一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107204727 A(43)申请公布日 2017.09.26

(21)申请号 201710413099.1(22)申请日 2017.06.05

(71)申请人 东南大学

地址 211189 江苏省南京市江宁区东南大

学路2号(72)发明人 林明耀　张贝贝　杨公德　(74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所

(普通合伙) 32204

代理人 饶欣(51)Int.Cl.

H02P 21/00(2016.01)H02P 25/022(2016.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图4页

(54)发明名称

一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法(57)摘要

本发明公开了一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，采用小容量的薄膜电容，代替传统功率电路中的大容量电解电容，相比传统的电机驱动系统，小容量薄膜电容变频系统体积得到减小，重量得到减轻。本发明不需要考虑波动的母线电压对交直轴参考电流的影响，相比于传统的直轴电流给定方式更简单有效；交直轴电压给定经过陷波器，滤除特定次谐波分量，电流控制器采用内模控制器或者重复控制器或者PR控制器，实现电机交轴电流对周期给定信号的快速跟踪。CN 107204727 ACN 107204727 A

权　利　要　求　书

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1.一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交轴电流给定峰值i*qamp；

S2：通过电压传感器得到电网电压的瞬时值vs，电网电压瞬时值vs经过一个锁相环模块，得到电网电压相角θ电网电压相角θ与步骤S1grid，grid经过一个三角函数模块并且平方，中的电机交轴电流给定峰值i*qamp相乘作为交轴电流给定值iq*；将当前电机转子的实际转速ω、电机交轴电流给定峰值i*qamp输入到直轴参考电流发生器，得到直轴电流给定值i*d，如式(1)所示：

式(1)中，Vs为电网电压有效值，Ld为直轴电感分量、Lq为交轴电感分量，λ为永磁磁链值，ωg为电网电压角速度；

S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流ia和ib，经过abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α轴电流iα与β轴电流iβ，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流iq和直轴电流id；将所述交轴电流iq与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压

将所述直轴电流id和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过电流

和直轴电压

输入到前馈解耦

根据公式

调节器得到直轴电压

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压控制器中，根据公式

得到解耦后的直轴电压

S5：将步骤S4中的得到交轴电压给定值特定次谐波分量，得到交轴的参考电压和直轴参考电压轴参考电压

和β轴参考电压

和直轴电压给定值

经过陷波器，滤除其中

得到解耦后的交轴电压

与直轴的参考电压将得到的交轴参考电压

以及直流母线电压Vdc

以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下α

将α轴参考电压

β轴参考电压

输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，其特征在于：所述速度调节器采用PI调节器、PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

3.根据权利要求1所述的小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，其特征在于：所述电流调节器采用内模控制器、重复控制器或者PR调节器。

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一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法

技术领域

[0001]本发明涉及永磁同步电机控制方法，特别是涉及一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法。

背景技术

[0002]传统的电机驱动系统主要由单相二极管不控整流电路、Boost升压电路、三相逆变电路、采样调理电路以及控制驱动电路构成。其中，为维持直流母线电压恒定与输出功率恒定，直流母线并联一个大容量电解电容，但大容量电解电容的寿命易受电流纹波以及电容温度的影响，电容温度每提高10℃，电容寿命减半；大容量电解电容增加了整个驱动系统的体积与重量；Boost升压电路增加驱动系统的损耗，增加整个驱动系统的成本，并且电磁干扰较强。

[0003]针对传统电机驱动系统存在的问题，有学者提出用小容量的薄膜电容代替Boost升压电路与大容量的电解电容，电机驱动系统的体积减小、重量降低以及成本降低。为降低电网侧输入电流的畸变率，提高电网侧功率因数，学者提出各种控制策略，但这些控制策略比较复杂，难以工业化应用。发明内容

[0004]发明目的：本发明的目的是提供一种能够简化传统复杂的直轴电流给定方法、直轴电流给定值更精确、能够滤除交直轴给定电压中的特定次谐波分量、能够降低电网电流的畸变率、提高电网侧功率因数的小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法。[0005]技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

