一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，包括：输出三相电压和电流，分别经坐标变换并结合当前周期电角度得到交直轴电压和电流分量；获取交直轴反电势分量；建立非线性永磁同步电动机数学模型，将交直轴电压和交直轴反电势作为输入，解算下一周期的机械角速度、电角度、电动机转速和交直轴电流，并将交直流电流作为下一周期闭环控制的指令电流；采用电流调节器对指令电流和交直轴电流分量的差值进行调节，将结果经帕克反变换后得到的参考电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出指令电流。本发明专利技术能有效模拟非线性反电势情况下各种工况运行特性，且能实现对高次谐波电流所含有的高频信号进行无静差跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法
本专利技术涉及一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，属于电力电子的

技术介绍
目前，针对永磁同步电机的建模和模拟，往往以理想反电势永磁同步电机为模拟或建模对象。如中国专利《一种永磁同步电机的功率模拟方法》(公开日：2013.12.25、公开号：CN103472391A)首先建立了永磁同步电机在反电势正弦情况下的数学模型，将电机驱动器的输出电压作为永磁同步电机数学模型的输入，计算出此状态下永磁同步电机应有的输出电流，将此电流作为三相全桥变换器的参考电流，并通过滞环控制完成模拟。这种功率模拟方法只能模拟永磁同步电机在反电势正弦时的功率特性，且用滞环控制开关频率不固定，电流谐波含量大。事实上，由于电机设计与制造工艺的限制，永磁同步电机的反电势往往呈现非正弦的特性，其反电势中包含着高次谐波，且电机定子绕组三相不完全对称，会导致三相反电势不对称。现有的永磁同步电动机模拟技术都是基于正弦波理想反电势的线性模型进行各种电机工况的模拟，并未考虑到非线性反电势特性对电机模拟精度的影响，且现有的控制方法无法实现对含有谐波的高频电流信号的无静差跟踪。因此有必要提供一种准确的非线性反电势永磁同步电动机模拟器及控制方法，以实现非线性永磁同步电动机的模拟。若要实现非线性反电势永磁同步电动机的模拟，需要对电机的数学模型进行修正。以便精确的计算出永磁同步电动机的实时电流。除了需对电机的数学模型进行修正外，还需对闭环控制方法进行改进。当永磁同步电机的反电势波形非正弦时，根据电机数学模型解算出的电流波形也将呈现非正弦的特性，其定子电流包含高频谐波。因此，闭环控制器必须能实现对高频信号的无静差控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，解决现有的永磁同步电动机模拟技术都是基于正弦波理想反电势的线性模型进行各种电机工况的模拟，并未考虑到非线性反电势特性对电机模拟精度的影响，且实现对含有谐波的高频电流信号的无静差跟踪的问题。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，包括以下步骤：检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表；在电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机数学模型，并对模型进行离散化处理；检测电机驱动器输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；根据当前周期的电角度和电动机反电势表中的反电势数据，获取永磁同步电动机当前周期的三相反电势，经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成交直轴反电势分量；将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为非线性永磁同步电动机数学模型的输入，运用所述模型解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴电流并将其作为下一周期闭环控制的指令电流，并利用模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电动机转速，用于计算下一周期的永磁同步电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度；检测三相全桥变换器输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；及将上一周期根据模型所解算出的dq轴电流作为当前周期的指令电流，并对当前周期的指令电流和交直轴电流分量的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程、电磁转矩方程、运动方程。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述方法中交直轴反电势分量含有高次谐波，具体为：其中，θe为永磁同步电动机的电角度,n为谐波次数；ed0、eq0为永磁同步电动机dq轴反电势的直流分量；为永磁同步电动机dq轴反电势的高频分量。本专利技术还提出一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，包括：电机驱动器、坐标变换模块、反电势建模模块、非线性永磁同步电动机建模模块、电流调节器、三相全桥变换器、SVPWM调制模块；其中，所述电机驱动器，用于输出三相电压，经坐标变换模块坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；所述三相全桥变化器，用于输出三相电流，经坐标变换模块坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；所述反电势建模模块，用于获取当前周期的三相反电势经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成的交直轴反电势分量；所述非线性永磁同步电动机建模模块，用于建立非线性永磁同步电动机数学模型，及将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为输入，利用所建立的模型解算出永磁同步电动机下一周期的dq轴电流并将此电流作为下一周期的指令电流，且利用所建立的模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电机转速，用于计算下一周期的电机反电势和提供坐标变换所需的电角度；所述电流调节器，用于将所述交直轴电流分量与当前周期指令电流的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述电流调节器包括串联连接的PI控制器与重复控制器。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述交直轴反电势分量含有高次谐波。