CN104579090A - 一种永磁同步电机功率补偿控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机功率补偿控制系统及方法，属于永磁同步电机控制技术领域。本发明通过在现有控制系统中增加功率补偿调节支路，用于对给定扭矩下计算出的参考电流进行补偿，以补偿后的参考电流对永磁同步电机进行闭环控制，该补偿信号是由电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定，其中电机参考电磁功率P*是根据给定的扭矩和电机的实际转速计算得到，电机反馈电磁功率P是根据电机矢量控制过程采集到电流计算得到。本发明通过参考电流的补偿来达到对电机实际功率比追踪参考功率比的目的，使电机实际功率完全服从目标功率，提高扭矩控制精度；有效解决电机以及控制器硬件一致性不好造成扭矩控制的差异性。

Description

一种永磁同步电机功率补偿控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机功率补偿控制系统及方法，属于永磁同步电机控制技术领域。

背景技术

现有的永磁同步电机控制方式都是矢量控制，建立电机模型，通过电流闭环反馈调节来达到对目标电流值追踪的目的，通过对电机的标定测试，以给定扭矩的形式计算出各转速下相应的合成I_s和功角，根据电机模型计算出d、q轴电流作为系统控制的目标值，通过电流环闭环调节以及电机模型的电压公式计算出空间矢量U_d、U_q值，再以SVPWM算法为核心计算输出三相占空比，达到变压变频的目的，如图1所示。通过对电机系统的试验验证以及整车测试总结，该技术存在着以下不足之处：首先是对电机测试和标定存在的误差使实际电机扭矩值与目标扭矩值存在偏差；对电机以及控制器硬件参数一致性要求很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机功率补偿控制系统及方法，以解决现有永磁同步电机控制中存在实际电机扭矩值与目标扭矩值存在偏差的问题。

本发明的技术方案是：一种永磁同步电机功率补偿控制系统，该控制系统包括电机主控制支路、电流反馈支路和转速反馈支路，电流反馈支路和转速反馈支路与电机主控制支路构成反馈控制，所述的控制系统还包括功率补偿调节支路，该功率补偿调节支路包括电磁功率计算模块、给定功率计算模块以及动态校正补偿模块，所述电磁功率计算模块的输入端与电流反馈支路的输出端连接，用于根据电机的电流值计算电机的反馈电磁功率P，所述给定功率计算模块的输入端连接有转速反馈支路的输出端和给定扭矩信号，用于计算电机参考电磁功率P*，所述动态校正补偿模块的输入端与电磁功率计算模块和给定功率计算模块的输出端连接，用于根据电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定补偿信号，所述动态校正补偿模块的输出端与电机主控制支路连接，用于将确定的补偿信号补偿到参考电流I_q上。

所述电磁功率计算模块所计算出的电机反馈电磁功率P为：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_f i_q+(L_d–L_q)i_d i_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

所述的动态校正补偿模块采用PI调节器，该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。

所述的电机主控制支路包括依次连接的D、Q轴电流计算模块、电流PI调节器、D、Q轴电压计算模块和空间矢量脉宽调制模块，所述D、Q轴电流计算模块的输入端连接有扭矩参考信号、功率补偿调节支路和转速反馈支路，所述空间矢量脉宽调制模块的输出端控制连接永磁同步电机。

所述电流反馈支路包括电流采样计算模块、CLARK变换模块和PARK变换模块，所述电流采样计算模块输入端与空间矢量脉宽调制模块的输出端连接，电流采样计算模块的输出端与CLARK变换模块的输入端连接，CLARK变换模块的输出端与PARK变换模块的输入端连接，PARK模块的输出端分别与主控制支路中的电流PI调节器和功率补偿调节支路中的电磁功率计算模块连接，用于提供电机的D、Q控制电流。

所述的转速反馈支路包括转速信号采集模块和电机转速及电角度计算模块，所述转速信号采集模块的输入端与永磁同步电机连接，用于采集永磁同步电机的转速模拟信号，所述转速信号采集模块的输入端与电机转速及电角度计算模块的输入端连接，所述电机转速及电角度计算模块的输出端与D、Q轴电流计算模块和给定功率计算模块连接，用于为其提供电机的转速信号，所述的电机转速及电角度计算模块的输出端还与CLARK变换模块的输入端连接，用于为其提供电角度。

本发明永磁同步电机功率补偿控制方法的技术方案如下：该控制方法采用给定的扭矩值计算参考电流I_q，以参考电流对永磁同步电机进行闭环控制，其特征在于，该控制方法还包括对参考电流I_q的补偿，该补偿信号是由电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定，其中电机参考电磁功率P*是根据给定的扭矩和电机的实际转速计算得到，电机反馈电磁功率P是根据电机矢量控制过程采集到电流计算得到。

