CN101183849A - 一种永磁同步电机解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的解耦控制方法，对参数误差具有更好的鲁棒性。技术方案：一种永磁同步电机解耦控制方法，由两个PI控制器解耦，其特征在于：还采用另外两个PI控制器消除耦合误差项。

Description

一种永磁同步电机解耦控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的解耦控制方法。

背景技术

永磁同步电机尤其是内嵌永磁体的永磁同步电机(IPM)具有高性能的可调速运行的优点，因此越来越广泛地应用于各个领域。对永磁电机采用矢量控制，在高速运行区，直轴(d轴)和交轴(q轴)电流耦合变得十分严重。在永磁电机矢量控制中，电机整体控制性能与电流控制性能有很大的关系，所以能很好的对耦合进行解耦非常重要。近年来，提出了各种各样的解耦控制方法例如滞后调节器，静止坐标系PI控制器，同步旋转坐标系PI控制器，多元反馈调节器等。这些传统的解耦控制很大程度上依靠永磁电机电感参数，因此在参数匹配不准确的情况下解耦控制效果不理想。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种永磁同步电机的解耦控制方法，对参数误差具有更好的鲁棒性。

实现本发明的技术方案：

一种永磁同步电机解耦控制方法，由两个PI控制器解耦，其特征在于：还采用另外两个PI控制器消除耦合误差项。

其中，PI控制器解耦符合的条件为，

$\mathrm{PI}3=\frac{\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_q}{R_s}$ $\mathrm{PI}4=\frac{\mathrm{PI}1\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_d}{R_s}$

L_d，L_q分别为定子绕组的d轴电感，q轴电感，ω_e为电角速度，Rs为定子绕组电阻，PI1、PI2、PI3、PI4分别对应四个PI控制器调节参数，其表达式为 ${\mathrm{PI}}_x=(K_{\mathrm{px}}+K_{\mathrm{ix}}\frac{1}{s})$

其中K_px、K_ix分别为PI调节器相应的比例积分系数，x＝1，2，3，4。

本发明具有的有益效果：由于本发明采用了另外两个PI控制器消除耦合误差项，使得本发明比传统解耦控制方法具有更好的鲁棒性。

附图说明

图1为同步旋转坐标系中传统的永磁电机PI解耦控制模块图；

图2为同步旋转坐标系中本发明的永磁电机PI解耦控制模块图；

图3为图2的等效PI解耦控制模块图；

图4为混合动力汽车电机控制模块图。

具体实施方式

如图1所示，传统的永磁电机采用两个PI控制器PI1、PI2进行前馈补偿解耦控制：

解耦控制通过电压指令来实现：

${V_{\mathrm{ds}}}^{*}=(K_{p1}+K_{i1}\frac{1}{s})({i_{\mathrm{ds}}}^{*}-i_{\mathrm{ds}})-{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{i}_q$

${V_{\mathrm{qs}}}^{*}=(K_{p2}+K_{i2}\frac{1}{s})({i_{\mathrm{qs}}}^{*}-i_{\mathrm{qs}})+{\mathrm{\ω}}_e{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m$

其中，K_p1和K_i1，K_p2和K_i2分别为PI1的比例积分系数，PI2的比例积分系数。V_ds ^*、V_qs ^*分别为电机矢量控制中d轴和q轴电压矢量指令，i_ds ^*、i_qs ^*分别为电机矢量控制中d轴和q轴电流矢量指令，i_ds、i_qs分别为电机矢量控制中d轴和q轴电流矢量反馈值。L_d，L_q分别为定子绕组的d轴电感，q轴电感。ω_e为电角速度，ψ_m为永磁体产生的磁链。

分别为定子绕组估算的d轴电感，q轴电感。

代表连续域内拉普拉斯变换表示积分的表达式。如果存在参数误差，则会产生补偿误差项

和

随着转速的升高，由于参数不匹配导致的此误差项会越来越大，这是此种解耦控制的主要缺点。

由前述两式可以得到下式：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}\left[\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{dd}}& G_{\mathrm{dq}}\\ G_{\mathrm{qd}}& G_{\mathrm{qq}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ds}}}^{*}\\ {i_{\mathrm{qs}}}^{*}\end{array}\right]$

