接功率控制算法采用了滞环比较器和开关表的组合，这样的构成存在开关频率不固定对系统采样频率要求高且时滞的缺点，也会出现定子参数变化、逆变器的开关死区、积分器的误差积累和直流温漂等因素而影响电机的控制性能的问题。因此，需要提出一种新的高速永磁同步电机的控制方法，既可以达到电机无功功率为零的目标，提高电机的工作效率，又可以克服了开关频率不固定和滞环宽度不易确定的问题，避免传统直接控制法中滞环控制器带来的影响电机控制性能的问题，进一步改善电机的稳态性能。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：本发明的目的是克服现有技术的不足，解决传统鼓风机等应用场合无功功率增加、电机损耗大及电机效率低的问题，并克服了开关频率不固定的问题。提供一种基于空间矢量调制的高速永磁同步电机直接功率控制的新方法，该方法达到了控制无功功率为零的目标，为鼓风机等长期稳态运行且节能要求比较高的应用场合提供了技术保障。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种高速永磁同步电机的直接功率控制方法，包括下列步骤：
(1)基于永磁同步电机理想条件下的假设，建立三相pmsm基本数学模型。理想条件为：三相pmsm为理想电机；忽略电机铁芯的饱和；不计电机中的涡流和磁滞损耗；电机中的电流为对称的三相正弦电流。
(2)通过直接功率控制算法实现对电机无功功率为零的控制目标，利用空间矢量调制算法实现固定的开关频率，同时，利用高速永磁同步电机转子位置信息估计算法估算转子位置，为直接功率控制的实施提供保障。
上述的高速永磁同步电机数学模型为：
在abc坐标系下，定子电流、电压空间矢量可表示为：
其中，a＝ej120°代表算子空间；rs为相电阻；ls为等效相电感，为相电感与互感之差；ψf是永磁体励磁空间矢量；θr是永磁体相对a轴的旋转角度。
上述的直接功率控制法为一种基于pi调节器的将电机的瞬时有功功率和瞬时无功功率两个参量作为控制量的控制算法，该方法的具体步骤为：
(1)在abc坐标系下，假设逆变器的六个开关管的状态函数为：sa，sb和sc，分别表示为：
那么，三相线电压可表示为：
其中，ud代表d轴电压，uab、ubc、uca代表三相线电压。
结合ua+ub+uc＝0，求解出三相相电压矢量为：
其中，ua、ub、uc代表三相相电压；
(2)通过坐标变换法，将采集的三相电流信号ia、ib和ic转换为α-β坐标系下电流矢量iα和iβ，转换关系为：
(3)利用瞬时功率的计算式，求解α-β坐标系下，永磁同步电机三相瞬时有功功率p和无功功率q。
瞬时功率的计算式为：
三相瞬时有功功率p和无功功率q分别为：
(4)给定转速ω*与实测转速ω做差，差值输入到差值输入到pi调节器进行转速调节，pi调节器输出值作为瞬时有功功率p*的给定值，将瞬时有功功率p*与实际计算得到的瞬时有功功率p做差，差值送入pi调节器，得到电压矢量usp，瞬时无功功率q*的给定值定为0，将瞬时无功功率q*与实际计算得到的瞬时无功功率q做差，差值送入pi调节器，得到电压矢量usq。
(5)根据永磁同步电机瞬时功率理论的推导，求解出电压矢量的相位角信息θs。
abc坐标系下的瞬时有功功率可以根据瞬时电压矢量和电流矢量的标量积求得，而瞬时无功功率可以由二者的矢量积求得，分别表示为：
其中，u＝[ua,ub,uc]t和i＝[ia,ib,ic]t分别表示相电压矢量和相电流矢量。
因此，电机三相输入瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：
