CN104300864A - 一种永磁同步电机解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机解耦控制方法，包括以下步骤：1)根据永磁同步电机的q轴、d轴电压方程，在空间矢量坐标系上构造电机模型的电流环被控对象的开环传递函数；2)引入电机当前转速加入电机模型的电流环，构造一个有复数零点的复矢量PI调节器；3)采用复矢量PI控制法设定复矢量PI调节器的积分因子，使得复矢量PI调节器的传递函数的零点与电流环被控对象的开环传递函数的极点相等，消除电机耦合影响。本发明的有益效果：采用复矢量PI调节器的结构，使复矢量PI调节器产生一个与电流环被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件，有效消除电机耦合影响，提高电机在高速运行时的稳定性，尤其适用于电动汽车领域。

Description

一种永磁同步电机解耦控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机解耦控制方法。

背景技术

永磁同步电机由于它功率密度高，扩速范围广等优点，在电动汽车领域得到了广泛的应用。电动汽车上主要关心电机的弱磁倍数和过载能力，一般情况下，要求电机的最高转速能达到3倍额定转速，最大负载能达到3倍额定转矩。电机转速升高时，弱磁电流会加大，电机负载增大时，转矩电流会加大。大电流、高转速下，往往会造成电流的耦合震荡。提高控制品质，对电流精确地解耦控制成为一个重点。

我们往往采用矢量控制的方法来控制电机。矢量控制的核心部分就是对三相电流进行坐标变换，将其变换到dq坐标系上，分别对d,q轴的电流进行控制，得到输出电压。

传统的电流环PI控制都是针对d轴电流来调节d轴电压、针对q轴电流来调节q轴电压。这种方法在电机基速以下运行的时候是有效的。但是当电机运行到弱磁区，随着转速和电流的加大，耦合项也会逐渐增大，此时控制品质就会受到极大影响。

参看永磁同步电机的q轴、d轴电压方程：

U_q＝L_qpi_q+w_rL_di_d+R_si_q+w_rФ

U_d＝L_dpi_d-w_rL_qi_q+R_si_d

其中，U_q、U_d分别为电机输出电压在q、d轴上的分量，L_q、L_d为对应q、d轴电感，i_q、i_d为定子电流在q、d轴上的分量，p为微分项，w_r为电机当前转速，Φ为电机的转子磁链，R_s为定子电阻；可以看到U_q受到w_rL_di_d的影响，U_d受到w_rL_qi_q的影响，在低速时，w_r很小，耦合项所占比例很小，对控制几乎不造成影响。而在高速时，特别是高速过载区，转速、电流都很高，耦合项所占的比例最高能达到32％，这种情况很容易引起耦合干扰，从而造成电流震荡。

理论上在电流环输出项上补偿上耦合项就能实现电流环解耦控制。但是实际中电机参数L_q、L_d未知，就算知道，在电机高转速大电流运行的情况下，参数变化很大，如果直接用该参数计算耦合项并加到电流环输出项上，dq轴之间耦合严重，严重的影响到了电流控制品质，导致电机在高速运行时不够稳定，带载能力下降，更容易造成系统的不稳定，引起电流震荡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有电机的电流环解耦方法存在的上述不足，提供一种不依赖电机参数的永磁同步电机解耦控制方法，有效消除电机耦合影响，提高电机在高速运行时的稳定性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机解耦控制方法，包括以下步骤：

1)根据永磁同步电机的q轴、d轴电压方程，在空间矢量坐标系上构造电机模型的电流环被控对象的开环传递函数；

2)引入电机当前转速加入电机模型的电流环，构造一个有复数零点的复矢量PI调节器；

3)采用复矢量PI控制法设定复矢量PI调节器的积分因子，使得复矢量PI调节器的传递函数的零点与电流环被控对象的开环传递函数的极点相等，消除电机耦合影响。

按上述方案，所述步骤1)中永磁同步电机的q轴、d轴电压方程如下：

U_q＝L_qpi_q+w_rL_di_d+R_si_q+w_rФ          (1)

U_d＝L_dpi_d-w_rL_qi_q+R_si_d          (2)

其中，U_q、U_d分别为电机输出电压在q、d轴上的分量，L_q、L_d为对应q、d轴电感，i_q、i_d为定子电流在q、d轴上的分量，p为微分项，w_r为电机当前转速，Φ为电机的转子磁链，R_s为定子电阻；

