高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法和系统

摘要

本发明公开了一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法和系统，本发明方法包括获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量uk‑1d、理想的旋转坐标系下的d轴电压ud；计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下的d轴电压分量uk‑1d的电压差Δud；将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真。本发明在满足工程的实用性，可靠性，可操作性的需求下，尽量简化流程，避免引入新的硬件设备，与传统的时滞效应补偿方法相比，成本低，操作方便，可靠性高，特别是对负载的突变以及电机参数时变具有很好的鲁棒性。

权利要求

1.一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法，其特征在于实施步骤包括：

1)获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

k‑1 k‑1

2)根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量u d、u q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud；

k‑1

3)计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下的d轴电压分量u d的电压差Δud；

4)将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

5)将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真，且将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真的函数表达式如下式所示；

上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率；

k‑1 k‑1

步骤2)中获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量u d、u q的详细步骤包括：计算d轴电流*

分量id与给定的d轴电流分量id之间的d轴电流误差Δid，计算q轴电流分量iq与给定的q轴*

电流分量iq之间的q轴电流误差Δiq，将d轴电流误差Δid经比例积分环节得到旋转坐标系k‑1

下的d轴电压分量u d，将q轴电流误差Δiq经比例积分环节得到旋转坐标系下的q轴电压分k‑1

量u q；步骤2)中计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud的计算函数表达式如下式所示：ud＝idRs‑iqωrLs上式中，id、iq分别为d、q轴电流分量，Rs为电机电阻，ωr为电机转速，Ls为电感。

2.根据权利要求1所述的高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法，其特征在于，步骤4)中PI调节器的积分系数ki如下式所示；

上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间。

3.根据权利要求2所述的高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法，其特征在于，步骤4)中PI调节器的比例系数kp如下式所示；

上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间，Rs为电机电阻、Ls为电感。

4.根据权利要求1所述的高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：对电机的定子三相电流ia、ib和ic进行采样，针对采样得到的旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq利用估算的输出电压角度θ估进行park变换得到旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq。

5.一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，其特征在于包括：电流获取程序单元，用于获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

d轴电压计算程序单元，用于根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴电压k‑1 k‑1

分量u d、u q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud；

电压差计算程序单元，用于计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下的d轴k‑1

电压分量u d的电压差Δud；

误差角计算程序单元，用于将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

补偿计算程序单元，用于将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真，且将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真的函数表达式如下式所示；

上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率；

k‑1 k‑1

步骤2)中获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量u d、u q的详细步骤包括：计算d轴电流*

分量id与给定的d轴电流分量id之间的d轴电流误差Δid，计算q轴电流分量iq与给定的q轴*

电流分量iq之间的q轴电流误差Δiq，将d轴电流误差Δid经比例积分环节得到旋转坐标系k‑1

下的d轴电压分量u d，将q轴电流误差Δiq经比例积分环节得到旋转坐标系下的q轴电压分k‑1

量u q；步骤2)中计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud的计算函数表达式如下式所示：ud＝idRs‑iqωrLs上式中，id、iq分别为d、q轴电流分量，Rs为电机电阻，ωr为电机转速，Ls为电感。

6.一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的步骤，或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机程序。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机程序。

说明书

高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及高速永磁同步电机的控制技术，具体涉及一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法和系统，用于超前补偿驱动系统输出电压的相位滞后，抑制
永磁同步电机在高速、低载波比运行时的电流调节器震荡，增强电机高速运行稳定性。

背景技术

[0002] 随着电机设计制造技术、电力电子技术，永磁材料技术的不断发展，高速永磁同步电机已被广泛应用航空航天、模具加工、汽车工业等领域，在各领域对高速、高精度加工的
不断需求下，高速永磁同步电机矢量控制已然成为了研究的热点。

[0003] 然而高速永磁同步电机随着转速升高，驱动系统输出频率随之升高，而中、大功率IGBT的载波频率受温度、材料、开关时间等因素的影响，通常只能长时间在15kHz以下的频
率运行，而高速永磁同步电机的运行频率往往在1000Hz以上，因此转速不断升高造成载波
比持续下降，载波比甚至低于10。高速永磁同步电机(PMSM)在采用数字处理器(DSP)驱动时
存在着时滞效应，即当前周期输出的PWM波是上一周期计算得出的，下一周期输出的PWM波
是当前周期计算得出的，导致输出电压总是滞后一个周期，当载波比很低时，时滞效应导致
驱动器输出电压相位滞后非常大，严重时导致电流环震荡，高速永磁同步电机失步停机。

