[发明专利]永磁同步电机高动态响应电流控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机技术，特别是永磁同步电机高动态响应电流控制方法及系统。

背景技术

由于高效率、高功率密度、无碳刷等优点，永磁同步电机在高性能伺服场合获得了广泛应用，数控加工中心、工业机器人驱动等应用领域要求快速的电磁转矩响应以保证整个系统的高动态性能，因此，与电磁转矩直接相关的电流环动态特性已成为衡量伺服性能最重要的指标之一。

永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，为了便于研究，往往做如下假设：定子三相绕组完全对称；忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗；转子上没有阻尼绕组，转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布，同步旋转坐标系下，PMSM定子电压方程为：

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轴电压，id、iq是定子电流，R为定子电阻，Ld、Lq是定子电感，ψf是永磁体磁链，ω为转子电角速度。

如图1所示，为现有的永磁同步电机矢量控制系统的框图，系统为双环结构，分别为速度外环和电流内环，对表贴式永磁同步电机，一般采用id＝0的控制策略；为了使系统拥有动态性能，要求电流环具有快速的动态响应速度。

一般对永磁同步电机电流环的控制方法主要有PID(或PI)调节器、滞环控制、预测控制等，PID调节器结构简单、稳定可靠，目前在伺服系统中应用最为广泛，PID调节器原理上是一种线性调节器，提高PID调节器增益可以提高系统动态性能，但过大的增益会影响系统稳定性，带来超调和噪声，实际应用中很难兼顾响应的快速性和稳定性，在高性能伺服中采用PID调节器难以达到所需要的电流环动态性能。

滞环控制快速性好，但这种Bang-Bang控制方式存在纹波大、开关频率不固定等缺陷，不适用于高性能控制场合，针对永磁同步电机数字化控制系统，有学者从减少控制延时的角度提“双采样双更新(double sampling anddouble update，DSDU)”策略，在一个周期内两次采样电流，两次更新PWM占空比，提高电流动态响应速度，其代价是计算量加倍，对控制芯片处理速度要求较高，有学者采用前馈的方式实现d、q轴完全解耦以提高电流的动态控制性能。

预测控制可以实现对指令信号无超调的快速跟踪，但是它依赖被控对象的精确数学模型，对此提出了各种改进方法，如通过参数在线辨识的方法获取被控对象的精确数学模型，消除参数不准确对预测控制效果的影响，有学者基于无差拍预测控制原理，提出一种鲁棒电流控制算法，增强了系统在模型参数不准确时的稳定性，有学者则采用放松的电流偏差约束条件和平滑的输出电压预测方法，增强了电机电感参数失配时系统鲁棒性，但一定程度上降低了预测控制的动态性能，对于数字化控制系统，基于无差拍控制方案，采用单采样单更新能将电流环控制延时缩短至2个控制周期。

现有的电流控制方法，如图1所示为永磁同步电机矢量控制系统框图：忽略位置环的情况下，永磁同步电机矢量控制结构通常包括速度外环和电流内环，速度检测装置(比如码盘)获得电机转速，将其与速度指令比较后送入速度环PI调节器，经过调节后，速度环输出q轴电流指令即图1中的iqr；d轴方面，由于通常采用id＝0控制方式，因此d轴电流指令idr通常设置为零。两个电流指令分别与相应轴的电流反馈值iq、id比较并输入到对应的电流环调节器，这两个调节器再分别输出相应轴上需要施加的电压uq、ud。这样的uq、ud电压经过坐标反变换等步骤计算出三相占空比，最后变成合适的三相电压波形施加到电机上，实现对电机的控制；在现有技术中采用的调节器(速度环一个、电流环两个)不一定要用PI来实现，它们可以由其它的控制方法实现，图1中之所以画成了PI调节器，是因为PI调节器简单、容易实现，因而应用广泛且被多数人熟悉。