一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法

1.本发明涉及一种用于永磁同步电机(pmsm)的直接转速控制算法，具体涉及一种表贴式永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法。


背景技术：

2.在传统的永磁同步电机系统中，最常用的永磁同步电机速度控制算法为经典的双闭环pi控制，这种方法直接根据给定速度与编码器测量得到的反馈速度的偏差进行相应的比例积分运算，从而得到速度调节器的输出。该输出量作为下一级电流环的给定，通过类似的原理使得q轴电流跟踪到给定信号，从而实现电机转速和q轴电流的无差跟随。然而，由于pi控制这样的基于误差调节的控制方法具有滞后性，且无法兼顾系统的响应速度和精度。另一方面，由于电机的转速动态相对电流动态反应较慢，双闭环拓扑由内环到外环的带宽会依次降低，极大的限制了电机转速的跟随速度，使得传统的pi控制无法应用于高性能伺服控制场合。
3.而目前针对pmsm速度控制有一些先进控制方法，如模型预测控制，自适应控制，滑模控制等，学界对这些理论进行了一系列研究，并取得了一些成果。然而，上述方法均着眼于对单个控制器的性能改进，如采用模型预测控制器取代pi电流控制器，以提升电流环的控制精度。或者采用先进滑模控制器代替速度控制器，提升速度响应的快速性和鲁棒性。显然，现有的先进控制方法依旧专注于采用双闭环速度控制拓扑，仅仅立足于从提升单环控制性能的角度提高响应速度，并未从根本上解决双闭环结构对于带宽的限制，因此对于电机转速响应速度的提升有限。
4.由此可见，需要一种更先进的速度控制算法，抛弃传统的双闭环控制拓扑，实现快响应永磁同步电机转速控制。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，该方法采用无差拍原理进行设计，用于表贴式三相永磁同步电机的转速快响应控制。本发明消除了传统的双闭环级联结构，并采用无差拍预测控制原理进行控制器设计，大大提高了电机速度控制系统的带宽和响应速度。本发明计算简单且易于在基于数字控制芯片(dsp)的电机驱动器中实现，可以大大提高电机转速控制的响应速度和精度，有利于提升系统性能，在工业控制领域具有极高的应用价值。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，包括如下步骤：
8.步骤1：通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数，其中：电气参数包含永磁体磁链ψ
f0
、相电阻r0和表贴式永磁同步电机的相电感l0；机械参数包含电机的转动惯量j0、极对数p；
9.步骤2：根据电机的电气方程，得到离散化的控制电压生成方程，具体表达式如下
所示：
[0010][0011]
式中，u
q0
(k+1)和u
d0
(k+1)为当前时刻输入给svpwm的参考电压，iq(k+2)和id(k+2)为dq轴电流；ωe为转子的电角速度；t为电流控制周期；k代表第k时刻的采样值；
[0012]
步骤3：在k时刻对dq轴电流值进行一步前向预测，得到k+1时刻dq轴电流的预测值和表达式如下所示：
[0013][0014]
其中，iq(k)和id(k)分别代表k时刻q轴和d轴电流的采样值；u
q0
(k)和u
d0
(k)代表k时刻输入给svpwm的参考电压；ωe(k)代表k时刻电机的电角速度；
[0015]
步骤4：根据无差拍原理，通常选择参考转速作为下一周期的预测转速，电流给定根据电机的运动学方程计算得出，使得pmsm在下一时刻无差地跟踪该参考转速，电机的运动学方程如下式所示：
[0016][0017]
其中，n代表速度控制时刻，ωm(n+1)代表在n+1时刻的转速采样值；ωm(n)代表n时刻的转速采样值；速度控制周期定义为t
p
＝tξ，ξ代表调整因子，用于调节响应速度并减小响应中的超调；iq(k+2)代表k+2时刻电机的q轴电流；
[0018]
步骤5：根据步骤4中离散化的运动学方程，参考电流信号表示为如下所示的表达式：
[0019][0020]
其中，为转速在n+1时刻的参考值；
[0021]
步骤6：充分考虑电机的电流电压方程、机械方程、延时补偿方法以及电流约束，得到如下所示无差拍直接转速控制的控制信号生成表达式：
[0022][0023]
该表达式结合了编码器位置输出，其中，
‘
sat’代表饱和函数，用于限制q轴电流的幅值，避免超过驱动器最大承受能力，a
d0
(k+1)和a
q0
(k+1)为中间变量，表达式为：
[0024][0025]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0026]
1、本发明提出了一种全新的单环转速控制的拓扑，并结合了预测控制中的无差拍控制理论，其思想是通过参考转速和d轴参考电流以无差拍的方式产生dq轴参考电压，从而在下一时刻将电机的工作点精确地移动到参考点。
[0027]
2、本发明具有速度脉动小、计算量少、开关频率固定、控制响应快等优点，提高了调速质量，大大提高了控制系统的快速性，对于提高速度控制的响应速度和系统的带宽大有裨益。
[0028]
3、本发明去除了传统的双闭环级联控制结构，控制信号可以通过速度给定直接以及电机的数学模型直接计算，大大提高了响应速度。而采用预测控制理论设计的控制器也能够提高电机转速控制精度，有效的提高了系统的性能。
[0029]
4、本发明充分考虑了数字控制系统中的延迟效应，并进行了时延补偿，从而实现速度给定的无差跟随，使系统能够达到最优的控制性能，对高性能永磁同步电机驱动器的开发有指导意义。
[0030]
5、本发明应用于永磁同步电机的速度控制系统中，尤其适用于要求电机转速快速跟随参考转速的系统。
[0031]
6、本发明不需要改变驱动器的原有硬件结构，所需的是在dsp中编写本发明算法对应的程序，故不会提高成本以及复杂度；在操作、控制、使用等方面与原系统维持不变。