[0004] 时滞效应导致的驱动器输出电压相位滞后，引起电流环震荡从而不能忽视，因此设计一种补偿时滞效应的控制方法显得尤为重要，目前已有大量专家学者对这一问题进行
研究，其中有一部分专家认为时滞效应引起高速永磁同步电机耦合项太大，如果对耦合项
进行解耦，那么可保证高速永磁同步电机稳定运行，解耦方法有前馈解耦，反馈解耦、内膜
解耦等，这些解耦方法提高了电流环控制的动态性能，但往往对电机参数有很大依赖，且在
高速时效果不佳，且操作比较复杂；同时也有一些专家学者通过对电流环PI调节器参数进
行重新优化，拓展了电流环调节器的带宽，使得高速永磁同步电机可以在一定速度范围内
运行，但速度过高时电机依旧会震荡；还有国外专家的论文中提出给滞后的输出电压补偿
一个固定的超前角度，从而消除输出电压相位滞后影响，但电机处于加速，减速以及突加、
卸负载状态时，由于该类方法不能动态补偿的电压滞后问题，所以适应各类工况的能力较
差。

[0005] 基于以上分析，并且为了满足实际工程的实用性，可靠性，可操作性的需求，设计一种合适的方法来动态补偿由时滞效应引起的输出电压相位滞后显得尤为重要。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法和系统，本发明在满足工程的实用性，可靠性，可操作
性的需求下，尽量简化流程，避免引入新的硬件设备，与传统的时滞效应补偿方法相比，成
本低，操作方便，可靠性高，特别是对负载的突变以及电机参数时变具有很好的鲁棒性。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0008] 一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法，实施步骤包括：

[0009] 1)获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

[0010] 2)根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量uk‑1d、uk‑1q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud；

[0011] 3)计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下的d轴电压分量uk‑1d的电压差Δud；

[0012] 4)将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

[0013] 5)将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真。

[0014] 可选地，步骤4)中PI调节器的积分系数ki如下式所示；

[0015]

[0016] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间。

[0017] 可选地，步骤4)中PI调节器的比例系数kp如下式所示；

[0018]

[0019] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间，Rs为电机电阻、Ls为电感。

[0020] 可选地，步骤5)中将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真的函数表达式如下式所示；

[0021]

[0022] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率。

[0023] 可选地，步骤1)的详细步骤包括：对电机的定子三相电流ia、ib和ic进行采样，针对采样得到的旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq利用估算的输出电压角度θ估进行park变换
得到旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq。

[0024] 可选地，步骤2)中获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量uk‑1d、uk‑1q的详细步骤包括：*
计算d轴电流分量id与给定的d轴电流分量id之间的d轴电流误差Δid，计算q轴电流分量iq
*
与给定的q轴电流分量i q之间的q轴电流误差Δiq，将d轴电流误差Δid经比例积分环节得
k‑1
到旋转坐标系下的d轴电压分量u d，将q轴电流误差Δiq经比例积分环节得到旋转坐标系
k‑1
下的q轴电压分量u q。

[0025] 可选地，步骤2)中计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud的计算函数表达式如下式所示：

[0026] ud＝idRs‑iqωrLs

[0027] 上式中，id、iq分别为d、q轴电流分量，Rs为电机电阻，ωr为电机转速，Ls为电感。

[0028] 此外，本发明还提供一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，包括：

[0029] 电流获取程序单元，用于获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

[0030] d轴电压计算程序单元，用于根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴k‑1 k‑1
电压分量u d、u q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系
下的d轴电压ud；

[0031] 电压差计算程序单元，用于计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下k‑1
的d轴电压分量u d的电压差Δud；

[0032] 误差角计算程序单元，用于将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

[0033] 补偿计算程序单元，用于将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真。

[0034] 此外，本发明还提供一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述高速永磁同步电机驱动系统时滞
效应的动态补偿方法的步骤，或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所
述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机程序。