[0006]本发明所述的小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，包括以下步骤：

[0007]S1：通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交轴电流给定峰值i*qamp；[0008]S2：通过电压传感器得到电网电压的瞬时值vs，电网电压瞬时值vs经过一个锁相环模块，得到电网电压相角θ电网电压相角θ与步骤grid，grid经过一个三角函数模块并且平方，S1中的电机交轴电流给定峰值i*qamp相乘作为交轴电流给定值iq*；将当前电机转子的实际转速ω、电机交轴电流给定峰值i*qamp输入到直轴参考电流发生器，得到直轴电流给定值i*

如式(1)所示：d，

[0009][0010]

式(1)中，Vs为电网电压有效值，Ld为直轴电感分量、Lq为交轴电感分量，λ为永磁磁链值，ωg为电网电压角速度；[0011]S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流ia和ib，经过abc/αβ变换得到在两相静止

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坐标系下的α轴电流iα与β轴电流iβ，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流iq和直轴电流id；将所述交轴电流iq与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压

[0012]

将所述直轴电流id和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过

和直轴电压

输入到前根据公式

电流调节器得到直轴电压

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压

馈解耦控制器中，根据公式

得到解耦后的直轴电压

[0013]

得到解耦后的交轴电压

S5：将步骤S4中的得到交轴电压给定值和直轴电压给定值经过陷波器，滤除

其中特定次谐波分量，得到交轴的参考电压压

和直轴参考电压

与直轴的参考电压将得到的交轴参考电

以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系

将α轴参考电压

β轴参考电压

以及直流母线电压

下α轴参考电压和β轴参考电压

Vdc输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

[0014]进一步，所述速度调节器采用PI调节器、PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

[0015]进一步，所述电流调节器采用内模控制器、重复控制器或者PR调节器。[0016]有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：[0017]1)本发明的直轴电流给定方法简单有效，有效简化了传统复杂的直轴电流给定方法；

[0018]2)本发明中，交直轴电压经过陷波器或自适应陷波器，有效地降低电网侧输入电流畸变率；

[0019]3)本发明中，电流调节器采用内模控制器或重复控制器或PR控制器，提高整个系统对于周期性信号的跟随；

[0020]4)本发明采用小容量薄膜电容代替大容量电解电容，缩小了整个系统的体积，降低了系统成本；

[0021]5)本发明方法的直轴电流给定值更精确，且能够滤除交直轴给定电压中的特定次谐波分量，能够降低电网电流的畸变率，有效提高系统的功率因数。附图说明

[0022]图1为采用了本发明具体实施方式方法的系统的整体控制框图；

[0023]图2为本发明具体实施方式的电机工作在负载0.5N·m时的交直轴电流仿真波形；[0024]图3为本发明具体实施方式的电机工作在负载0.5N·m时的电网电压和直流母线电压仿真波形；

[0025]图4为本发明具体实施方式的电机工作在负载0.5N·m时的输入电流仿真波形；[0026]图5为本发明具体实施方式的电机工作在负载1N·m时的交直轴电流仿真波形；[0027]图6为本发明具体实施方式的电机工作在负载1N·m时的电网电压和直流母线电压仿真波形；

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CN 107204727 A[0028][0029]

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图7为本发明具体实施方式的电机工作在负载1N·m时的输入电流仿真波形；图8为本发明具体实施方式的系统硬件结构框图。

具体实施方式

[0030]下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

[0031]本具体实施方式公开了一种小容量薄膜电容永磁同步电机直轴电流给定控制方法，如图1所示，包括以下步骤：[0032]S1：通过编码器或者霍尔位置传感器得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交轴电流给定峰值i*qamp；[0033]S2：通过电压传感器得到电网电压的瞬时值vs，电网电压瞬时值vs经过一个锁相环模块，得到电网电压相角θ电网电压相角θ与步骤grid，grid经过一个三角函数模块并且平方，S1中的电机交轴电流给定峰值i*qamp相乘作为交轴电流给定值iq*；将当前电机转子的实际转速ω、电机交轴电流给定峰值i*qamp输入到直轴参考电流发生器，得到直轴电流给定值i*

如式(1)所示：d，

[0034][0035]

式(1)中，Vs为电网电压有效值，Ld为直轴电感分量、Lq为交轴电感分量，λ为永磁磁链值，ωg为电网电压角速度；[0036]S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流ia和ib，经过abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α轴电流iα与β轴电流iβ，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流iq经过电流调节和直轴电流id；将所述交轴电流iq与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，器得到交轴电压

