一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统，包括：电流获取模块，用于确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号；电流控制磁链观测模块，用于确定出估计定子磁链信号，并结合接收的电流给定信号，确定出当前时刻的电压控制量；转矩估算模块，用于确定出电磁转矩反馈值；转矩控制器，用于确定出给定电流幅值信号；电流给定生成器，用于生成电流给定信号；脉宽调制模块，用于根据电压控制量生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。应用本发明专利技术的方案，降低了设计工作的复杂度和运行计算的复杂度，消除了控制系统设计过程和控制性能对永磁同步电机直轴同步电感参数的依赖。本发明专利技术还公开了一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法，具有相应效果。

A Torque Closed Loop Control System for Permanent Magnet Synchronous Motor and Its Method

The invention discloses a closed-loop torque control system of permanent magnet synchronous motor, which includes: current acquisition module for determining current feedback signal in two-phase static coordinate system; current control flux observation module for determining estimated stator flux signal, and combining the received current given signal to determine the voltage control quantity at the current moment; and torque estimation module for determining current feedback signal in two-phase static coordinate system. The feedback value of electromagnetic torque is determined; the torque controller is used to determine the given current amplitude signal; the current generator is used to generate the given current signal; and the pulse width modulation module is used to generate the corresponding pulse width modulation signal according to the voltage control quantity for motor control. The scheme of the invention reduces the complexity of design work and operation calculation, and eliminates the dependence of the design process and control performance of the control system on the parameters of the direct-axis synchronous inductance of the permanent magnet synchronous motor. The invention also discloses a closed-loop control method for the torque of a permanent magnet synchronous motor, which has the corresponding effect.

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统及方法
本专利技术涉及电机控制
，特别是涉及一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统及方法。
技术介绍
由于矢量控制可以使得交流电机具有可媲美直流电机的转矩控制性能，已经成为永磁同步电机转矩和电流控制的主流控制方法。在现有技术中，对永磁同步电机进行电流控制是在两相旋转坐标系下实现的，即电流闭环控制需要通过将三相电流通过Clark变换和Park变化到两相同步旋转坐标系下进行反馈控制，然后将两相旋转坐标系下的dq轴控制电压进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的αβ轴电压控制量，进行SVPWM调制，上述过程的计算量较大，对CPU的计算性能要求较高。并且，在两相旋转坐标系下进行永磁电机的控制时，需要对交直轴电流控制器进行解耦设计。具体的，两相旋转坐标系下永磁同步电机的电压方程可如下式所示：其中，其中ud，uq为分别电压矢量的直轴和交轴分量；id，iq分别为电流矢量的直轴和交轴分量；Rs为定子电阻，Ld，Lq分别为直轴和交轴同步电感，ω为电机的电角速度，ψf为永磁磁链幅值，D为微分算子。由于电压方程存在交直轴交叉耦合的影响，需要对交直轴电流控制器进行解耦设计，进一步增加了设计和运行计算的复杂度。并且，解耦控制效果容易受到电机参数的准确度的影响。此外，永磁同步电机进行转矩闭环控制需要准确的电磁转矩反馈量。考虑安装和维护成本，永磁同步牵引传动系统通常不会安装扭矩测量仪，因此需要进行电磁转矩估计。在进行电磁转矩的估计时，部分方案是根据已知的永磁磁链、两相旋转坐标系下交直轴同步电感参数以及电流实时采样值，采用公式直接计算，但是这需要做大量的参数标定实验，进行参数数据的存储，或者是需要额外的在线参数辨识算法。还有部分方案是先观测定子磁链，再由定子磁链计算转矩。开环定子磁链观测方法中基于电压模型的方法受到积分积累误差的影响大，而基于电流模型的方法则依赖于永磁磁链参数和交直轴电感参数。在闭环定子磁链观测方法中，现有技术的在两相旋转坐标系下构造磁链观测器的方法受状态方程存在交叉耦合的影响，观测器的设计难度较大，而且磁链观测精度同时受到Ld，Lq参数准确度的影响。有学者引入有效磁链的概念，推导了两相静止坐标系下永磁同步电机的电压方程如下式所示，并研究了构造有效磁链观测器的方法，可以不依赖于直轴电感参数Ld。其中，有效磁链的α轴和β轴分量的表达式为但是，现有技术中构造的有效磁链观测器并没有充分利用该电压方程α轴和β轴相互解耦的特点，所设计的观测器仍然存在交叉耦合项。并且，目前的实现方案中需要独立于电流控制器专门设计磁链观测器，也就使得在设计磁链观测器时，需要包含多个反馈参数的设计，增加了设计的复杂度，也增加了芯片的计算负担。综上所述，如何在进行永磁同步电机的转矩闭环控制时，有效地降低设计和运行计算的复杂度，减小电机参数的影响，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统及方法，以在进行永磁同步电机的控制时，有效地降低设计和运行计算的复杂度，减小电机参数对控制系统的性能影响。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统，包括：电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；电流控制磁链观测模块，用于根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；转矩估算模块，用于根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；转矩控制器，用于根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；电流给定生成器，用于根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref；脉宽调制模块，用于根据所述电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。优选的，所述电流控制磁链观测模块，包括：扩充状态观测子模块，用于将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立系统状态方程，将所述系统状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；电压补偿量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；定子磁链计算子模块，用于根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；电压控制量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。优选的，所述系统状态方程为：其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；所述iα_fdb和iβ_fdb作为所述状态变量，和为作为所述扩张状态变量。优选的，确定出的所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2满足：其中，所述f1和f2均为反馈函数，所述反馈函数为状态估计误差值及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式。优选的，其特征在于，确定出的所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp为：其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感。优选的，所述电压控制量计算子模块，具体用于：根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；其中，所述虚拟控制信号u'α和u'β满足：所述gc为反馈控制率函数，所述反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式；根据所述虚拟控制信号u'α和u'β，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，确定出所述电压控制量uα_c和uβ_c；其中，计算出的所述电压控制量uα_c和uβ_c满足：所述k为预设逆变器电压增益。优选的，所述定子磁链计算子模块，具体用于：根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，确定出所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ；其中，所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ满足：所述Lq为交轴同步电感；根据所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ，所述转速信号ωr，确定出扩展磁链值ψext本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，包括：电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；电流控制磁链观测模块，用于根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；转矩估算模块，用于根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；转矩控制器，用于根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；电流给定生成器，用于根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref；脉宽调制模块，用于根据所述电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，包括：电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；电流控制磁链观测模块，用于根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；转矩估算模块，用于根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；转矩控制器，用于根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；电流给定生成器，用于根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref；脉宽调制模块，用于根据所述电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，所述电流控制磁链观测模块，包括：扩充状态观测子模块，用于将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立系统状态方程，将所述系统状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；电压补偿量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；定子磁链计算子模块，用于根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；电压控制量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，所述系统状态方程为：其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；所述iα_fdb和iβ_fdb作为所述状态变量，和为作为所述扩张状态变量。4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，确定出的所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2满足：其中，所述f1和f2均为反馈函数，所述反馈函数为状态估计误差值及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式。5.根据权利要求2至4任一项所述的永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，确定出的所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp为：其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感。6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的转矩闭环控制系统，其特征在于，所述电压控制量计算子模块，具体用于：根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；其中，所述虚拟控制信号u'α和u'β满足：所述gc为反馈控制率函数，所述反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式；根据所述虚拟控制信号u'α和u'β，所述控制补偿量uα_comp和uβ_co...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈召源，童维勇，殷江洪，
申请(专利权)人：深圳市英威腾电动汽车驱动技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44