$\mathrm{\Δ}={{\mathrm{\ω}}_e}^2(L_q-\widehat{L_q})\·(L_d-{\hat{L}}_d)+(\mathrm{PI}1+R_s)\·(\mathrm{PI}2+R_s)$

G_dd＝PI1·(PI2+R_s)

$G_{\mathrm{dq}}=\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e\·(L_q-{\hat{L}}_q)$

$G_{\mathrm{qd}}=\mathrm{PI}1\·{\mathrm{\ω}}_e\·(\widehat{L_d}-L_d)$

G_qq＝(PI1+R_s)·P₁₂

此处忽略定子电阻的影响。如果解耦理想的情况下，则

趋向于无穷大，而

则趋向于零。然而由于电感参数的误差，从上式可以看出，耦合误差项仍然存在，所以上述解耦方法尤其是在高速时更易受参数误差的影响。

如图2所示，本发明在传统的两个PI控制器解耦基础上，又另外采用两个PI控制器PI3、PI4消除耦合误差项。

两个PI控制器PI3和PI4其表达式为 ${\mathrm{PI}}_x=(K_{\mathrm{px}}+K_{\mathrm{ix}}\frac{1}{s}),$ 其中K_px、K_ix分别为比例积分系数，x＝3，4。

此时，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}\left[\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{dd}}& G_{\mathrm{dq}}\\ G_{\mathrm{qd}}& G_{\mathrm{qq}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ds}}}^{*}\\ {i_{\mathrm{qs}}}^{*}\end{array}\right]$

Δ＝(PI3+ω_eL_q)(PI4+ω_eL_d)+(PI1+R_s)(PI2+R_s)

G_dd＝PI1·(PI2+Rs)+PI4(PI3+ω_eL_q)

G_dq＝PI2·ω_eL_q-PI3·R_s

G_qd＝PI4·R_s-PI1·ω_eL_d

G_qq＝PI3·(PI4+ω_eL_d)+PI2·(PI1+R_s)

为了实现d，q轴电流完全解耦，则PI3和PI4选择如下：

$\mathrm{PI}3=\frac{\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_q}{R_s}---\left(5\right)$

$\mathrm{PI}4=\frac{\mathrm{PI}1\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_d}{R_s}---\left(6\right)$

Rs为定子绕组电阻。在实际应用中，采用的是估算的参数，因此，传递函数G_dq和G_qd在参数不匹配时是不会等于零的。

提出上述应用式(5)和(6)得到如图3所示的解耦控制器等效图。

假定定子电阻变化很小，从图3可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]=\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}^{\′}}\left[\begin{array}{cc}{G}_{{\mathrm{dd}}^{\′}}& G_{{\mathrm{dq}}^{\′}}\\ G_{{\mathrm{qd}}^{\′}}& G_{{\mathrm{qq}}^{\′}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ds}}}^{*}\\ {i_{\mathrm{qs}}}^{*}\end{array}\right]$

${\mathrm{\Δ}}^{\′}={{\mathrm{\ω}}_e}^2(\mathrm{PI}2\·{\hat{L}}_q+R_s\·L_q)\·(\mathrm{PI}1\·{\hat{L}}_d+R_s\·L_d)+{R_s}^2\·(\mathrm{PI}2+R_s)\·(\mathrm{PI}1+R_s)$

${G_{\mathrm{dd}}}^{\′}=\mathrm{PI}1\·{\mathrm{\ω}}_e{R_s}^2({\hat{L}}_d-L_d)$

${G_{\mathrm{dq}}}^{\′}=\mathrm{PI}2\·{{\mathrm{\ω}}_e}^2\·{\hat{L}}_q(\mathrm{PI}1\·{\hat{L}}_d+L_d\·R_s)+\mathrm{PI}2\·{R_s}^2(\mathrm{PI}1+R_s)$

${G_{\mathrm{qd}}}^{\′}=\mathrm{PI}1\·{{\mathrm{\ω}}_e}^2\·{\hat{L}}_d(\mathrm{PI}2\·{\hat{L}}_q+L_q\·R_s)+\mathrm{PI}1\·{R_s}^2(\mathrm{PI}2+R_s)$

${G_{\mathrm{qq}}}^{\′}=-\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e{R_s}^2({\hat{L}}_q-L_q)$

