[發明專利]永磁同步電機高動態響應電流控制方法及系統

有效

• 申請號: 201210424296.0
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN103780187A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 呂春松;肖曦;王偉華;易健
• 申請（專利權）人: 東菱技術股份有限公司
• 主分類號: H02P21/12
• 分類號: H02P21/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種永磁同步電機技術，特別是永磁同步電機高動態響應電流控制方法及系統。

背景技術

由于高效率、高功率密度、無碳刷等優點，永磁同步電機在高性能伺服場合獲得了廣泛應用，數控加工中心、工業機器人驅動等應用領域要求快速的電磁轉矩響應以保證整個系統的高動態性能，因此，與電磁轉矩直接相關的電流環動態特性已成為衡量伺服性能最重要的指標之一。

永磁同步電機是一個多變量、強耦合、非線性的系統，為了便于研究，往往做如下假設：定子三相繞組完全對稱；忽略鐵心飽和，不計渦流和磁滯損耗；轉子上沒有阻尼繞組，轉子每相氣隙磁勢在空間呈正弦分布，同步旋轉坐標系下，PMSM定子電壓方程為：

u_d＝Ri_d+L_ddi_d/dt-ωL_qi_q????????????????(1)

u_q＝Ri_q+L_qdi_q/dt+ωL_di_d+ωψ_f??????????(2)

式中，ud、uq是定子d、q軸電壓，id、iq是定子電流，R為定子電阻，Ld、Lq是定子電感，ψf是永磁體磁鏈，ω為轉子電角速度。

如圖1所示，為現有的永磁同步電機矢量控制系統的框圖，系統為雙環結構，分別為速度外環和電流內環，對表貼式永磁同步電機，一般采用id＝0的控制策略；為了使系統擁有動態性能，要求電流環具有快速的動態響應速度。

一般對永磁同步電機電流環的控制方法主要有PID(或PI)調節器、滯環控制、預測控制等，PID調節器結構簡單、穩定可靠，目前在伺服系統中應用最為廣泛，PID調節器原理上是一種線性調節器，提高PID調節器增益可以提高系統動態性能，但過大的增益會影響系統穩定性，帶來超調和噪聲，實際應用中很難兼顧響應的快速性和穩定性，在高性能伺服中采用PID調節器難以達到所需要的電流環動態性能。

滯環控制快速性好，但這種Bang-Bang控制方式存在紋波大、開關頻率不固定等缺陷，不適用于高性能控制場合，針對永磁同步電機數字化控制系統，有學者從減少控制延時的角度提“雙采樣雙更新(double?sampling?anddouble?update，DSDU)”策略，在一個周期內兩次采樣電流，兩次更新PWM占空比，提高電流動態響應速度，其代價是計算量加倍，對控制芯片處理速度要求較高，有學者采用前饋的方式實現d、q軸完全解耦以提高電流的動態控制性能。

預測控制可以實現對指令信號無超調的快速跟蹤，但是它依賴被控對象的精確數學模型，對此提出了各種改進方法，如通過參數在線辨識的方法獲取被控對象的精確數學模型，消除參數不準確對預測控制效果的影響，有學者基于無差拍預測控制原理，提出一種魯棒電流控制算法，增強了系統在模型參數不準確時的穩定性，有學者則采用放松的電流偏差約束條件和平滑的輸出電壓預測方法，增強了電機電感參數失配時系統魯棒性，但一定程度上降低了預測控制的動態性能，對于數字化控制系統，基于無差拍控制方案，采用單采樣單更新能將電流環控制延時縮短至2個控制周期。

現有的電流控制方法，如圖1所示為永磁同步電機矢量控制系統框圖：忽略位置環的情況下，永磁同步電機矢量控制結構通常包括速度外環和電流內環，速度檢測裝置(比如碼盤)獲得電機轉速，將其與速度指令比較后送入速度環PI調節器，經過調節后，速度環輸出q軸電流指令即圖1中的iqr；d軸方面，由于通常采用id＝0控制方式，因此d軸電流指令idr通常設置為零。兩個電流指令分別與相應軸的電流反饋值iq、id比較并輸入到對應的電流環調節器，這兩個調節器再分別輸出相應軸上需要施加的電壓uq、ud。這樣的uq、ud電壓經過坐標反變換等步驟計算出三相占空比，最后變成合適的三相電壓波形施加到電機上，實現對電機的控制；在現有技術中采用的調節器(速度環一個、電流環兩個)不一定要用PI來實現，它們可以由其它的控制方法實現，圖1中之所以畫成了PI調節器，是因為PI調節器簡單、容易實現，因而應用廣泛且被多數人熟悉。