[0035] 此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机
程序。

[0036] 和现有技术相比，本发明具有下述优点：

[0037] 1、本发明操作简单，占用很少的处理器资源，且不需要增加额外的硬件模块或电路，降低了设备成本。

[0038] 2、与传统方法相比，本发明可以使得高速永磁同步电机在高速、超高速下稳定运行，稳定运行的速度域较大。

[0039] 3、本发明在电机处于加速，减速以及突加、卸负载状态时，能动态的补偿驱动系统输出电压滞后问题，适应各类工况的能力较强。

[0040] 4、高速永磁同步电机的电感、电阻非常小，所以本发明方法在电机运行时几乎不受参数变化的影响，鲁棒性较好，对高速永磁同步电机的无/有速度传感器的矢量控制场合
均适用。

附图说明

[0041] 图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

[0042] 图2为本发明实施例方法的控制原理示意图。

[0043] 图3为本发明实施例方法的应用原理示意图。

[0044] 图4为本发明实施例中高速永磁同步电机从静止启动，加速至给定转速(额定转速)，然后再突加负载的全过程转速波形图，其中图4的(a)为未采用本补偿方法的转速波
形；图4的(b)为采用本补偿方法的转速波形。

[0045] 图5为本发明实施例中高速永磁同步电机从静止启动，加速至给定转速(额定转速)然后突加负载的全过程d‑q轴电流波形图，其中图5的(a)为未采用本补偿方法的id，iq电
流波形；图5的(b)为采用本补偿方法的id，iq电流波形。

具体实施方式

[0046] 如图1所示，本实施例高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的实施步骤包括：

[0047] 1)获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

[0048] 2)根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量uk‑1d、uk‑1q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud；

[0049] 3)计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下的d轴电压分量uk‑1d的电压差Δud；

[0050] 4)将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

[0051] 5)将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真。

[0052] 如图2中的标记①所示，步骤1)的详细步骤包括：对电机的定子三相电流ia、ib和ic进行采样，针对采样得到的旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq利用估算的输出电压角度
θ估进行park变换得到旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq，函数表达式如下式所示：

[0053]

[0054] 如图2中的标记②所示，步骤2)中获取旋转坐标系下的d、q轴电压分量uk‑1d、uk‑1q的*
详细步骤包括：计算d轴电流分量id与给定的d轴电流分量id之间的d轴电流误差Δid，计算
*
q轴电流分量iq与给定的q轴电流分量i q之间的q轴电流误差Δiq，将d轴电流误差Δid经比
k‑1
例积分环节得到旋转坐标系下的d轴电压分量u d，将q轴电流误差Δiq经比例积分环节得
k‑1
到旋转坐标系下的q轴电压分量u q。

[0055] 如图2中的标记③所示，步骤2)中计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud的计算函数表达式如下式所示：

[0056] ud＝idRs‑iqωrLs   (4)

[0057] 上式中，id、iq分别为d、q轴电流分量，Rs为电机电阻，ωr为电机转速，Ls为电感。

[0058] 如图2中的标记④所示，步骤3)计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标k‑1
系下的d轴电压分量u d的电压差Δud的函数表达式如下式所示：

[0059]

[0060] 如图2中的标记⑤所示，步骤4)将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr，函数表达式如下式所示：

[0061]

[0062] 上式中，PI表示PI调节器，ki表示PI调节器的积分系数，kp表示PI调节器的比例系数，s为自变量。

[0063] 本实施例步骤4)中PI调节器的积分系数ki如下式所示；

[0064]

[0065] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间。

[0066] 本实施例步骤4)中PI调节器的比例系数kp如下式所示；

[0067]

[0068] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率，Tr为电机加速到给定频率的加速时间，Rs为电机电阻、Ls为电感。

[0069] 如图2中的标记⑥所示，步骤5)中将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真的函数表达式如下式所示；

[0070]

[0071] 上式中，f载为电机驱动系统设置的载波频率，f额为高速永磁同步电机的额定频率。本实施例中将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度
θ真，超前补偿输出电压的相位滞后时采取分段的补偿方法，以此来抵抗积分饱和，防止引入
方法其它误差干扰。