定子电流在d-q坐标轴中的变化与电流幅值和角度的变化有关，而当电机运行在稳态时，电机转矩稳定，定子电流在q轴的分量不变，故定子电流幅值不变化，而定子电流矢量和d轴以相同速度旋转，所以定子电流与d轴之间的矢量角度亦不变化，并且，在直接功率控制过程中，要求瞬时功率为0，功率因数为1，所以令q＝0。
因此，电机三相输入瞬时有功功率可写为：
其中，γ为电流矢量is与q轴之间的夹角，δ为电压矢量us与q轴之间的夹角，θ为电压矢量和电流矢量之间的夹角。
因为γ＝θ+δ，而当无功功率为零，即功率因数为1的时候，功率因数角为零，也就是说is和us应该同轴，即γ＝δ。令：
所以，上式可以变为：
电压矢量的相位角信息θs可由γ和转子位置角θr确定，可表示为：
θs＝90°+δ+θr(32)
其中，δ和θr的表达式可表示为：
其中，p代表电机极对数。
(6)通过坐标变换法，利用pi调节器输出所得的电压矢量信号usp和usq，根据电压矢量的相位角信息θs，解算出α-β坐标系下电压矢量usα和usβ，转换关系为：
其中，θs为电压空间矢量us与α轴之间的夹角。
上述的直接功率控制法为一种基于空间矢量调制的永磁同步电机直接功率控制算法，该方法的具体步骤为：
(1)建立空间矢量调制模型。
假设计算得到的矢量是us非零矢量us1和us2之间，利用us1等效us2，等效关系如下：
us·ts＝us1·ts1+us2·ts2(35)
其中，ts代表pwm周期；ts1和ts2分别代表us1和us2的作用时间。
(2)将α轴的电压矢量usα，β轴的电压矢量usβ进行矢量分解，得到理想的电压矢量uα和uβ，等效关系在α-β坐标系下重写如下：
求解精确的ts1和ts2即可实现固定的开关频率。
(3)理想的电压矢量uα和uβ经过pwm逆变器输出三相电流信号ia、ib、ic，从而调节定子电流矢量幅值来改变瞬时无功功率，同时，输出的三相电流ia、ib、ic经过坐标变换，得到α-β坐标系下电流矢量iα和iβ，与电压矢量uα和uβ一起作为实际计算的瞬时有功功率p*和瞬时无功功率q*的输入，实现直接功率控制的闭环控制。
本发明的原理是：本发明涉及一种基于空间矢量调制算法的用于长期稳态运行且节能要求较高场合的高速永磁同步电机的直接功率控制算法。首先，将采集的三相电流信号经坐标变换后得到两相电流信号，实时计算出电机的瞬时有功功率和无功功率，之后与给定的瞬时有功功率和无功功率分别进行做差比较，经过两个pi调节器进行调节，根据电压矢量的相位角，经过坐标变换进行处理，最后使用空间矢量调制算法，得到理想的电压矢量，对电机进行零无功功率控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出了直接功率控制算法，即基于pi调节器，将电机的瞬时有功功率和瞬时无功功率两个参量作为控制量，方法简便，实现了电机无功功率为零的目标，极大地提高了高速电机的运行效率和节能指标。同时，提出了直接功率控制与空间矢量调制算法相结合的方法，克服了开关频率不固定和滞环宽度不易确定的问题。另外在控制过程中，避免了传统直接控制法中滞环控制器输出和需估计定子磁链所在扇区带来的低频情况下定子参数变化、逆变器的开关死区、积分器的误差积累和直流温漂等因素而影响电机的控制性能的问题，有效地改善了电机的稳态性能。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的坐标关系示意图；
图3为本发明的空间矢量调制的原理示意图；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1-3所示，本发明的具体方法如下：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本方式所述的一种高速永磁同步电机的直接功率控制方法是基于空间矢量调制算法的方法，包括永磁同步电机数学模型部分1，直接功率控制部分2，空间矢量调制部分3。
