一种d-q轴静止坐标系下永磁同步电机偏差解耦控制方法

1.本发明涉及一种d-q轴静止坐标系下永磁同步电机偏差解耦控制装置，尤其是涉及一种矢量控制下永磁同步电机偏差解耦控制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高、效率高、电磁转矩波动小、转速平稳、磁通密度高、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等有点，在目前节能环保意识日益增强的背景下，发展前途良好。
3.众所周知，对电机的有效控制关键是对电机电磁转矩的有效控制，永磁同步电机伺服系统是一个多变量、非线性、强耦合的非线性系统，其电磁转矩并不香直流电机那样与电枢电流成正比，控制相对比较复杂。上世纪70年代西门子工程师f.blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题，后被拓展应用到永磁同步电机上。其基本原理式将电机的三相定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量并分别加以控制，同时控制两分量间的幅值和相位，即控制电机的定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制。简单说就是将磁链和转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速，这样就可以将交流电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。
4.因永磁同步电机转子永磁体存在单轴性和凸极效应，使其在三相旋转坐标系下的数学模型非常复杂，增加永磁同步电机精确控制的难度。所以国内外学者引入d-q轴坐标系，以简化永磁同步电机的数学模型。然而，d-q轴电流存在相互耦合的现象，且耦合现象因电机工况的复杂变化而加剧，这在一定程度上使得控制系统变得复杂，难以达到某些应用场合的高精度转矩控制要求。因此，针对永磁同步电机d-q轴电流耦合现象，建立基于参数辨识的偏差解耦控制系统，能进一步改善d-q轴电流耦合现象，提高转矩输出性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了弥补现有永磁同步电机d-q轴电流解耦技术所存在的缺陷，提出的一种通过参数辨识的偏差解耦控制装置及方法，有效改善电机耦合的影响，提高电机的转矩输出性能。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种d-q轴静止坐标系下永磁同步电机偏差解耦控制装置及方法，包括转速比较器、转速pi控制器、q轴电流比较器、q轴电流控制器、d轴电流比较器、d轴电流控制器、偏差解耦控制器、park逆变换、svpwm模块、电压源逆变器、永磁同步电机(pmsm)、clark变换模块、park变换模块和位置传感器。
7.所述的转速比较器将电机给定转速和实际反馈转速作差后，经转速控制器产生q轴电流矢量指令，d轴电流比较器和q轴电流比较器则是对d-q轴的电流矢量指令和反馈电流作差处理，经d-q轴电流控制器处理后，传输给偏差解耦控制器，对d-q轴电流进行解耦，输出d-q轴电压矢量指令，经park逆变换后产生α-β轴电压控制量，由svpwm模块输出pwm波
指令给电压源逆变器，从而控制永磁同步电机的运转；所述clark变换是将电压源逆变器输出的三相电流转换为α-β轴电流，park变换则是将α-β轴电流转换为d-q轴电流，park逆变换是将d-q轴电压转换为α-β轴电压控制量，位置传感器用于实时检测电机转子位置信息。
8.本发明提供一种d-q轴静止坐标系下永磁同步电机偏差解耦控制方法，包括以下步骤：
9.步骤一：控制器读取转速指令信息ω
*
和电机实际反馈转速ω；
10.步骤二：将电压源逆变器输出的三相电流进行clark和park变换得到d-q轴电流；
11.步骤三：将转速指令信息ω
*
和电机实际反馈转速ω经转速比较器作差；
12.步骤四：将上一步的结果传入转速控制器，产生q轴电流矢量指令；
13.步骤五：将q轴电流矢量指令与步骤二中的电机实际反馈的q轴电流作差，d轴电流矢量指令与与步骤二中的电机实际反馈的q轴电流作差；
14.步骤六：将步骤五的结果经过电流控制器处理后，与电机反馈的机械角速度一同传入偏差解耦控制器，对d-q轴电流进行解耦，产生d-q轴电压矢量指令；
