本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)、控制方法及無人飛行器。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)由于具備功率密度高、體積小、不需要勵磁、功率因素高以及位置控制精度高等優(yōu)點，在高性能控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)包括外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)，所述外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生定子電流的給定值，所述內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實際控制信號，從而使現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個雙閉環(huán)系統(tǒng)。

然而，在實現(xiàn)本發(fā)明實施例的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，由于外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)中參數(shù)過多，需要進(jìn)行大量的參數(shù)計算和調(diào)節(jié)，從而降低了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施方式主要解決的技術(shù)問題是提供一種永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)、控制方法及無人飛行器，其能夠提高永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施方式采用的一個技術(shù)方案是：提供一種永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)，包括坐標(biāo)變換單元、控制單元、信號處理單元和逆變器；

所述坐標(biāo)變換單元用于將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換成d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實際定子電流I_d和I_q；

所述控制單元用于將給定定子電流I_dref和所述實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref；

所述信號處理單元用于將所述給定d軸電壓U_dref和給定q軸電壓U_qref處理調(diào)制成控制信號；

所述逆變器用于將所述控制信號調(diào)制所述定子三相對繞組的實際電流，并驅(qū)動所述永磁同步電機(jī)運行。

在其中一些實施方式中，所述控制單元包括減法器和電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器；所述減法器用于計算所述給定定子電流I_dref和所述實際定子電流I_d的差值；所述電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器用于將所述差值進(jìn)行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓U_dref。

在其中一些實施方式中，所述信號處理單元包括Park逆變換單元和空間矢量調(diào)制器；所述Park逆變換單元用于將所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref轉(zhuǎn)換成αβ兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量U_α和U_β；所述空間矢量調(diào)制器用于對所述電壓分量U_α和U_β計算處理，輸出脈寬控制信號。

在其中一些實施方式中，所述坐標(biāo)變換單元包括Clarke變換單元和Park變換單元；所述Clarke變換單元用于將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換成αβ兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電流I_α和I_β；所述Park變換單元用于將所述定子電流I_α和I_β轉(zhuǎn)換成d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流I_d和I_q。

本發(fā)明還提供一種無人飛行器，包括機(jī)身和安裝于所述機(jī)身上的永磁同步電機(jī)，所述永磁同步電機(jī)包括上述任一項所述的永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種永磁同步電機(jī)的控制方法，包括：

將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換成d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實際定子電流I_d和I_q；

輸入給定定子電流I_dref，并根據(jù)所述給定定子電流I_dref和所述實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref；

輸入給定q軸電壓U_qref，并根據(jù)所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref處理調(diào)制成控制信號；

將所述控制信號調(diào)制所述永磁同步電機(jī)的定子三相對稱繞組的實際電流，驅(qū)動所述永磁同步電機(jī)運行。

在其中一些實施方式中，所述控制方法還包括將所述永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)幺化。

在其中一些實施方式中，所述永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)以所述永磁同步電機(jī)的額定電壓和額定電流為基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)幺化處理，所述給定q軸電壓U_qref的大小與永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速ω_ref的大小相等。

在其中一些實施方式中，先將所述給定定子電流I_dref和所述實際定子電流I_d計算差值，再對所述差值進(jìn)行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓U_dref。

在其中一些實施方式中，所述給定定子電流I_dref和所述給定q軸電壓U_qref通過數(shù)字信息處理系統(tǒng)輸出。

本發(fā)明實施方式的有益效果是：本發(fā)明的永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)的控制單元僅包括一個電流環(huán)，減小了永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中的參數(shù)計算和調(diào)節(jié)，從而提高了永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施方式的永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明實施方式的永磁同步電機(jī)的控制方法流程圖。

圖3是采用圖1所示的永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，當(dāng)一個元件被稱為“電連接”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個元件被認(rèn)為是“電連接”另一個元件，它可以是接觸連接，例如，可以是導(dǎo)線連接的方式，也可以是非接觸式連接，例如，可以是非接觸式耦合的方式。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一些實施方式作詳細(xì)說明。在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

