两相静止坐标系下永磁同步电机解耦矢量控制装置及方法

摘要

本发明提供了一种两相静止坐标系下永磁同步电机解耦矢量控制装置及方法，转速比较器将转速给定值与转速反馈值作差处理后，经转速控制器产生电流矢量幅值指令，结合转子位置角和永磁同步电机控制策略产生α轴和β轴指令电流，两个电流控制器分别对α轴和β轴指令电流构成闭环控制，产生α轴和β轴电压控制量，经由SVPWM模块和控制电压源逆变器控制永磁同步电机；Clark变换模块将永磁同步电机的A、B两相电流变换为α轴和β轴电流分量；位置传感器实时检测永磁同步电机转子位置，为合成器和SVPWM模块提供转子位置信息，同时经过位置微分模块，得到电机的转速反馈值。本发明可大大降低对控制器的性能需求，从而进一步降低变频器成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机矢量控制装置及方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率因数高、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 广等优势，在目前节电、环保意识日益增强的大背景下，发展前途一片光明。

众所周知，对电机的有效控制关键是对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，其电磁转矩并不像直流电机那样 与电枢电流成正比，控制相对较复杂。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。其基本原理是将交流电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电 流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)并分别加以控制，同时控制两分量间的幅值和 相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢 量控制就是将磁链与转矩解耦，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。这样就可以将一台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。矢量控制算法已被广泛地应用在Siemens，ABB， Allen-Bradley，GE，Fuji等国际化大公司的变频器上。

但是，矢量控制需要进行旋转坐标变换和反变换，以实现励磁电流分量和转矩电 流分量的解耦控制，这在一定程度上使得控制系统变得复杂，以致在某些低成本的控 制器上难以实现，使得高性能变频器成本一直居高不下。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种两相静止坐标系下永磁同步电机解耦 矢量控制装置及方法，可大大降低对控制器的性能需求，从而进一步降低变频器成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种两相静止坐标系下永磁同步电 机解耦矢量控制装置，包括转速比较器、转速控制器、合成器、β轴电流比较器、 α轴电流比较器、i_β电流控制器、i_α电流控制器、SVPWM模块、电压源逆变器、永磁同 步电机(PMSM)、位置传感器、Clark变换和位置微分模块。

所述的转速比较器将转速给定值与转速反馈值ω_r作差处理后，经转速控制器产 生电流矢量幅值指令在合成器中，结合转子位置角和永磁同步电机控制策 略产生α轴和β轴指令电流和i_α电流控制器和i_β电流控制器分别对α轴和β轴指 令电流和构成闭环控制，并分别产生α轴和β轴电压控制量u_α和u_β，经由SVPWM 模块和控制电压源逆变器控制永磁同步电机的运转；所述的Clark变换模块将永磁同步 电机的A、B两相电流变换为α轴和β轴电流分量i_α和i_β；所述的位置传感器实时检测 永磁同步电机转子位置，为合成器和SVPWM模块提供转子位置信息，同时经过位 置微分模块，得到电机的转速反馈值。

本发明还提供一种两相静止坐标系下永磁同步电机解耦矢量控制方法，包括以下 步骤：

第一步：控制器读取转速指令信息

第二步：控制器读取位置传感器数据θ_r，并经微分模块进行微分操作，获得实际 转速信息ω_r；

第三步：将转速指令信息与实际转速信息ω_r经转速比较器作差；

第四步：将上一步的结果送入转速控制器，生成电流矢量幅值指令

第五步：根据转子位置角θ_r以及永磁同步电机类型，合成器计算生成α 轴和β轴指令电流和

第六步：控制器读取A、B两相电流并经Clark变换变换为α轴和β轴电流分量i_α和 i_β；

第七步：将第五步得到的和第六步得到的i_α、i_β分别经α轴电流比较器和β 轴电流比较器，产生每个变量的误差信号；

第八步：第七步得到的误差信号分别经由i_α电流控制器和i_β电流控制器后，产生α 轴和β轴控制电压分量u_α和u_β；

第九步：基于电压分量u_α、u_β和转子位置角θ_r，SVPWM模块产生6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转。

