一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法及系统与流程

本发明涉及三相交流电机矢量控制方法技术领域，具体涉及一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法及系统。

背景技术：

目前，矢量控制与直接转矩控制是在高性能交流变频调速领域最为常用的两种方法。其中矢量控制技术也称为磁场定向控制技术，即把旋转磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向来建立旋转坐标系，电机电流矢量等均在上述旋转坐标系下表示。其基本特点是在旋转坐标系下，三相电机的定子电流可以分解为独立的励磁分量和转矩分量来分别进行控制。这样，通过矢量变换将交流电机数学模型重新构造成他励直流电机形式，实现电动机转矩和电动机磁通的解耦，进而可以实现对瞬时转矩的单独控制。直接转矩控制采用空间矢量分析方法，在定子坐标系下直接实现磁链空间矢量的计算控制与转矩控制，简化了实际控制系统，提高了系统快速响应能力，但却伴有鲁棒性差、磁链和转矩脉动等缺陷。因此，直接转矩控制并不常见于高性能伺服控制系统中。高性能的伺服系统要求具有高速、高精度、高稳定性及调速范围宽等特点，目前，矢量控制是使用最广泛的电机伺服控制策略。

最常见的交流伺服电机电流控制采用两个的pi控制器独立地控制d轴和q轴电流，对控制器的输出电压进行一系列的解耦与换算，通过空间电压矢量脉宽调制(svpwm)模块输出6路功率器件的开关信号，最后执行相应的开关操作，实现电机实际电流对指令电流的跟随。这种方法坐标变换复杂、计算量大，影响电机的响应时间。此外，每个采样周期内，空间电压矢量脉宽调制模块输出的开关执行次数为确定值，设定的采样周期越短即开关频率越高，电流的跟随误差就越小，但过高的开关频率会影响硬件的寿命且增加电机的能耗。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本发明提供一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法及系统，该方法借助所设计的pi调节器以及滞环比较器实现三相电流控制并通过设计一个开关函数来进行优化控制，具有稳定安全且结构简单、高带宽、鲁棒性强、能量效率高的特点。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，包括如下步骤：

s100，采样三相交流永磁同步电机的三相电流实际值；

s200，根据设定或根据外环伺服控制器得到d-q轴电流的指令值，通过park逆变换将d-q轴电流指令值转换成三相定子电流的指令值，并将三相定子电流的指令值与采样反馈回来的三相电流实际值相比较得到第一偏差项；

s300，将第一偏差项计算得到电流误差值；

s400，生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件的开关状态控制指令；

s500，获得三相电流实际值进行park变换并与d轴和q轴的电流指令值比较得到第二偏差项；

s600，对第二偏差项求模；

s700，选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

s800，根据生成的控制指令输出到电机各相功率器件。

作为本发明的进一步改进，s100中，对电机三相定子电流进行采样获得实际三相定子电流iabc，还对电机编码器进行采样获得转子角度。

作为本发明的进一步改进，s200中，对电机q轴指令电流值iq^*以及d轴指令电流id^*结合转子角度来进行坐标变换得到电机定子三相电流指令值iabc^*；采样得到的电机三相定子电流iabc与得到的电机定子三相电流指令值iabc^*相比较，得到第一偏差项：

δiabc＝iabc^*-iabc。

作为本发明的进一步改进，s300中，将第一偏差项与其积分值相加得到电流误差值：

eabc＝δiabc+λ∫δiabcdt

式中λ为控制器所需设定的积分系数，t表示时间。

作为本发明的进一步改进，s400中，采用滞环比较器生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件的开关状态控制指令xabc；

其中，滞环比较器的输出在0和1两个值之间切换，当输出为1时，环比较器的输出一直保持，直到输入低于比较器下限-δv/2的值为止；输出为0时，环比较器的输出一直保持，直到输入高于比较器上限δv/2的值为止。

作为本发明的进一步改进，s500中，根据电机三相定子电流iabc，并结合转子角度来进行坐标变换得到d-q轴的电流采样值idq。

作为本发明的进一步改进，s600中，将得到的d-q轴电流采样值idq与d-q轴电流指令值idq^*相比较，得到第二偏差项：δidq＝idq^*-idq。

8、根据权利要求2所述的一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，其特征在于，s700中，采用开关函数来选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；所述的开关函数如下：