圖1示出了本發(fā)明實施方式的永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)框圖，包括坐標(biāo)變換單元101、控制單元103、信號處理單元105以及逆變器107。逆變器107的輸出端與永磁同步電機(jī)100的輸入端連接，坐標(biāo)變換單元101的輸入端連接在逆變器107和永磁同步電機(jī)100之間，坐標(biāo)變換單元101的輸出端與控制單元103的輸入端連接，控制單元103的輸出端與信號處理單元105的輸入端連接，信號處理單元105的輸出端與逆變器107的輸入端連接。

在進(jìn)一步描述永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的工作過程之前，值得說明的是，本發(fā)明實施方式中，永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，以使采用標(biāo)幺值表示的形式與實際值表示的形式一致。本發(fā)明實施方式中，優(yōu)選永磁同步電機(jī)100的額定電壓和額定電流作為永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)幺化，其他物理量均可由所述兩個基準(zhǔn)值推算出來。由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員結(jié)合本發(fā)明實施例，可以理解永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)的標(biāo)幺化處理，故在本發(fā)明實施方式中不再進(jìn)行贅述。

坐標(biāo)變換單元101用于將永磁同步電機(jī)100的三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換成d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流I_d和I_q。具體來說，坐標(biāo)變換單元101包括用于將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換到αβ兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電流I_α和I_β的變換單元，即Clark變換單元1011，以及用于將定子電流I_α和I_β轉(zhuǎn)換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流I_d和I_q的變換單元，即Park變換單元1012。

控制單元103用于根據(jù)給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref，即控制單元103包括一個電流環(huán)。本發(fā)明實施方式中，控制單元103包括減法器1031和電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器1032。具體來說，首先，上位系統(tǒng)輸入給定定子電流I_dref至減法器1031，同時坐標(biāo)變換單元101輸出實際定子電流I_d至減法器1031；其次，減法器1031根據(jù)給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d得出的差值；再其次，減法器1031將所述差值輸出至電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器1032，電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器1032對所述差值進(jìn)行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓U_dref。本發(fā)明實施方式中，給定定子電流I_dref＝0。本發(fā)明中的術(shù)語“上位系統(tǒng)”是指與永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)通信連接的其他系統(tǒng)，例如數(shù)字信息處理系統(tǒng)。

信號處理單元105用于根據(jù)控制單元103輸出的所述給定d軸電壓U_dref和上位系統(tǒng)輸出的給定q軸電壓U_qref處理調(diào)制成控制信號。本發(fā)明實施方式中，信號處理單元105包括Park逆變換單元1051和空間矢量調(diào)制器1052。具體來說，首先，Park逆變換單元1051將所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref轉(zhuǎn)換成αβ兩相靜上坐標(biāo)系下的電壓分量U_α和U_β；其次，Park逆變換單元1051將電壓分量U_α和U_β輸出至空間矢量調(diào)制器1052，空間矢量調(diào)制器1052對所述電壓分量U_α和U_β計算處理，輸出脈寬控制信號。可以理解的是，信號處理單元105也可以僅包括空間矢量調(diào)制器1052，也就是說，所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref直接輸入空間矢量調(diào)制器1052，并由空間矢量調(diào)制器1052計算處理，輸出脈寬控制信號。本發(fā)明實施方式中，上位系統(tǒng)輸出的給定q軸電壓U_qref的大小與永磁同步電機(jī)100的給定轉(zhuǎn)速ω_ref的大小相等。