电机的电压电流矢量由dq轴电压电流表示出来：

U_s＝U_d+jU_q          (3)

i_s＝i_d+ji_q          (4)

把式(3)～(4)代入式(1)～(2)，推导计算后得到：

U_s＝R_si_s+(p+jw_r)Li_s+jw_rФ          (5)

式(5)中，L＝i_d+ji_q，jw_rФ在速度稳定时近似不变(可以认为是电流闭环的一个外部扰动环节)，从而得到电流环被控对象的开环传递函数为：

$\frac{i_s}{U_s}=\frac{1}{(R_s+j{w}_{r}L)+\mathrm{LS}}---\left(6\right)$

由式(6)可知，电流环被控对象的开环传递函数只存在一个复数极点(且该极点在复平面上的位置随着频率升高而逐渐偏离实轴)。

按上述方案，所述步骤2)中复矢量PI调节器的传递函数为：

$\frac{U_s}{e_s}=K_p+\frac{K_p(\frac{1}{T_i}+j{w}_r)}{s}---\left(7\right)$

其中，K_p为复矢量PI调节器的比例系数，T_i为复矢量PI调节器的积分因子(引入电机当前转速w_r加入电机模型的电流环即传统的PI调节器中)；

由式(7)可知，复矢量PI调节器的传递函数的零点为：

所述步骤3)中设定复矢量PI调节器的积分因子使得复矢量PI调节器的传递函数的零点等于电流环被控对象的开环传递函数的极点(z＝p，零极点相消，消除电机耦合影响，使电机系统趋于稳定)。

本发明的工作原理：首先以永磁同步电机电机方程为基础，在空间矢量坐标系上构造了电机模型的传递函数，然后从零极点相消的角度考虑，引入电机转速信息加入电流环，构造了一个有复数零点的PI调节器，采用复矢量PI控制来消除电机耦合影响；通常传统PI调节器结构的传递函数为：零点为：显然一个实数零点不可能对消一个复数极点。为了消除耦合电压的影响，达到零极点相消的目的，可以采用复矢量PI调节器(改进PI调节器)的结构，构造一个零点为复数的传递函数；即在积分输入项增加解耦项jw_r(在积分环节增加交叉项)，使复矢量PI调节器产生一个与电流环被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件，达到消除解耦的目的。

本发明的有益效果：采用复矢量PI调节器的结构，使复矢量PI调节器产生一个与电流环被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件，有效消除电机耦合影响，提高电机在高速运行时的稳定性，尤其适用于电动汽车领域，能极大地提高电机高速运行性能以满足逆变器在电动汽车中的应用。

附图说明

图1是传统PI调节器的结构示意图；

图2是本发明复矢量PI调节器的结构示意图；

图3是实施例中电流环采用传统PI调节器的电机dq轴电流波形图；

图4是实施例中电流环采用复矢量PI调节器的电机dq轴电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1所示，本发明所述的永磁同步电机解耦控制方法，包括以下步骤：

1)根据永磁同步电机的q轴、d轴电压方程，在空间矢量坐标系上构造电机模型的电流环被控对象的开环传递函数：

$\frac{i_s}{U_s}=\frac{1}{(R_s+j{w}_{r}L)+\mathrm{LS}}$

电流环被控对象的开环传递函数只存在一个复数极点且该极点在复平面上的位置随着频率升高而逐渐偏离实轴；

2)引入电机当前转速加入电机模型的电流环，构造一个有复数零点的复矢量PI调节器，复矢量PI调节器的传递函数为：

$\frac{U_s}{e_s}=K_p+\frac{K_p(\frac{1}{T_i}+j{w}_r)}{S}$

3)采用复矢量PI控制法设定复矢量PI调节器的积分因子使得复矢量PI调节器的传递函数的零点与电流环被控对象的开环传递函数的极点相等(z＝p，零极点相消)，消除电机耦合影响(使电机系统趋于稳定)。

实施例中电机选择37kw的永磁同步电机，极对数为4，额定频率为187hz(2800rpm)，峰值转速为560hz(8400rpm)，额定转矩120N。

矢量控制中，电流环是很关键的一步，它决定了电流控制品质。根据图1传统PI调节器的结构示意图，其传递函数可知传统PI调节器在程序中可以处理为：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*e_d)          (8)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*e_q)          (9)