其中，000or111表示电机各相功率器件的上桥全部断开下桥全部导通或上桥全部导通下桥全部断开，δq为开关函数引入的一个正常数，作为开关阈值。

作为本发明的进一步改进，开关状态控制指令每相输出的1或者0的值来控制应功率器件的开关状态，从而使电机定子三相电流实际值使得idq跟踪指令值idq^*。

一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动系统，包括：电机电角度检测模块、第一坐标变换模块、调节器模块、滞环比较器模块、第二坐标变换模块、求模模块、开关函数模块和智能功率模块；

所述的电机电角度检测模块1，用于采样三相交流永磁同步电机的转子电角度，并将三相电流实际值反馈给第一坐标变换模块和第二坐标变换模块；

所述的第一坐标变换模块，用于根据设定或根据外环伺服控制器得到d-q轴电流的指令值，进而得到三相定子电流的指令值，并将三相定子电流的指令值与采样反馈回来的三相电流实际值相比较得到第一偏差项；

所述的pi调节器模块，用于将第一偏差项计算得到电流误差值；

所述的滞环比较器模块，用于生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的第二坐标变换模块，获得三相电流实际值与d轴和q轴的电流指令值比较得到第二偏差项；

所述的求模模块，用于对第二偏差项求模；

所述的开关函数模块，用于选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的智能功率模块，用于根据生成的控制指令作用到电机各相功率器件。

所述的电机各相功率器件为igbt或moseft。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，通过对三相电机的各相电流直接进行pi调节并进行滞环比较运算得到功率器件的开关状态控制指令，对三相电流的直接控制从原理上避开了复杂的坐标变换与脉宽调制运算，从根本上简化了驱动器的算法，且提高了各相电流的动态跟随特性。在开关函数中引入正常数δq，通过实验调节选择最优的正常数δq，使得可以根据电流实际值与电流指令值在d-p坐标系中的偏差幅值来判断是否执行零矢量开关状态，这种方法不仅能够有效的避免电流抖振和电流噪音等的影响，还能在能够使电机在良好响应特性的前提下大幅降低开关频率，提高能量利用效率，提升功率模块的使用寿命。可见，本发明能够克服现有传统的电机矢量控制计算复杂、开关操作次数固定不灵活的技术缺点。本发明的电机驱动方法具有开关操作次数灵活、能耗更低的特点，通过本发明的驱动方法能够大大加快电机的响应速度，并使得电机具有更强的鲁棒性，电流控制比较灵活而且降低了单位时间内开关的操作次数、延长硬件开关的使用寿命、减少能源损耗。

附图说明

图1为本发明综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法控制原理框图；

图2为仿真环境下本发明中电机d-q轴电流的阶跃响应图；

图3为仿真环境下传统矢量控制中电机d-q轴电流阶跃响应图。

图1中，1-电机速度位置检测模块，2-第一坐标变换模块，3-pi调节器模块，4-滞环比较器模块，5-第二坐标变换模块，6-求模模块，7-开关函数模块，8-智能功率模块(ipm)，9-三相交流永磁同步电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施列对本发明不构成限定。

参照图1，本发明提供一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，包括：电机速度位置检测模块1、第一坐标变换模块2、调节器模块3、滞环比较器模块4、第二坐标变换模块5、求模模块6、开关函数模块7、智能功率模块8和三相交流永磁同步电机9；

所述的电机速度位置检测模块1，用于采样三相交流永磁同步电机9转子所在的电角度，并将电角度值反馈给第一坐标变换模块2和第二坐标变换模块5；

所述的第一坐标变换模块2，用于根据设定或根据外环伺服控制器得到d-q轴电流的指令值，得到三相定子电流的指令值，并将三相定子电流的指令值与采样反馈回来的三相电流实际值相比较得到第一偏差项；

所述的pi调节器模块3，用于将第一偏差项计算得到电流误差值；

所述的滞环比较器模块4，用于生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的第二坐标变换模块5，获得三相电流实际值并与d轴和q轴的电流指令值比较得到第二偏差项；

所述的求模模块6，用于对第二偏差项求模；

所述的开关函数模块7，用于选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的智能功率模块8，用于将生成的控制指令作用到电机各相功率器件。