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，还包括用于检测输出三相电压的电压传感器。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，还包括用于检测输出三相电流的电流传感器。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术提供的一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法，该电动机模拟器能有效的模拟非线性反电势情况下，永磁同步电动机的电流含有高次谐波的各种工况的运行特性，且所提控制方法能实现对高次谐波电流所含有的高频信号进行无静差跟踪。本专利技术所述电动机模拟器能有效的模拟非线性反电势情况下，永磁同步电动机的电流含有高次谐波的各种工况的运行特性。对非线性永磁同步电动机结构的优化设计、驱动器的设计及调试和电机特性测试都能起到重要作用。附图说明图1是本专利技术所述的非正弦永磁同步电动机模拟器及控制方法的结构框图。图2是本专利技术所述的重复控制器实现框图。图3是本专利技术所述的电机非正弦反电势的建模框图。图4是本专利技术所述的单位转速下电机反电势表的波形图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图1所示，本专利技术提出一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器，包括：电机驱动器、坐标变换模块、反电势建模模块、非线性永磁同步电动机建模模块、电流调节器、三相全桥变换器、空间矢量脉宽SVPWM调制模块。其中，所述电机驱动器与三相全桥变换器相连；所述电机驱动器的输出三相电压ua，ub，uc可以通过电压传感器测得，经坐标变换模块并结合电角度得到dq坐标系下的交直轴电压分量ud，uq；所述反电势建模模块，用于获取在单位转速下的三相反电势ea，eb，ec经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成的交直轴反电势分量ed，eq；以及，所述非线性永磁同步电动机建模模块，用于建立非线性永磁同步电动机数学模型，该非线性永磁同步电动机数学模型包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表；在永磁同步电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机的数学模型，并对模型进行离散化处理；检测电机驱动器输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；根据当前周期的电角度和电动机反电势表中的反电势数据，获取永磁同步电动机当前周期的三相反电势，经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成交直轴反电势分量；将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为非线性永磁同步电动机数学模型的输入，运用所述模型解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴电流并将其作为下一周期闭环控制的指令电流，并利用模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电动机转速，用于计算下一周期的永磁同步电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度；检测三相全桥变换器输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；及将上一周期根据模型所解算出的dq轴电流作为当前周期的指令电流，并对当前周期的指令电流和交直轴电流分量的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：检测永磁同步电动机在额定转速下的反电势波形，计算得到单位转速下永磁同步电动机的反电势数据并建立电动机反电势表；在永磁同步电动机反电势非正弦条件下，建立基于两相同步旋转坐标系的非线性永磁同步电动机的数学模型，并对模型进行离散化处理；检测电机驱动器输出三相电压，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电压分量；根据当前周期的电角度和电动机反电势表中的反电势数据，获取永磁同步电动机当前周期的三相反电势，经坐标变换并结合当前周期的电角度转换成交直轴反电势分量；将所述交直轴电压分量和交直轴反电势分量作为非线性永磁同步电动机数学模型的输入，运用所述模型解算出下一周期虚拟永磁同步电动机的dq轴电流并将其作为下一周期闭环控制的指令电流，并利用模型解算出下一周期的机械角速度、电角度和电动机转速，用于计算下一周期的永磁同步电动机反电势和提供下一周期坐标变换的电角度；检测三相全桥变换器输出三相电流，经坐标变换并结合当前周期的电角度得到交直轴电流分量；及将上一周期根据模型所解算出的dq轴电流作为当前周期的指令电流，并对当前周期的指令电流和交直轴电流分量的差值进行闭环控制调节，其输出结果经帕克反变换后得到输出电压通入SVPWM调制模块，使三相全桥变换器实际输出上一周期所解算出的指令电流。2.根据权利要求1所述一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于：所述非线性永磁同步电动机数学模型包括定子电压方程，具体为：其中，Ld，Lq为dq轴等效电感；ud，uq分别是永磁同步电动机定子的dq轴电压分量；id，iq分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；R是永磁同步电动机定子的电阻；ed，eq为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ωe为永磁同步电动机电动机的电角速度。3.根据权利要求1所述一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于：所述非线性永磁同步电动机数学模型包括电磁转矩方程，具体为：其中，P为永磁同步电动机的极对数；Ld，Lq为dq轴等效电感；id，iq分别是永磁同步电动机定子的dq轴电流分量；ed，eq为永磁同步电动机的dq轴反电势分量；ωm为永磁同步电动机的机械角速度。4.根据权利要求1所述一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器控制方法，其特征在于：所述非线性永磁同步电动机数学模型包括运动方程，具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鸿浩，金帅炯，郭前岗，朱冠宇，吕鹏程，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32