式中，e_d：d轴电流偏差，e_q：q轴电流偏差，

当电流环被控对象采用此传统PI调节器的控制方案，电机跑到8000rpm，并且施加180N转矩的时候，dq轴电流波形如图3所示。从图3可看出，电机电流波形已经明显震荡，表明电流环的耦合项已经严重影响了电流控制品质。

为了消除耦合电压的影响，将电流环校正成典型I型系统，在图1所示电流环控制结构的基础上，解决问题的思路是：不改变被控对象的极点位置，对传统PI调节器的结构加以改进，采用图2所示的复矢量PI调节器，通过在积分环节增加交叉项，使复矢量PI调节器产生一个与电流环被控对象极点位置相同的复零点，满足零、极点对消条件以达到消除耦合的目的。

根据图2所示的复矢量PI调节器的结构示意图，其传递函数可知复矢量PI调节器在程序中可以处理为：

U_s＝K_p*e_s+∑(K_i*e_s+K_p*e_s*jw_r)          (10)

转化到dq坐标系有：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*e_d-K_p*e_q*w_r)          (11)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*e_q+K_p*e_d*w_r)          (12)

具体处理时，必须考虑在程序每个电流环周期T_pwm里，积分项必须先乘以积分时间，再进行积分，也就是：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*T_pwm*e_d-K_p*T_pwm*e_q*w_r)          (13)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*T_pwm*e_q+K_p*T_pwm*e_d*w_r)          (14)

式中，w_r为电机当前转速(电角速度的实际值)，T_pwm为电流环周期的实际值，也就是载波周期实际值。复矢量PI调节器解耦方案不依赖电机参数，使用时只需调整好复矢量PI调节器的参数即可，是一种有效的工程应用方法。采用复矢量PI调节器解耦方案时，电机跑到8000rpm，并且施加180N转矩的时候的dq轴电流波形图如如图4所示，从图4可看出，电机dq轴电流在经过一段时间后明显趋于某一数值上下小范围内稳定，表明基本消除了电机电流环的耦合影响，提高电机在高速运行时的稳定性。

最后所应说明的是，以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据永磁同步电机的q轴、d轴电压方程，在空间矢量坐标系上构造电机模型的电流环被控对象的开环传递函数；

2)引入电机当前转速加入电机模型的电流环，构造一个有复数零点的复矢量PI调节器；

3)采用复矢量PI控制法设定复矢量PI调节器的积分因子，使得复矢量PI调节器的传递函数的零点与电流环被控对象的开环传递函数的极点相等，消除电机耦合影响。

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，所述步骤1)中永磁同步电机的q轴、d轴电压方程如下：

U_q＝L_qpi_q+w_rL_di_d+R_si_q+w_rФ          (1)

U_d＝L_dpi_d-w_rL_qi_q+R_si_d               (2)

其中，U_q、U_d分别为电机输出电压在q、d轴上的分量，L_q、L_d为对应q、d轴电感，i_q、i_d为定子电流在q、d轴上的分量，p为微分项，w_r为电机当前转速，Φ为电机的转子磁链，R_s为定子电阻；

电机的电压电流矢量由dq轴电压电流表示出来：

U_s＝U_d+jU_q                         (3)

i_s＝i_d+ji_q                         (4)

把式(3)～(4)代入式(1)～(2)，推导计算后得到：

U_s＝R_si_s+(p+jw_r)Li_s+jw_rФ            (5)

式(5)中，L＝i_d+ji_q，jw_rФ在速度稳定时近似不变，从而得到电流环被控对象的开环传递函数为：

$\frac{i_s}{U_s}=\frac{1}{(R_s+j{w}_{r}L)+\mathrm{LS}}---\left(6\right)$

由式(6)可知，电流环被控对象的开环传递函数只存在一个复数极点

3.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，所述步骤2)中复矢量PI调节器的传递函数为：

$\frac{U_s}{e_s}=K_p+\frac{K_p(\frac{1}{T_i}+{\mathrm{jw}}_r)}{S}---\left(7\right)$

其中，K_p为复矢量PI调节器的比例系数，T_i为复矢量PI调节器的积分因子；

由式(7)可知，复矢量PI调节器的传递函数的零点为：

所述步骤3)中设定复矢量PI调节器的积分因子使得复矢量PI调节器的传递函数的零点等于电流环被控对象的开环传递函数的极点。