所述永磁同步电机的数学模型部分1，包括系统电流矢量方程、电压矢量方程、磁链方程。所述直接功率控制部分2为基于pi调节器，将电机的瞬时有功功率和瞬时无功功率两个参量作为控制量，输出电压矢量的初步控制。在电机转子旋转过程中，建立三个相应的坐标系，分别是abc坐标系，静止α-β坐标系和旋转d-q坐标系。将给定转速ω*与实测转速ω做差，差值输入到pi调节器进行转速调节，pi调节器输出值作为瞬时有功功率p*的给定值，瞬时无功功率q*的给定值定为0。在静止α-β坐标系中，利用电压矢量和电流矢量信息，计算电机三相瞬时有功功率和无功功率。将瞬时有功功率p*、无功功率q*和实际计算得到的瞬时有功功率p、无功功率q分别做差，差值分别送入两个pi调节器进行调节，两个pi调节器的输出根据电压矢量相位角θs，经过坐标变化变换到静止α-β坐标系下，得到α轴的电压矢量usα，β轴的电压矢量usβ。
所述空间矢量调制部分3为在直接功率控制的基础上，进一步得到理想电压矢量的控制算法。将α轴的电压矢量usα，β轴的电压矢量usβ进行矢量分解，得到理想的电压矢量uα和uβ。此电压信号经过pwm逆变器输出三相电流信号ia、ib、ic从而调节定子电流矢量幅值来改变瞬时无功功率。同时，输出的三相电流信号ia、ib、ic经过坐标变换，得到α-β坐标系下电流矢量iα和iβ，与电压矢量uα和uβ一起作为实际计算的瞬时有功功率p*和瞬时无功功率q*的输入。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于空间矢量调制的高速磁悬浮同步电机直接功率控制方法的进一步限定，所述永磁同步电机的数学模型部分1，包括系统电流矢量方程、电压矢量方程、磁链方程和电磁转矩方程。
在abc坐标系下，定子电流、电压空间矢量、定子磁链可表示为：
其中，a＝ej120°代表算子空间；rs为相电阻；ls为等效相电感，为相电感与互感之差；ψs为三相绕组的磁链；us，rs，is分别为三相绕组的相电压、电阻和电流；ψf是永磁体励磁空间矢量；θr是永磁体相对a轴的旋转角度，且满足：
具体实施方式三：参见图1、图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于空间矢量调制的高速磁悬浮同步电机直接功率控制方法的进一步限定，所述直接功率控制部分2包括如下步骤：
步骤一，利用逆变器开关管的状态，求解出三相电压矢量ua、ub和uc。
在abc坐标系下，假设逆变器的六个开关管的状态函数为：sa，sb和sc，分别表示为：
那么，三相线电压可表示为：
其中，ud代表d轴电压，uab、ubc、uca代表三相线电压。
结合ua+ub+uc＝0，求解出三相相电压矢量为：
其中，ua、ub、uc代表三相相电压。
步骤二，通过坐标变换法，将采集的三相电流信号ia、ib和ic转换为α-β坐标系下电流矢量iα和iβ。根据图2所示的坐标关系示意图，转换关系为：
步骤三，利用瞬时功率的计算式，求解α-β坐标系下，永磁同步电机三相瞬时有功功率p和无功功率q。
瞬时功率的计算式为：
三相瞬时有功功率p和无功功率q分别为：
步骤四，根据图1所示的直接功率控制算法的框图，给定转速ω*与实测转速ω做差，差值输入到pi调节器进行转速调节，pi调节器输出值作为瞬时有功功率p*的给定值。将瞬时有功功率p*与实际计算得到的瞬时有功功率p做差，差值送入pi调节器，得到电压矢量usp。瞬时无功功率q*的给定值定为0，将瞬时无功功率q*与实际计算得到的瞬时无功功率q做差，差值送入pi调节器，得到电压矢量usq。