[0072] 如图3所示，本实施例高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真，最终将真实输
k‑1 k‑1
出电压角度θ真作为最终的补偿电压角度θ补来将旋转坐标系下的d、q轴电压分量u d、u q进
行坐标转换为旋转坐标系下的α、β轴电压分量uα、uβ，最终根据旋转坐标系下的α、β轴电压分
量uα、uβ生成SVPWM调制信号以控制电机PMSM的变频器的工作状态。

[0073] 本实施例高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的实施步骤主要包括d‑q轴电流计算(步骤①)、d‑q轴电压计算(步骤②～步骤③)、补偿角度计算(步骤④～
步骤⑤)和滞后角度补偿(步骤⑥)。为了更好的减小由时滞效应导致的驱动器输出电压滞
后对高速永磁同步电机造成的影响，本发明首次采用了动态补偿策略，以适应电机突加、卸
负载，加、减速或参数估算不准等情况。本实施例高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动
态补偿方法利用高速永磁同步电机驱动系统产生时滞效应时，理想d轴电压ud与实际d轴电
k‑1
压u d之间会出现差值这一现象(当滞后角度越大时，这个差值越大)，基于这个差值Δu来
建立PI环节(PI调节器)，对时滞效应引起的滞后输出电压进行超前补偿，动态补偿的角度
是该PI环节的输出值。当输出电压不再滞后时，差值Δu也将不复存在，此时PI调节器输出
的值刚好是电压滞后的角度，通过对滞后的输出电压进行超前补偿可以有效的避免时滞效
应的影响，抑制电流环震荡，保证高速永磁同步电机稳定运行。当变频器输出电压相位滞后
被补偿回来之后，此时PI调节器停止工作，输出值不变。因此，本实施例高速永磁同步电机
驱动系统时滞效应的动态补偿方法实现了对驱动器时滞效应进行动态补偿，增强电流环稳
定性，确保高速永磁同步电机稳定运行。

[0074] 本实施例中采用额定转速为30000r/min高速永磁同步电机进行实施，设定驱动器最高开关频率为10kHz，让电机静止带载启动，之后突加负载。图4和图5分别是转速与电流
波形图。图4的(b)显示在采用了本实施例补偿方法之后，时滞效应导致的驱动器输出的滞
后电压被超前补偿，电机能稳定运行到30000r/min，在突加负载之后依然能恢复到稳定转
速；图5的(b)显示在加入本实施例补偿方法后，d轴电流id(图中标记为id)、q轴电流iq(图中
标记为iq)没有发生震荡，在加速区，稳定区和带载区都能很好的发挥出电流环的调节作
用。结合图4和图5可知，本实施例高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法可
通过对滞后的输出电压超前补偿一个角度来改善时滞效应，从而抑制电流环震荡，增强电
机的稳定性，扩大了高速永磁同步电机矢量控制的稳定运行区域，在转速或负载突变过程
中，电机依然能快速恢复到稳定的运行状态，鲁棒性强，且具有算法简单，易于工程实现的
优点。

[0075] 此外，本发明还提供一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，包括：

[0076] 电流获取程序单元，用于获取电机的定子三相电流ia、ib和ic并计算旋转坐标系下的d、q轴电流分量id、iq；

[0077] d轴电压计算程序单元，用于根据d、q轴电流分量id、iq获取旋转坐标系下的d、q轴k‑1 k‑1
电压分量u d、u q；根据d、q轴电流分量id、iq与电机电阻Rs、电感Ls计算理想的旋转坐标系
下的d轴电压ud；

[0078] 电压差计算程序单元，用于计算理想的旋转坐标系下的d轴电压ud、旋转坐标系下k‑1
的d轴电压分量u d的电压差Δud；

[0079] 误差角计算程序单元，用于将电压差Δud经过PI调节器处理得到电压相位误差角度θerr；

[0080] 补偿计算程序单元，用于将电压相位误差角度θerr补偿估算的输出电压角度θ估得到真实输出电压角度θ真。

[0081] 此外，本发明还提供一种高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述高速永磁同步电机驱动系统时滞
效应的动态补偿方法的步骤，或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所
述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机程序。

[0082] 此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述高速永磁同步电机驱动系统时滞效应的动态补偿方法的计算机
程序。

[0083] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。