将所述直轴电流id和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过

和直轴电压

输入到前根据公式

电流调节器得到直轴电压

[0037]

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压

馈解耦控制器中，根据公式

得到解耦后的直轴电压

[0038]

得到解耦后的交轴电压

S5：将步骤S4中的得到交轴电压给定值和直轴电压给定值经过陷波器，滤除

其中特定次谐波分量，得到交轴的参考电压压

和直轴参考电压

与直轴的参考电压将得到的交轴参考电

以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系

将α轴参考电压

β轴参考电压

以及直流母线电压

下α轴参考电压和β轴参考电压

Vdc输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

[0039]其中，速度调节器采用PI调节器、PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。电流调节器采用内模控制器、重复控制器或者PR调节器。[0040]根据以上所述的步骤，利用MATLAB/Simulink仿真平台，搭建该仿真模型，并针对

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系统负载分别为0.5N·m、1N·m时进行仿真，得出相应的仿真波形。图2、图5分别为电机工作在负载0.5N·m、1N·m时的交直轴电流仿真波形，可以看出，负载提高，交轴电流幅值提高，直轴电流减小，并且能够交直轴电流能够很好的跟踪给定；图3、图6分别为电机工作在负载0.5N·m、1N·m时的电网电压和直流母线电压仿真波形，负载提高，直流母线电压最小值减低，二极管导通角变大；图4、图7分别为电机工作在负载0.5N·m、1N·m时的输入电流仿真波形，对电网电流进行FFT分析，负载为0.5N·m电网输入电流的畸变率为34％，负载为1N·m电网输入电流的畸变率为28％；证明这种控制方法在有效降低了电网输入电流畸变率的同时，验证了本发明提出的直轴电流给定算法的有效性。

[0041]上述算法的微机控制PWM调速系统硬件结构图如图8所示，整个调速系统的硬件电路由内嵌式永磁同步电机、逆变器、小容量薄膜电容与二极管整流器构成。电机的实时转速由IPMSM自带的FBS检测，经脉冲整形，通过单片机的数字测速模块给中央处理器；电机的给定速度由键盘给出，通过单片机的I/O模块给中央处理器。利用电机的实时速度与给定速度的差值，经一个PI环节，得出电机的交轴电流给定峰值；通过锁相环电路得到电网电压相角，经A/D模块输送给中央处理器，电网电压相角经一个三角函数变换，并且平方，与交轴电流给定峰值相乘作为电机交轴电流给定值；电机电角速度与电机交轴电流给定峰值经直轴电流给定模块；通过电流互感器实时测得电机三相相电流，经单片机的A/D模块，将电机的相电流的实时数据输送给中央处理器，经Clarke变化，将三相静止坐标系上的三相电流转换为两相静止坐标系上的αβ轴电流iα与iβ，经一个Park变换，将两相静止坐标系下的电流iα与iβ变换为同步旋转坐标系下的交直轴电流，与上述给定的交直轴参考电流构成反馈闭环，二者相减的信号经过一个内模控制器或重复控制器或PR控制器，经过电压的前馈补偿，得到电机在旋转坐标系下的交直轴参考电压，经一个陷波器模块，滤除给定电压中特定次谐波分量，经过Clarke逆变换，将所得在两相静止坐标系下的αβ轴电压uα与uβ信号给到SVPWM模块，SVPWM给出六路PWM波，六路PWM波经过光耦隔离电路，再经驱动电路，控制逆变器的功率管的开通与关断，带动电机旋转。

[0042]为防止电路过压过流以及整个系统发热严重烧毁系统，系统中加入电压过压保护电路、电路过流保护电路以及温度检测电路，对电压、电流以及温度进行分析比较，若发生故障，立即通知单片机，避免故障进一步扩大，其中，检测回路中的电压、电流以及温度信号由A/D转换通道变为数字量进入单片机，显示单元显示当前电机的转速、相电压、相电流以及小电容上的电压等等，电源供电电路转变为不同的电压等级，给故障保护电路、驱动电路、光耦隔离电路、调理电路以及单片机供电保证其正常工作。

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图1

图2

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图3

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