附图说明
[0032]
图1为本发明提出无差拍直接转速控制方法框图；
[0033]
图2为20rpm速度阶跃给定下的传统pi控制器带宽测试结果；
[0034]
图3为20rpm速度阶跃给定下的无差拍直接转速控制器带宽测试结果。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0036]
本发明提供了一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，所述方法的基
本结构基于三相表贴式永磁同步电机矢量控制结构，采用i
*d
＝0控制，即d轴电流给定保持零值不变。如图1所示，包括如下步骤：
[0037]
步骤1：通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数，其中：电气参数包含永磁体磁链ψ
f0
、相电阻r0和表贴式永磁同步电机的相电感l0；机械参数包含电机的转动惯量j0、极对数p。
[0038]
步骤2：根据电机的电气方程，得到离散化的控制电压生成方程，具体表达式如下所示：
[0039][0040]
式中，u
q0
(k+1)和u
d0
(k+1)为当前时刻输入给svpwm的参考电压，iq(k+2)和id(k+2)为dq轴电流，通过电流传感器采样并进行坐标变换计算得到；ωe为转子的电角速度；t为控制周期；k代表第k时刻的采样值。
[0041]
步骤3：考虑到数字控制系统的延迟效应，需要在k时刻对dq轴电流值进行一步前向预测，得到k+1时刻dq轴电流的预测值和该预测值用于对数字控制系统存在的一步延时补偿，从而能在k时刻生成k+1时刻所需的参考电压，抵消一个周期的延迟效果，减小响应震荡。电流预测表达式如下所示：
[0042][0043]
其中，iq(k)和id(k)分别代表k时刻q轴和d轴电流的采样值；u
q0
(k)和u
d0
(k)代表k时刻输入给svpwm的参考电压；ωe(k)代表k时刻电机的电角速度。
[0044]
步骤4：根据无差拍原理，通常选择参考转速作为下一周期的预测转速。电流给定可以根据电机的运动学方程计算得出，可以使得pmsm在下一时刻无差地跟踪该参考转速。电机的运动学方程如下式所示：
[0045][0046]
其中，机械动态的采样间隔可以被定义为t
p
＝tξ，ξ是一个大于1的正整数(通常为5到10)，以防止速度控制和电流控制相互耦合。这种假设是合理的，因为在电机控制系统中，机械动态通常比电流动态慢得多。另外，速度采样间隔用n表示，t
p
代表速度控制周期，iq(k+2)代表k+2时刻电机的q轴电流。
[0047]
步骤5：在电机的运动学方程中，iq(k+2)可以用电流的参考值进行代替，表示了在t＝n到t＝n+1的过程中需要跟随的电流信号根据步骤4中离散化的运动学方程，参考电流信号可以表示为如下所示的表达式：
[0048][0049]
步骤6：在实际应用中，由于驱动器容量的限制，需要对q轴电流的幅值进行约束。因此本发明所提方法采用饱和函数对电流给定信号进行限制，饱和函数的幅值设置为最大容许电流值i
qmax
，饱和函数记作
‘
sat’。综合上述步骤，充分考虑到电机的电流电压方程、机械方程、延时补偿方法以及电流约束，可以得到无差拍直接转速控制的控制信号生成表达式如下所示，该表达式结合了编码器位置输出：
[0050][0051]
其中，a
d0
(k+1)和a
q0
(k+1)为中间变量，表达式为：
[0052][0053]
综上所述，所提出的无差拍直接转速控制方法能够大大提高永磁同步电机速度控制带宽，从而实现快响应转速控制。而基于模型的控制器设计也能提高稳态下的电机转速控制精度，降低转速波动，非常适用于高性能永磁同步电机速度控制驱动器中。该方法实现简单，不需要额外的硬件设计，具有较高的实际应用价值。
[0054]
根据本发明所提出的上述算法，无差拍直接转速控制器根据d轴电流给定和转速给定生成所需的控制电压ud和uq，通过park逆变换后输入到svpwm，转化成占空比信号输入到逆变器和电机，从而实现直接转速控制。电机a、b相电流反馈由驱动器中所配置的高精度电流传感器采样得到，并经过clark、park变换转换为dq轴电流，park变换所需要的位置信息由编码器器得到。另外，通过位置信号也可以计算出电机的转速，并应用于本发明所提出的算法中。
[0055]
本发明对传统的pi控制器和所提出的无差拍直接转速控制器分别进行了带宽测试，测试方法为在额定转速(1000rpm)的情况下，给定20rpm的阶跃参考信号，以避免过大的阶跃速度给定导致电流饱和。系统的带宽采用控制理论领域中“实际带宽”的概念来评估，即系统带宽f
bw
可由10～90％的上升时间tr来近似。带宽和上升时间的定量表达式如下所示：
[0056]
[0057]
图2为传统pi控制器的带宽测试情况，其中图2(a)显示了当给定转速从1000rpm到980rpm时，转速给定和反馈，q轴电流给定和反馈的实验波形。图2(b)显示了给定转速从1000rpm到1020rpm时的实验波形。类似的，图3为所提出的无差拍直接转速控制器在相同工况下的实验波形。从结果可以观察到，本发明所提出方法的平均上升时间约为3.15ms，对应的系统带宽约为111.1hz。相比之下，级联pi控制器的上升时间约为5.12ms，带宽约为68.4hz。显然，与传统的级联双闭环pi控制器结构相比，本发明所提出的无差拍直接转速控制器在带宽上有了显著的改进，这意味着可以实现更好的动态性能。另一点需要注意的是，实验中pi控制器的参数已经调整得相对较大，以获得更快的动态性能。即便如此，与本发明所提出的方法相比，响应速度要慢得多，且在这套尽可能保证快响应的参数下，可以观察到图2中速度响应存在较大纹波，损害了控制性能。综上所述，带宽测试证明本发明所提出的无差拍直接转速控制器的拓扑在快响应方面明显优于传统方法。