所述电机各相功率器件为igbt或moseft。

本发明的工作原理为：设定或根据外环伺服控制器得到d-q轴电流的指令值，d轴和q轴的电流指令值再经过第一坐标变换模块2得到三相定子电流的指令值；将经过第一坐标变换模块2得到三相定子电流的指令值与采样反馈回来的三相电流实际值相比较，通过pi调节器模块3，再经过滞环比较器模块4得到初步的三相开关的开关控制信号，三相电流实际值通过第二坐标变换模块5与d轴和g轴的电流指令值的比较值，通过求模模块6及开关函数模块7在此开关控制信号和000/111中选择合适结果作为最终对三相开关的操作信号，最后通过智能功率模块(ipm)8输出三相交流电控制三相交流永磁同步电机9，使得三相交流永磁同步电机9实际三相定子电流值跟踪指令值，从而驱动三相交流永磁同步电机9。

本发明还提供一种综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，包括如下步骤：

步骤1，对电机三相定子电流进行采样获得实际三相定子电流iabc，并通过电机速度位置检测模块1获得电机转子电角度；

步骤2，根据外环伺服控制器及电机特性得到电机d轴和q轴的指令电流值id^*与iq^*，当所控制的电机为表贴式永磁同步电机时可令id^*＝0；

步骤3、第一坐标变换模块2对电机q轴指令电流值iq^*以及d轴指令电流id^*结合步骤1得到的转子电角度来进行park逆变换得到电机定子三相电流指令值iabc^*如下：

步骤4，将步骤1中采样得到的电机三相定子电流iabc与步骤3得到的电机定子三相电流指令值iabc^*相比较，得到偏差项如下：

δiabc＝iabc^*-iabc；

步骤5，将步骤4中得到偏差项δiabc通过pi调节器模块3得到电流误差值eabc如下：

eabc＝δiabc+λ∫δiabcdt

其中，λ是一个需要调试的控制参数，t表示时间；

步骤6，采用滞环比较器模块4生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件的开关状态控制指令xabc；

其中，1表示对应相的功率器件上桥导通下桥断开，0表示对应相的功率器件上桥断开下桥导通；

以其中任意一相为例：

其中，电流h为三相电流中的a相电流、b相电流或c相电流，eh为h相电流误差值，1表示h相功率器件上桥导通下桥断开，0表示h相的功率器件上桥断开下桥导通；滞环比较器的输出在0和1两个值之间切换，δv/2为比较器上限值，-δv/2为比较器下限值。当输出为1时，它会一直保持，直到输入低于比较器下限-δv/2的值为止。输出为0时，它会一直保持，直到输入高于比较器上限δv/2的值为止。

采用滞环比较器生成电机各相功率器件的开关状态控制指令，是根据步骤5得到的电流误差值eabc来判断得到三相开关的开关状态；

步骤7，第二坐标变换模块5将步骤1中采样得到的电机三相定子电流iabc，并结合步骤1得到的转子电角度来进行park变换得到d-q轴的电流采样值idq如下：

步骤8，将步骤2中得到的d-q轴电流指令值idq^*与步骤7中得到的d-q轴电流采样值idq相比较，得到偏差项：δidq＝idq^*-idq，求模模块6并对得到的偏差项求模，得到其值||δidq||；

步骤9，开关函数模块7采用开关函数来选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的开关函数如下：

其中，xabc为步骤6生成的电机各相功率器件的开关状态控制指令，000or111表示电机各相功率器件的上桥全部断开下桥全部导通或上桥全部导通下桥全部断开，δq为开关函数引入的一个正常数，来作为开关阈值。

步骤10，智能功率模块8将步骤9生成的控制指令输出到电机各相功率器件，电机各相功率器件根据步骤9生成的控制指令执行开关动作，从而驱动电机。至此，使得能够根据实际电机定子电流的采样值与电流指令值得偏差来控制电机各相功率器件的开关状态，从而使得电机定子电流实际值idq跟踪指令值ldq^*，从而驱动电机。

其中，开关函数的正常数δq的取值是通过实验的方法进行标定，实验标定时，在满足电机工况的情况下，δq取最大值。所述电机各相功率器件为igbt或moseft。所述电机为三相交流电机。

实施例1

下面基于simulink仿真平台对本发明实施例进行说明。

如图1所示：pmsm表示表贴式三相交流永磁同步电机，本实施例的综合利用三相电流与dq电流的电机驱动方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电机的铭牌对电机参数进行初始化，完成电机驱动控制中的电机参数的设置；