逆變器107用于根據(jù)信號處理單元105輸出的控制信號，得到控制定子三相對稱繞組的實際電流，驅(qū)動永磁同步電機(jī)100運行。

本發(fā)明中，永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的控制單元103僅包括一個根據(jù)給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref的電流環(huán)，再根據(jù)上位系統(tǒng)輸出的給定q軸電壓U_qref，即可由信號處理單元105得到控制信號，并進(jìn)一步經(jīng)逆變器107驅(qū)動永磁同步電機(jī)100運行。由于控制單元103中僅包括一個電流環(huán)，減小了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)中的參數(shù)計算和調(diào)節(jié)，從而提高了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

本發(fā)明實施方式還提供一種無人飛行器，所述無人飛行器包括機(jī)身、安裝于所述機(jī)身上的永磁同步電機(jī)100，永磁同步電機(jī)100用于給所述無人飛行器提供動力。所述無人飛行器上的永磁同步電機(jī)100包括本發(fā)明的永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)，由于所述控制系統(tǒng)僅包括一個電流環(huán)，減小了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)中的參數(shù)計算和調(diào)節(jié)，提高了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而提高了所述無人飛行器的快速響應(yīng)速度。

請參閱圖2，本發(fā)明實施方式還提供一種采用上述永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

S1，將永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)幺化。

本發(fā)明實施方式中，優(yōu)選永磁同步電機(jī)100的額定電壓和額定電流作為永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)幺化。

S2，將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉(zhuǎn)換成d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實際定子電流I_d和I_q。

本發(fā)明實施方式中，先將三相定子電流I_a、I_b和I_c通過Clark變換轉(zhuǎn)換到αβ兩相靜上坐標(biāo)系下的定子電流I_α和I_β，再通過Park變換將定子電流I_α和I_β轉(zhuǎn)換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實際定子電流I_d和I_q。

S3，輸入給定定子電流I_dref，并根據(jù)所述給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref。

本發(fā)明實施方式中，先將給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d通過減法器1031計算差值，再通過電流環(huán)積分分離PI調(diào)節(jié)器1032對所述差值進(jìn)行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓U_dref。

S4，輸入給定q軸電壓U_qref，并根據(jù)所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref處理調(diào)制成控制信號。

本發(fā)明實施方式中，先將所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref通過信號處理單元105的Park逆變換單元1051轉(zhuǎn)換成αβ兩相靜上坐標(biāo)系下的電壓分量U_α和U_β；再通過空間矢量調(diào)制器1052對所述電壓分量U_α和U_β計算處理，輸出脈寬控制信號。本發(fā)明實施方式中，上位系統(tǒng)輸出的給定q軸電壓U_qref的大小與永磁同步電機(jī)100的給定轉(zhuǎn)速ω_ref的大小相等。

S5，將所述控制信號調(diào)制永磁同步電機(jī)100的定子三相對稱繞組的實際電流，驅(qū)動永磁同步電機(jī)100運行。

可以理解的是，上述控制方法中的步驟S1也可以取消，當(dāng)S1取消后，步驟S4中的給定q軸電壓U_qref的值可以根據(jù)控制需求進(jìn)行設(shè)定。

本發(fā)明的永磁同步電機(jī)100的控制方法中，僅需要輸入給定定子電流I_dref，并根據(jù)所述給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref；再根據(jù)給定d軸電壓U_dref和給定q軸電壓U_qref處理調(diào)制即可得到控制信號，減小了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)中的參數(shù)計算和調(diào)節(jié)，從而提高了永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

請參閱圖3，示出了采用本發(fā)明實施方式的永磁同步電機(jī)100的控制系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的實驗結(jié)果。

圖3為在永磁同步電機(jī)增速過程對定子三相對稱繞組的實際電流和逆變器107中輸入的控制信號波形記錄，其中，實際電流波形200為平滑的正弦波，所述控制信號形成的調(diào)制波形300為馬鞍波。從圖3中可以看出，實際電流波形200與調(diào)制波形300同步度非常高，也就是說，永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)速度，滿足對動態(tài)響應(yīng)速度的負(fù)載，例如無人飛行器對于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)的要求。

以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。