所述电机反馈电磁功率P：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_f i_q+(L_d–L_q)i_d i_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机的实际转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

所述参考电流I_q的补偿采用PI调节器实现，该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。

本发明的有益效果是：本发明通过在现有控制系统中增加功率补偿调节支路，用于对给定扭矩下计算出的参考电流进行补偿，以补偿后的参考电流对永磁同步电机进行闭环控制，该补偿信号是由电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定，其中电机参考电磁功率P*是根据给定的扭矩和电机的实际转速计算得到，电机反馈电磁功率P是根据电机矢量控制过程采集到电流计算得到。

本发明通过参考电流的补偿来达到对电机实际功率比追踪参考功率比的目的，使电机实际功率完全服从目标功率，提高扭矩控制精度；有效解决电机以及控制器硬件一致性不好造成扭矩控制的差异性。

附图说明

图1是现有的永磁同步电机控制模型示意图；

图2是比例节分调节线路图；

图3是功率PI补偿PI调节框图；

图4是本发明的永磁同步电机控制模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种永磁同步电机功率补偿控制系统的实施例

本发明是在现有永磁同步电机功率控制系中增加功率补偿调节支路实现，对原有参考电流进行补偿，以补偿后的电流作为参考信号对电机实现控制。具体结构如图4所示，该控制系统包括电机主控制支路、电流反馈支路、转速反馈支路和功率补偿调节支路，功率补偿调节支路、电流反馈支路和转速反馈支路与电机主控制支路构成反馈控制。

功率补偿调节支路包括电磁功率计算模块、给定功率计算模块以及动态校正补偿模块，电磁功率计算模块的输入端与电流反馈支路的输出端连接，用于根据电机的电流值计算电机的反馈电磁功率P，给定功率计算模块的输入端连接有转速反馈支路的输出端和给定扭矩信号，用于计算电机参考电磁功率P*，动态校正补偿模块的输入端与电磁功率计算模块和给定功率计算模块的输出端连接，用于根据电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定补偿信号，动态校正补偿模块的输出端与电机主控制支路连接，用于将确定的补偿信号补偿到参考电流I_q上。电磁功率计算模块所计算出的电机反馈电磁功率P为：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_f i_q+(L_d–L_q)i_d i_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

同理，根据整车请求的参考扭矩，由上述关系式可求得电机参考的电磁功率P*。

动态校正补偿模块可采用PID调节器，有比例微分(PD)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)三种类型，由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，稳态精度会受到影响；PI调节器滞后校正，稳态精度保证良好，是已对快速性德限制换取系统稳定性；PID调节器两者性能皆有，全面提高系统的控制性能，但实际运用调试复杂很多。对目标功率的跟踪调节，以稳定性和稳态精度为主，本发明实施例中采用PI调节器，如图2所示，U_in和U_ex分别为调节器的输入和输出电压，R_bal为平衡电阻，取反相输入端各电路电阻并联值，根据运算放大器的原理得调节器参数关系：

$U_{\mathrm{ex}}=\frac{R_1}{R_0}{U}_{\mathrm{in}}+\frac{1}{R_0{C}_1}\∫U_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}=K_{\mathrm{pi}}{U}_{\mathrm{in}}+\frac{1}{T}\∫U_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}$

K_pi为PI调节器比例部分的放大系数，T为PI调节器积分时间常数，T＝R₀C₁。

对实时计算的电机功率作为反馈量，给定扭矩值算出的电机功率作为目标功率，通过对差值做比例和积分共同作用调节输出控制量Piout，原理如图3所示。该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，输出端与连接到D、Q轴电流计算模块，用于补偿该模块计算出的参考电流I_q，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。

其中电机主控制支路包括依次连接的D、Q轴电流计算模块、电流PI调节器、D、Q轴电压计算模块和空间矢量脉宽调制模块，D、Q轴电流计算模块的输入端连接有扭矩参考信号、功率补偿调节支路和转速反馈支路，空间矢量脉宽调制模块的输出端控制连接永磁同步电机。

电流反馈支路包括电流采样计算模块、CLARK变换模块和PARK变换模块，所述电流采样计算模块输入端与空间矢量脉宽调制模块的输出端连接，电流采样计算模块的输出端与CLARK变换模块的输入端连接，CLARK变换模块的输出端与PARK变换模块的输入端连接，PARK模块的输出端分别与主控制支路中的电流PI调节器和功率补偿调节支路中的电磁功率计算模块连接，用于为电流PI调节器提供输入电流。

转速反馈支路包括转速信号采集模块和电机转速及电角度计算模块，转速信号采集模块的输入端与永磁同步电机连接，用于采集永磁同步电机的转速模拟信号，转速信号采集模块的输入端与电机转速及电角度计算模块的输入端连接，电机转速及电角度计算模块的输出端与D、Q轴电流计算模块和给定功率计算模块连接，用于为其提供电机的转速信号，电机转速及电角度计算模块的输出端还与CLARK变换模块的输入端连接，用于为其提供电角度。