步骤2、对电机三相定子电流iabc进行采样，通过电机速度位置检测模块1(本实例中采用编码器)检测电机转子角度位置，并乘以电机极对数得到转子电角度θ；

步骤3、设定电机q轴的指令电流值iq^*，本实施例中采用表贴式三相交流同步电机的模型仿真，故令电流id^*＝0，以此分别得到电机d轴和q轴的指令电流值iq^*与id^*；

步骤4、经过第一坐标变换模块2，对电机q轴的指令电流值iq^*以及d轴指令电流id^*进行坐标变换得到电机定子三相电流指令值iabc^*，具体表示为：

其中，电机定子三相电流指令值iabc^*表示为：

其中，ia^*、ib^*、ic^*分别为abc三相电流指令值，坐标变换表示如下，θ为步骤1所检测得到的电机转子电角度：

其中，电机d-q轴的电流指令值idq^*表示为：

步骤5，将步骤2中采样得到的电机三相定子电流iabc与步骤4得到的电机定子三相电流指令值iabc^*相比较，得到偏差项δiabc如下：

δiabc＝iabc^*-iabc；

步骤6，将步骤5中得到偏差项δiabc通过pi调节器得到电流误差值eabc如下：

eabc＝δiabc+λ∫δiabcdt

其中，λ是一个需要调试的积分参数，t表示时间；

步骤7，采用滞环比较器生成由三相电流误差值决定的电机各相功率器件(如igbt或moseft)的开关状态控制指令xabc；

其中，1表示对应相的功率器件上桥导通下桥断开，0表示对应相的功率器件上桥断开下桥导通。

以其中任意一相为例：

其中，电流h为三相电流中的a相电流、b相电流或c相电流，eh为h相电流误差值，1表示h相功率器件上桥导通下桥断开，0表示h相的功率器件上桥断开下桥导通；滞环比较器的输出在0和1两个值之间切换，δv/2为比较器上限值，-δv/2为比较器下限值。当输出为1时，它会一直保持，直到输入低于比较器下限-δv/2的值为止。输出为0时，它会一直保持，直到输入高于比较器上限δv/2的值为止。

采用滞环比较器生成电机各相功率器件的开关状态控制指令，是根据步骤6得到的电流误差值eabc来判断得到三相开关的开关状态；

步骤8，将步骤2中采样得到的电机三相定子电流iabc，并结合步骤2得到的转子角度θ经过第二坐标变换模块5来进行坐标变换得到d-q轴的电流采样值idq如下：

其中，电机d-q轴的电流采样值idq表示为：

其中，坐标变换表示如下，θ为步骤1所检测得到的电机转子电角度：

其中，电机定子三相电流采样值iabc表示为：

步骤9，将步骤3中得到的d-q轴电流指令值idq^*与步骤8中得到的d-q轴电流采样值idq相比较，得到偏差项：δidq＝idq^*-idq，并对得到的偏差项通过求模模块6求模，得到其值||δidq||；

步骤10，采用开关函数来选择并生成电机各相功率器件的开关状态控制指令；

所述的开关函数如下：

其中，xabc为步骤6生成的电机各相功率器件的开关状态控制指令，000or111表示电机各相功率器件的上桥全部断开下桥全部导通或上桥全部导通下桥全部断开，δq为开关函数引入的一个正常数，来作为开关阈值；

步骤11，将开关函数生成的控制指令作用到智能功率模块(ipm)8，根据实例中的步骤10每相输出的1或者0的值来相对应ipm控制智能功率模块8中功率器件的开关状态，从而使电机定子三相电流实际值使得idq跟踪指令值idq^*；

步骤12、智能功率模块(ipm)8输出的三相交流电控制三相交流永磁同步电机9，最终驱动电机。

如图2所示为仿真环境下本发明中电机d-q轴电流的阶跃响应。如图3所示为仿真环境下传统矢量控制中电机d-q轴电流的阶跃响应。

由以上可以看出，本发明中电流实际值能够迅速且无静差地跟踪指令值，并且相较于电机传统矢量控制的驱动方式，显著缩短了响应时间，并通过对单位时间内功率器件的开关执行情况进行计数，可以发现单位时间内执行开关操作的次数显著减少，具有延长硬件使用寿命以及减少能源损耗的优势。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。