比较图1和图3灵敏度传递函数

$\frac{\∂\left(\frac{{G_{\mathrm{dq}}}^{\′}}{{\mathrm{\Δ}}^{\′}}\right)}{\∂{\hat{L}}_q}=\frac{\mathrm{PI}2\·{{\mathrm{\ω}}_e}^2{R}_s\·(\mathrm{PI}1\·{\hat{L}}_d+L_d\·R_s)\·[(\mathrm{PI}1\·{\hat{L}}_d+L_d\·R_s)\·L_q\·{\mathrm{\ω}}_e+{{\mathrm{\ω}}_e}^2(\mathrm{PI}1+R_s)]}{{\mathrm{\Δ}}^{\′2}}$

$\frac{\∂\left(\frac{G_{\mathrm{dq}}}{\mathrm{\Δ}}\right)}{\∂{\hat{L}}_q}=\frac{-\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e\·(\mathrm{PI}1+R_s)\·(\mathrm{PI}2+R_s)}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

同理可以得出

函数的结果。结果表明图3的PI解耦控制器较传统的图1解耦控制器具有更好的鲁棒性。

如图4所示，本发明可以运用到混合动力车电机控制。

电机采用矢量控制方法，根据汽车的运行状态对电机采取不同的控制方式。电机在混合动力车中的功能主要是：在汽车静止的时候停止发动机，在需要启动的时候电机启动发动机；在汽车运行过程中，为发动机提供辅助扭矩，减少发动机负载；在其他情况下能再生制动，能对车上电池有效充电。电机的运行有四种模式：

(1)速度模式：根据整车控制器的速度指令，控制电机达到速度要求，启动发动机运行。

(2)扭矩模式：启动成功后，运行于扭矩模式，提供辅助扭矩驱动和再生制动功能。

(3)故障模式：故障模式是针对系统故障例如：传感器故障、门驱动故障、逆变器故障等用来保护MCU硬件和电机。

(4)零扭矩模式：零扭矩模式为速度模式和扭矩模式转换过渡模式，为电机运行提供可靠保障。

整车控制器通过整车通讯接口给电机控制器发送控制指令，此时主要包括电机运行模式指令和电机扭矩指令值，此时电机运行模式为扭矩模式，对于不同的逆变器温度和定子绕组温度进行线性插值处理得到最大可提供给整车的扭矩值，当扭矩指令值超过限定值时，扭矩指令值固定在限定值。

根据扭矩指令值，结合MTPA(单位电流能提供最大扭矩)特性，可以得到此时MTPA运行时的定子直轴(id_MTPA)和交轴电流参考值i_qref。

通过从位置传感器得到转子位置角θ以及根据θ得到此时的电机转速ω_r，根据电流传感器信号得到三相电流i_a、i_b、i_c，通过三相静止坐标系变两相同步旋转坐标系，得到直轴和交轴电流反馈信号i_d、i_q。

运用本发明解耦控制方法，对直轴和交轴电流进行PI调节以及电压补偿解耦控制，从而得到直轴和交轴的参考电压值U_dref、U_qref，结合测得的直流母线电压值得到此刻的PWM调制指数，根据调制指数与调制指数的门限值调节定子直轴电流分量。

根据确定的直轴电流分量和此时的扭矩指令值，保持直轴电流分量的值，对交轴电流分量进行调整，实现自适应母线电压变化的控制方法，保证电机运行于电压和电流极限之内。根据输出的直轴和交轴电压分量U_dref、U_qref进行SVPWM调节驱动电机运转。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机解耦控制方法，由两个PI控制器解耦，其特征在于：还采用另外两个PI控制器消除耦合误差项。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机解耦控制方法，其特征在于：

PI控制器解耦符合的条件为，

$\mathrm{PI}3=\frac{\mathrm{PI}2\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_q}{R_s}$ $\mathrm{PI}4=\frac{\mathrm{PI}1\·{\mathrm{\ω}}_e{L}_d}{R_s}$

L_d，L_q分别为定子绕组的d轴电感，q轴电感，ω_e为电角速度，Rs为定子绕组电阻，PI1、PI2、PI3、PI4分别对应四个PI控制器调节参数。

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