本发明的一种永磁同步电机功率补偿控制方法的实施例

该控制方法采用给定的扭矩值计算参考电流I_q，然后对所计算的参考电流I_q进行补偿，以补偿后的参考电流对永磁同步电机进行闭环控制，其后续所采用的闭环控制与现有技术一致，这里不再赘述。

补偿信号是由电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定，其中电机参考电磁功率P*是根据给定的扭矩和电机的实际转速计算得到，电机反馈电磁功率P是根据电机矢量控制过程采集到电流计算得到。

电机反馈电磁功率P：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_f i_q+(L_d–L_q)i_d i_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机的实际转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

参考电流I_q的补偿采用PI调节器实现，该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机功率补偿控制系统，该控制系统包括电机主控制支路、电流反馈支路和转速反馈支路，电流反馈支路和转速反馈支路与电机主控制支路构成反馈控制，其特征在于，所述的控制系统还包括功率补偿调节支路，该功率补偿调节支路包括电磁功率计算模块、给定功率计算模块以及动态校正补偿模块，所述电磁功率计算模块的输入端与电流反馈支路的输出端连接，用于根据电机的电流值计算电机的反馈电磁功率P，所述给定功率计算模块的输入端连接有转速反馈支路的输出端和给定扭矩信号，用于计算电机参考电磁功率P*，所述动态校正补偿模块的输入端与电磁功率计算模块和给定功率计算模块的输出端连接，用于根据电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定补偿信号，所述动态校正补偿模块的输出端与电机主控制支路连接，用于将确定的补偿信号补偿到参考电流I_q上。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机功率补偿控制系统，其特征在于，所述电磁功率计算模块所计算出的电机反馈电磁功率P为：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_fi_q+(L_d–L_q)i_di_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机功率补偿控制系统，其特征在于，所述的动态校正补偿模块采用PI调节器，该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机功率补偿控制系统，其特征在于，所述的电机主控制支路包括依次连接的D、Q轴电流计算模块、电流PI调节器、D、Q轴电压计算模块和空间矢量脉宽调制模块，所述D、Q轴电流计算模块的输入端连接有扭矩参考信号、功率补偿调节支路和转速反馈支路，所述空间矢量脉宽调制模块的输出端控制连接永磁同步电机。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机功率补偿控制系统，其特征在于，所述电流反馈支路包括电流采样计算模块、CLARK变换模块和PARK变换模块，所述电流采样计算模块输入端与空间矢量脉宽调制模块的输出端连接，电流采样计算模块的输出端与CLARK变换模块的输入端连接，CLARK变换模块的输出端与PARK变换模块的输入端连接，PARK模块的输出端分别与主控制支路中的电流PI调节器和功率补偿调节支路中的电磁功率计算模块连接，用于提供电机的D、Q控制电流。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机功率补偿控制系统，其特征在于，所述的转速反馈支路包括转速信号采集模块和电机转速及电角度计算模块，所述转速信号采集模块的输入端与永磁同步电机连接，用于采集永磁同步电机的转速模拟信号，所述转速信号采集模块的输入端与电机转速及电角度计算模块的输入端连接，所述电机转速及电角度计算模块的输出端与D、Q轴电流计算模块和给定功率计算模块连接，用于为其提供电机的转速信号，所述的电机转速及电角度计算模块的输出端还与CLARK变换模块的输入端连接，用于为其提供电角度。

7.一种永磁同步电机功率补偿控制方法，该控制方法采用给定的扭矩值计算参考电流I_q，以参考电流对永磁同步电机进行闭环控制，其特征在于，该控制方法还包括对参考电流I_q的补偿，该补偿信号是由电机参考电磁功率P*与电机反馈电磁功率P的差值确定，其中电机参考电磁功率P*是根据给定的扭矩和电机的实际转速计算得到，电机反馈电磁功率P是根据电机矢量控制过程采集到电流计算得到。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机功率补偿控制方法，其特征在于，所述电机反馈电磁功率P：

P＝nT/9500

T＝P1[Ψ_fi_q+(L_d–L_q)i_di_q]

其中P1表示电机极对数，n为电机的实际转速，T为电机扭矩，Ψ_f表示转子磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机功率补偿控制方法，其特征在于，所述参考电流I_q的补偿采用PI调节器实现，该PI调节器的输入值U_in为电机参考电磁功率P*与电机反馈计算的电磁功率P的差值，由该PI调节器得到补偿信号为：

△I_qgd＝K_P(P*-P)+K_i∫(P*-P)dt

其中△I_qgd为所求的补偿信号，K_P，K_i分别为功率补偿PI调节器的比例和积分增益。