[發明專利]一種永磁同步電機雙閉環控制系統

無效

• 申請號: 201110243340.3
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102957372A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 陳曉麗
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/14
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及一種電機控制系統，尤其是涉及一種永磁同步電機雙閉環控制系統。

背景技術

永磁同步電機(PMSM)控制系統具有高效率、高控制精度、高轉矩密度、轉矩平穩性好，振動噪聲低等優點，在許多領域有良好的應用前景，廣泛應用于電動汽車、工業縫紉機、空調、電梯以及更高精度的數控機床及機器人等應用場合。其中永磁同步電機制造技術以及永磁同步電機的控制技術是決定永磁同步電機驅動控制系統性能的兩大關鍵技術。永磁同步電動機是一個強耦合、時變、非線性系統，控制復雜，目前常用的變頻調速方式有恒壓頻比控制、轉差頻率控制、直接轉矩控制以及基于磁場定向的矢量控制。

恒壓頻比控制方法是通過控制V/f恒定，使磁通保持不變，并以控制轉差頻率來控制電機的轉矩和轉速。這種控制方法低速帶載能力不強，不能調節轉矩，故性能不高。但該方法由于實現簡單、穩定可靠，調速方便，所以常應用于一些對動態性能要求不太高的場合，如對通風機、水泵等的控制。轉差頻率控制的突出優點就在于頻率控制環節的輸入是轉差信號，而頻率信號是由轉差信號與實際轉速信號相加后得到的，盡管轉差頻率控制能夠在一定程度上控制電機轉矩，但它依據的只是穩態模型，并不能真正控制動態過程中的轉矩，從而得不到很理想的動態控制性能。直接轉矩控制技術最早應用在感應電機中，隨后應用到永磁同步電動機控制系統中。永磁同步電動機直接轉矩控制不需要復雜的坐標變換，采用定子磁場定向，減弱了對電機參數的依賴性，控制簡單，轉矩響應快，但會產生較大的轉矩波動，限制了其應用范圍。

矢量控制理論的提出使交流電機控制理論獲得了一次質的飛躍。采用矢量控制理論進行控制時具有和直流電動機類似的調速特性。矢量控制的優點在于調速范圍寬，動態性能較好；缺點是矢量控制方法在實現時要進行復雜的坐標變換，并需準確觀測轉子磁鏈，而且對電機的參數依賴性很大，難以保證完全解耦，按轉子磁鏈定向會受電動機參數變化的影響而失真，從而降低了系統的調速性能。解決方法是采用智能化調節器提高系統的調速性能和魯棒性。

為了提高系統動態調速性能，工程上常采用閉環控制結構。閉環結構可以有效改善系統的魯棒性，智能化調節器如PID調節器等可以顯著提高系統的響應速度和控制精度，從而實現高性能的電機驅動控制要求。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可提高控制系統的響應速度和控制精度，且大大提高系統的抗干擾能力，具有良好的擴展性的永磁同步電機雙閉環控制系統。

本發明采用TI公司的DSP(TMS320F2812)作為核心CPU，開發了一套高性能的永磁同步電機驅動控制系統，該系統采用的是轉子磁場定向矢量控制算法及SVPWM調制方法，設計了電流、轉速(或轉矩)雙閉環結構，其中電流控制器與轉速控制器均采用PID算法，詳細技術方案及具體特征如下：1)采用直軸電樞電流為零(id＝0)的控制策略，為了保證具有較高的響應速度和準確的調速性能，整個系統采用了電流與轉速(或轉矩)雙閉環結構，外環為速度(或轉矩)閉環、內環為d、q軸的電流閉環，可以根據應用需要選擇外環是轉速環還是轉矩環，也可以將轉速和轉矩閉環并聯，根據生產工藝要求進行切換，從而拓寬該控制系統的應用領域；2)根據電機控制命令與電機運行狀態檢測信號確定電機的命令信號；3)調用轉子位置檢測模塊，產生數字轉換器的工作時鐘，同時轉子位置檢測模塊對接受到的數字轉換器輸出的轉子位置信號進行處理，獲得轉子位置和轉子轉速信號供轉子磁場定向矢量控制使用；4)調用A/D轉換模塊，A/D轉換模塊將檢測的定子電流、直流母線電壓、轉矩反饋、轉速反饋及功率模塊溫度模擬信號轉換成數字信號，并進行濾波處理；5)進入轉矩閉環，調用轉矩控制器；6)進入轉速閉環，調用轉速控制器；7)進入電流閉環，調解器將電機的d軸和q軸的電壓控制信號送入DSP；8)DSP產生的六路PWM控制信號送入驅動電路，經驅動電路驅動后接入三相逆變主電路中六個功率開關器件的門極，產生三相電壓頻率可調的控制電壓源給永磁電機供電，實現永磁同步電機高速、高精度的閉環伺服控制。

所述的步驟2)中的命令信號包括運行、停止和轉向。

所述的步驟7)中的電流閉環分為d軸電流閉環和q軸電流閉環，d軸和q軸的電流調解器分別為PID調解器。