阅读说明：本技术 一种永磁同步电机v/f控制定子电阻补偿方法及系统 (permanent magnet synchronous motor V/F control stator resistance compensation method and system ) 是由 华青松 徐晓通 何袁生 丁茂起 李力 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法及系统,其采用的补偿算法是在传统V/F控制算法的定子电压前加入正反馈环节用于电压补偿构成闭环控制,具体做法是采集永磁同步电机的三相电流,利用Park变换和Clark变换将三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标上,得到同步旋转坐标下的分解电流I<Sub>d</Sub>,I<Sub>d</Sub>乘上定子电阻R<Sub>s</Sub>,得到定子电阻压降△U,用于电压补偿,提高了定子电压,使电机启动转矩增大,保证了电机能顺利启动,提高了电机的启动性能和低速性能。本申请的技术方案简单实用,具有广泛的应用前景。(The application provides permanent magnet synchronous motor V/F control stator resistance compensation methods and systems, the compensation algorithm is that a positive feedback link is added before the stator voltage of the traditional V/F control algorithm for voltage compensation to form closed-loop control, the specific method is to collect the three-phase current of the permanent magnet synchronous motor, the three-phase current is converted to the synchronous rotation coordinate with the stator voltage vector as the d axis by utilizing Park conversion and Clark conversion, and the decomposition current I under the synchronous rotation coordinate is obtained d ，I d Multiplied by the stator resistance R s The stator resistance voltage drop △ U is obtained and used for voltage compensation, the stator voltage is improved, the starting torque of the motor is increased, smooth starting of the motor is guaranteed, and the starting performance and the low-speed performance of the motor are improved.)

一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法及系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机V/F控制技术领域，具体涉及一种新型永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法和系统。

背景技术

永磁同步电机由于具有功率密度大，转矩脉动小，损耗小和效率高等优点，已在各大领域内得到了广泛的应用。永磁同步电机的控制方法大体分为：矢量控制、直接转矩控制、标量控制(V/F控制)。矢量控制和直接转矩控制，控制精度高，动态响应快，但是算法复杂而昂贵，对电机参数依赖程度高；标量控制算法简单，控制可靠，无需依赖电机参数，非常适合于风机水泵类负载。传统的标量控制，对定子电阻压降不予考虑，导致电机启动转矩低，甚至启动困难。基于电机模型的定子电阻矢量补偿，可以完全补偿定子电阻压降，但是算法过于复杂难以实现。例如在申请号为CN201710532982.2的现有技术中，其通过在系统中加入V/F曲线控制器，根据给定转速和补偿转速获得补偿后转速，V/F曲线控制器根据补偿后转速和V/F控制曲线获得给定电压，再经过调制后，通过电压补偿的方式，控制永磁同步电机的输入电流，其控制电路以及算法复杂，系统控制成本高昂，并不能很好地满足目前的市场需求。

有鉴于此，本发明提出一种简化的定子电阻压降补偿方法及系统，以在保证良好的控制效果的同时，大大降低控制的复杂度。

本发明要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法及补偿系统，提高电机的启动性能和低速性能。为解决上述现有技术中的不足，本发明提供了以下的技术方案：

一方面，本发明提供了一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法，该方法包括：

S1、基于电机在低速区运行时的参数，获取定子电阻压降补偿关系；

S2、基于所述电阻压降补偿及电机反电势E，获得定子电压U模值；

S3、基于给定频率获得电机电压角度θ，基于所述电机电压角度θ、定子电压U模值，通过PWM单元产生输出电压，输送给电机；

S4、采集所述电机的三相电流，通过坐标变换将所述三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标上，得到同步旋转坐标下的分解电流I_d，基于所述I_d、定子电阻R_s,得到定子电阻压降，用于电压补偿。

优选地，所述S1中，所述电阻压降补偿关系为：

ΔU＝IdRs

其中，ΔU为定子电阻压降，I_d为同步旋转坐标下的分解电流，R_s为定子电阻。

优选地，所述S2中，电机反电势E为给定频率与压频系数的乘积；

所述压频系数K为：K＝4.44*K_E*Φ，其中K_E为比例常数，Φ为主磁通。

优选地，所述定子电压U模值为所述电机反电势E与定子电阻压降的和。

优选地，所述S3中，所述电机电压角度θ通过所述给定频率积分获得。

优选地，所述S4中，通过坐标变换将所述三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标上通过以下方式进行：

首先将所述三相电流变换到静止坐标系下，再将静止坐标系下的电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标下。

此外，本发明还公开了一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

压频变换模块，用于基于给定频率获得电机反电势E；

积分模块，用于基于所述给定频率，获得电机电压角度θ；

补偿模块，用于基于所述电机反电势E、定子电阻压降，获得定子电压U模值；所述补偿模块连接所述压频变换模块、定子电阻，以接收电机反电势E、定子电阻压降；

PWM模块，连接所述补偿模块、积分模块、电机，用于产生输出电压，输送给所述电机；

坐标变换模块，连接所述积分模块及电机，用于基于所述电机电压角度θ，将三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标下，并获得同步旋转坐标下的分解电流。

优选地，所述定子电阻压降由所述定子电阻及同步旋转坐标下的分解电流获得。

优选地，所述电机电压角度θ通过所述给定频率积分获得。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明的技术方案是在传统V/F控制方法的定子电压前加入正反馈环节用于电压补偿构成闭环控制，提高了定子电压，使电机启动转矩增大，保证了电机能顺利启动，提高了电机的启动性能和低速性能。本发明控制算法简单实用，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的电机电压向量图；