15.步骤七：根据d-q轴电压矢量指令和电机转子位置信息传入park逆变换，得到α-β轴电压控制量；
16.步骤八：基于α-β轴电压控制量，svpwm产生六路pwm波，用于控制电压源逆变器，进而控制永磁同步电机的运行；
17.本发明的原理是：本发明从矢量控制入手，首先经转速比较器和电流比较器得到解耦需要的d-q轴电流，然后通过参数辨识的思想，建立参数辨识模型，实时辨识电机参数，以改善偏差解耦对电机参数依赖性为目的，对永磁同步电机的d-q轴电流进行解耦，以提高电机转矩的转矩输出性能。
18.本发明有益技术效果如下：
19.(1)本发明提出的一种永磁同步电机偏差解耦控制方法，通过参数辨识算法对永磁同步电机的d-q轴电感进行实时辨识，改善传统偏差解耦对电机参数依赖性的缺陷；
20.(2)区别于建立滑模观测器达到改善偏差解耦对参数依赖性的缺陷，减小了计算量，控制思路简单。
附图说明
21.图1为本发明的一种d-q轴静止坐标系下永磁同步电机偏差解耦控制框图
22.图2为本发明中的偏差解耦控制模型
23.图3为本发明中的偏差解耦等效控制模型
24.图4为本发明中的偏差解耦控制框图
25.图5为本发明中的参数辨识模块框图
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不限于下述实施例。
27.步骤一：控制器读取转速指令信息ω
*
和电机实际反馈转速ω；
28.按上述方案，步骤二中的clark变换和park变换为：
29.clark变换是将三相旋转坐标系下的电流方程转换为两相旋转坐标系下的电流方
程，clark如下式：
[0030][0031]
park变换是将两相旋转坐标系下的电流方程转换为两相静止坐标系下的方程，即d-q轴坐标系下的电流方程，park变换如下式：
[0032][0033]
式中，θ为永磁同步电机转子位置角度；
[0034]
步骤三：将转速指令信息ω
*
和电机实际反馈转速ω经转速比较器作差；
[0035]
步骤四：将上一步的结果传入转速控制器，产生q轴电流矢量指令；
[0036]
步骤五：将q轴电流矢量指令与步骤二中的电机实际反馈的q轴电流作差，d轴电流矢量指令与与步骤二中的电机实际反馈的q轴电流作差；
[0037]
按上述方案，所述步骤六中的偏差解耦控制模型为：
[0038][0039]
其中，g1(s)-g4(s)分别为偏差解耦控制模型中的控制器，i
d*
和i
q*
分别为步骤五求出的d轴电流矢量指令和q轴电流矢量指令，id和iq分别为步骤二求出的d轴电流和q轴电流，rs为定子电阻，ld和lq分别为d轴电感和q轴电感，ωe为永磁同步电机电角速度；
[0040]
根据式(3)得到控制模型中电流给定值与反馈值之间的函数关系式为：
[0041][0042]
式中，a
dd
和a
qq
分别是d、q轴电流控制器的比例系数，a
dq
和a
qd
分别是d、q轴电流控制器的耦合系数，a
dd
、a
qq
可按下式获取：
[0043][0044]
由式(5)和图3可以看出，只有当l
d*
＝ld、l
q*
＝lq时，d、q轴电流才能实现完全解耦，通过引入传递函数作为外部解耦项，偏差解耦控制可以调节不可测干扰造成的输出误差，受参数变化的影响小，系统的鲁棒性更优；
[0045]
仅有a
dq
＝a
qd
＝0时，d、q轴电流才能完全解耦，则由式(3)可推导出偏差解耦控制器的传递函数为：
[0046][0047]
下面对d-q轴电感进行辨识。首先，对永磁同步电机的d-q轴电压方程进行离散化，得到d-q轴电流离散化模型如下：
[0048][0049][0050]
然后，根据式(7)和式(8)得出待辨识参数矩阵为：
[0051][0052][0053]
带遗忘因子的最小二乘法模型为：
[0054][0055][0056][0057]
最后，由式(11)求得辨识矩阵θ(k)后，根据式(9)和式(10)可求得d-q轴电感ld和lq，然后将ld和lq代入式(6)中的传递函数，对永磁同步电机的d-q轴电流解耦，产生d-q轴电压矢量指令；
[0058]
步骤七：将步骤六得出的d-q轴电压矢量指令和由位置传感器检测到的电机转子
位置信息传入park逆变换，得到α-β轴电压控制量；
[0059]
步骤八：svpwm根据步骤七得到的α-β轴电压控制量输出六路pwm波，用于控制电压源逆变器，进而控制永磁同步电机的运行。