技术特征：
1.一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1：通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数，其中：电气参数包含永磁体磁链ψ
f0
、相电阻r0和表贴式永磁同步电机的相电感l0；机械参数包含电机的转动惯量j0、极对数p；步骤2：根据电机的电气方程，得到离散化的控制电压生成方程；步骤3：在k时刻对dq轴电流值进行一步前向预测，得到k+1时刻dq轴电流的预测值和步骤4：根据无差拍原理，选择参考转速作为下一周期的预测转速，电流给定根据电机的运动学方程计算得出，使得pmsm在下一时刻无差地跟踪该参考转速；步骤5：根据步骤4中离散化的运动学方程，得到参考电流信号；步骤6：充分考虑电机的电流电压方程、机械方程、延时补偿方法以及电流约束，得到无差拍直接转速控制的控制信号生成表达式。2.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述控制电压生成方程的具体表达式如下所示：式中，u
q0
(k+1)和u
d0
(k+1)为当前时刻输入给svpwm的参考电压，i
q
(k+2)和i
d
(k+2)为dq轴电流；ω
e
为转子的电角速度；t为电流控制周期；k代表第k时刻的采样值。3.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述和的表达式如下所示：其中，i
q
(k)和i
d
(k)分别代表k时刻q轴和d轴电流的采样值；u
q0
(k)和u
d0
(k)代表k时刻输入给svpwm的参考电压；ω
e
(k)代表k时刻电机的电角速度；t为控制周期；k代表第k时刻的采样值。4.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述电机的运动学方程如下式所示：
其中，n代表速度控制时刻，ω
m
(n+1)代表在n+1时刻的转速采样值；ω
m
(n)代表n时刻的转速采样值；t
p
为速度控制周期；i
q
(k+2)代表k+2时刻电机的q轴电流。5.根据权利要求4所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述t
p
＝tξ，ξ代表调整因子。6.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述参考电流信号的表达式如下式所示：其中，为转速在n+1时刻的参考值；ω
m
(n)代表n时刻的转速采样值；ξ代表调整因子；t为电流控制周期。7.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，其特征在于所述无差拍直接转速控制的控制信号生成表达式如下式所示：其中，为转速在n+1时刻的参考值；ω
m
(n)代表n时刻的转速采样值；ξ代表调整因子；t为电流控制周期；
‘
sat’代表饱和函数，用于限制q轴电流的幅值，避免超过驱动器最大承受能力，a
d0
(k+1)和a
q0
(k+1)为中间变量，表达式为：

技术总结
本发明公开了一种用于永磁同步电机的无差拍直接转速控制方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数；步骤2：根据电机的电气方程，得到离散化的控制电压生成方程；步骤3：对dq轴电流值进行一步前向预测，得到dq轴电流的预测值；步骤4：选择参考转速作为下一周期的预测转速，使得PMSM在下一时刻无差地跟踪该参考转速；步骤5：根据离散化的运动学方程，得到参考电流信号；步骤6：充分考虑电机的电流电压方程、机械方程、延时补偿方法以及电流约束，得到无差拍直接转速控制的控制信号生成表达式。本发明具有速度脉动小、计算量少、开关频率固定、控制响应快等优点。控制响应快等优点。控制响应快等优点。


技术研发人员：邹继斌 李绍斌 徐永向 肖利军 张文韬 禹国栋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/10/5