本发明的有益效果是：

1)简化了传统永磁同步电机矢量控制系统的结构，减少了计算量；

2)使得永磁同步电机矢量控制可在更为低性能低成本的控制器上实现，可从总体 上降低变频器成本，有利于永磁同步电机矢量控制变频调速系统的大规模普及应用。

附图说明

图1为两相静止坐标系下永磁同步电机解耦矢量控制结构框图。

图中，1—转速比较器，2—转速控制器，3—合成器，4—β轴电流比较器， 5—α轴电流比较器，6—i_β电流控制器，7—i_α电流控制器，8—SVPWM模块，9—电压 源逆变器(VSI)，10—永磁同步电机(PMSM)，11—位置传感器，12—Clark变换， 13—位置微分模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，系统包括转速比较器1、转速控制器2、合成器3、β轴电流比较 器4、α轴电流比较器5、i_β电流控制器6、i_α电流控制器7、SVPWM模块8、电压源逆变 器(VSI)9、永磁同步电机(PMSM)10、位置传感器11、Clark变换12、位置微分模块 13。

转速给定值与转速反馈值ω_r由转速比较器1作差处理后，经转速控制器2产生电 流矢量幅值指令结合转子位置角θ_r和永磁同步电机控制策略产生α轴和β轴指 令电流和然后分别经i_α电流控制器7和i_β电流控制器6对这两个变量构成闭环控 制，并分别产生α轴和β轴电压控制量u_α和u_β，经由SVPWM模块8，控制电压源逆变器 (VSI)9，进而控制永磁同步电机(PMSM)10的运转，实现两相静止坐标系下永磁同 步电机解耦矢量控制。

上述的Clark变换12模块用于将电机A、B两相电流变换为α轴和β轴电流分量：i_α和i_β。

上述的位置传感器11用于实时检测永磁同步电机(PMSM)转子位置，为合成 器和SVPWM模块8提供转子位置信息，同时经过位置微分13模块，得到电机转子转速信 息，用于构成转速闭环控制。

上述系统可对面装式永磁同步电机和内置式永磁同步电机实现控制，其区别在于 合成器3中生成和算法的不同。面装式永磁同步电机一般将空间位置定义在 超前转子位置角θ_r90度电角度处。内置式永磁同步电机需根据当前转矩大小以及当前 转子位置角θ_r进行优化估算，一般大于90度电角度。

上述的电压源逆变器(VSI)9一般采用三相全桥结构。

上述的转速控制器2采用PI控制器，也可采用其他形式的控制器。

上述的i_β电流控制器6采用PI控制器，也可采用其他形式的控制器。

上述的i_α电流控制器7采用PI控制器，也可采用其他形式的控制器。

上述的位置传感器11采用光电编码器，也可采用旋转变压器，磁编码器等位置传 感器。

上述的SVPWM模块8、电压源逆变器(VSI)9、永磁同步电机(PMSM)10、位置传 感器11、Clark变换12、位置微分模块13与传统永磁同步电机矢量控制方法相同。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种两相静止坐标系下永磁同步电 机解耦矢量控制方法，包括以下步骤：

第一步：控制器读取转速指令信息

第二步：控制器读取位置传感器11数据θ_r，并经微分13模块进行微分操作，获 得实际转速信息ω_r；

第三步：将转速指令信息与实际转速信息ω_r经转速比较器1作差；

第四步：将上一步的结果送入转速控制器2，生成电流矢量幅值指令

第五步：根据转子位置角θ_r以及永磁同步电机类型，合成器3计算生成α 轴和β轴指令电流和

第六步：控制器读取A、B两相电流并经Clark变换12变换为α轴和β轴电流分量： i_α和i_β；

第七步：将第五步得到的和第六步得到的i_α、i_β分别经α轴电流比较器5和 β轴电流比较器4，产生每个变量的误差信号；

第八步：第七步得到的误差信号分别经由i_α电流控制器7和i_β电流控制器6后，产 生α轴和β轴控制电压分量u_α和u_β；

第九步：基于电压分量u_α、u_β和转子位置角θ_r，SVPWM模块8产生6路PWM波，用于 控制电压源逆变器(VSI)9，进而控制永磁同步电机(PMSM)10的运转。