图2为本发明实施例的定子电阻补偿结构示意图；

图3为本发明实施例的低速120r/min时传统V/F控制稳态电流电压波形；

图4为本发明实施例的低速120r/min时本发明V/F控制稳态电流电压波形；

图5为本发明实施例的V/F控制的转速波形；

图6为本发明实施例的V/F控制的转矩波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

传统的标量控制，对定子电阻压降不予考虑，导致电机启动转矩低，甚至启动困难，而永磁同步电机工作在低速区时，定子电阻引起的电压降不能忽略。

在一个具体的实施例中，本发明的技术方案以一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿方法实现：

该包括以下步骤：

步骤1.根据电机电压向量图推导出电机定子电阻压降补偿公式。

当永磁同步电机工作在低速区时，定子电阻引起的电压降不能忽略。

由图1可知：定子电压为

式中U_s为定子电压，I_s为相电流，R_s为定子电阻，E_s为电机反电势，θ为定子电压矢量的旋转角度。

以定子电压U_s为基准建立旋转坐标系，将电流I_s在旋转坐标系下分解为I_d,I_q分量，则上式进一步简化为：

其中I_d＝I_scosθ，I_q＝I_ssinθ。

当电机在低速区运行时，θ≈0，所以cosθ≈1，sinθ≈0，故I_d≈I_s，I_q≈0。

定子电压可近似为

U_s＝I_dR_s+E_s＝ΔU+E_s

所以定子电阻压降ΔU为：

ΔU＝I_dR_s

步骤2.给定频率f乘以压频系数K，其中，K＝4.44*KE*Φ，其中KE是比例常数、Φ为主磁通，在一个具体的实施方式中，该给定频率为上位机设定频率，基于上述两个参量，得到电机反电势E,电势E加上定子电阻压降△U,得到电机定子电压U模值。

步骤3.给定频率经过积分得到电机电压角度θ，其中，θ＝2π∫fdt，电机电压U模值和角度θ通过PWM产生输出电压驱动电机旋转。

步骤4.采集永磁同步电机的三相电流，利用Clark变换和Park坐标变换将三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标上，在一个具体的实施方式中，首先利用Clark变换将三相电流变换到静止坐标系α-β下，再利用Clark变换将静止坐标下的电流转换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标上。此后，得到同步旋转坐标下的分解电流I_d，I_d乘上定子电阻R_s,得到定子电阻压降△U，用于电压补偿。Clark变换：

Park变换：

其中，I_2s、I_3s分别为静止坐标系α-β下电流和自然坐标系ABC下电流，I_2r为旋转坐标下电流。

实施例2

在又一个具体的实施例中，本发明还提供了一种永磁同步电机V/F控制定子电阻补偿系统，如图2所示，该系统可以完全实现如实施例1所述的补偿方法，该系统包括：

压频变换模块，用于基于给定频率获得电机反电势E；

积分模块，用于基于所述给定频率，获得电机电压角度θ；

补偿模块，用于基于所述电机反电势E、定子电阻压降，获得定子电压U模值；所述补偿模块连接所述压频变换模块、定子电阻，以接收电机反电势E、定子电阻压降；

PWM模块，连接所述补偿模块、积分模块、电机，用于产生输出电压，输送给所述电机；

坐标变换模块，连接所述积分模块及电机，用于基于所述电机电压角度θ，将三相电流变换到以定子电压矢量为d轴的同步旋转坐标下，并获得同步旋转坐标下的分解电流。

优选地，所述定子电阻压降由所述定子电阻及同步旋转坐标下的分解电流获得。

优选地，所述电机电压角度θ通过所述给定频率积分获得。

优选地，电机定子电阻的电阻压降补偿关系可以简化为：

ΔU＝I_dR_s

其中，ΔU为定子电阻压降，I_d为同步旋转坐标下的分解电流，R_s为定子电阻。

优选地，电机反电势E为给定频率与压频系数的乘积；

所述压频系数K为：K＝4.44*K_E*Φ，其中K_E为比例常数，Φ为主磁通。

优选地，所述定子电压U模值为所述电机反电势E与定子电阻压降的和。

实施例3

在又一个具体的实施例中，以一具体的电机的补偿控制方法为例，来说明本发明的技术方案的实现方式。以一台额定功率6Kw，额定频率为50Hz，额定电压380V的永磁同步电机为例，在低速120r/min时分别采用传统V/F控制方法和本发明的V/F控制方法获到了两种控制方法的稳态电流电压波形图，如图3和图4所示。

对比图3和图4可以明显看出低速时本发明的V/F控制十分稳定，噪声很小，电流波动比传统V/F控制的弱，表明本发明的V/F控制方法能够获得良好的启动性能和低速性能。

以一台额定功率为6Kw，额定频率为50Hz，额定电压为380V，额定转速为1500r/min的永磁同步电机为例，设定电机初始转矩为3Nm，转速给定为0～1500r/min，采用本发明的V/F控制方法获到了电机的转速和转矩波形图，如图3和图4所示。

从图3和图4可以明显看出，电机以3Nm的负载启动，在很短的时间内电磁转矩迅速达到最大值，同时对应的转速也快速上升，而且启动过程中转速和转矩脉动都较小，表明本发明的V/F控制方法能够获得良好的启动性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。