步骤五，利用永磁同步电机瞬时功率理论的推导，根据图2所示的坐标关系示意图，求解出电压矢量的相位角信息θs。
d-q坐标系下的三相瞬时功率可根据复功率定义法进行计算：
s＝p+jq＝us×is*(44)
其中，s代表复功率；p代表瞬时有功功率；q代表瞬时无功功率；is*代表is的共轭复数。
abc坐标系下的瞬时有功功率可以根据瞬时电压矢量和电流矢量的标量积求得，而瞬时无功功率可以由二者的矢量积求得，分别表示为：
其中，u＝[ua,ub,uc]t和i＝[ia,ib,ic]t分别表示相电压矢量和相电流矢量。
电压矢量us在d-q坐标系重写如下：
其中，
由于is在d-q坐标下还可表示为
其中，θ1代表电流矢量is和d轴之间的夹角。
所以，由上式可以看出，定子电流在d-q坐标轴中的变化与电流幅值和角度的变化有关，而当电机运行在稳态时，电机转矩稳定，定子电流在q轴的分量不变，故定子电流幅值不变化，而定子电流矢量和d轴以相同速度旋转，所以定子电流与d轴之间的矢量角度亦不变化。并且，在直接功率控制过程中，要求瞬时功率为0，功率因数为1，所以令d＝0，即：
其中，γ为电流矢量is与q轴之间的夹角。
因此，电机三相输入瞬时有功功率可写为：
其中，δ为电压矢量us与q轴之间的夹角，θ为电压矢量和电流矢量之间的夹角。
因为γ＝θ+δ，而当无功功率为零，即功率因数为1的时候，功率因数角为零，也就是说is和us应该同轴，即γ＝δ。令：
所以，上式可以变为：
电压矢量的相位角信息θs可由γ和转子位置角θr确定，可表示为：
θs＝90°+δ+θr(54)
其中，δ和θr的表达式可表示为：
其中，p代表电机极对数。
步骤六，通过坐标变换法，利用pi调节器输出所得的电压矢量信号usp和usq，根据电压矢量的相位角信息θs，解算出α-β坐标系下电压矢量usα和usβ。根据图2所示的坐标关系示意图，转换关系为：
其中，θs为电压空间矢量us与α轴之间的夹角。
具体实施方式四：参见图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于空间矢量调制的高速磁悬浮同步电机直接功率控制方法的进一步限定，所述空间矢量调制部分3包括如下步骤：
步骤一，建立空间矢量调制模型。
假设计算得到的矢量是us非零矢量us1和us2之间，利用us1等效us2，根据图3空间矢量调制原理图，等效关系如下：
us·ts＝us1·ts1+us2·ts2(57)
其中，ts代表pwm周期；ts1和ts2分别代表us1和us2的作用时间。
步骤二，将α轴的电压矢量usα，β轴的电压矢量usβ进行矢量分解，得到理想的电压矢量uα和uβ。根据图3空间矢量调制原理图，等效关系在α-β坐标系下重写如下：
求解精确的ts1和ts2即可实现固定的开关频率。
步骤三，根据图1所示的基于空间矢量调制的直接功率控制算法的框图，理想的电压矢量uα和uβ经过pwm逆变器输出三相电流信号ia、ib、ic，从而调节定子电流矢量幅值来改变瞬时无功功率。同时，输出的三相电流ia、ib、ic经过坐标变换，得到α-β坐标系下电流矢量iα和iβ，与电压矢量uα和uβ一起作为实际计算的瞬时有功功率p*和瞬时无功功率q*的输入，实现直接功率控制的闭环控制。
本发明可以作为一种新型的基于空间矢量调制的高速磁悬浮同步电机直接功率控制方法，方法简便，能够达到控制无功功率为零的目标，极大地提高了高速电机的运行效率和节能指标，并且克服了开关频率不固定和滞环宽度不易确定的问题该方法工程实现简单，不需要滞环控制器和复杂的磁链角计算，提高了高速永磁同步电机的运行效率。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。