CN106602939B - 一种永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机转矩控制方法，当电机处于低速段时，采用开环转矩控制方法控制电机转矩，即采用标定的方法得来给定转矩与Q轴电流的对应关系，拟合成曲线，由给定转矩直接得出Q轴电流；当电机处于高速弱磁区时，采用闭环转矩控制方法，通过D、Q轴电流和电压来估算控制器输出功率，用输出功率除以电机转速得到反馈转矩，反馈转矩与给定转矩之间构成PI调节器，PI调节器的输出值即为Q轴给定电流。不依赖电机额定参数，随着电机的运行工况，实时采集电机DQ轴电流电压，估算电机控制器的输出功率，避免了利用额定工况时的电感参数不能准确反映电机参数本质的问题。同时该方法对采集到的DQ轴电压进行延时补偿和死区补偿，以得到准确的DQ轴电压进而得到准的功率估算。

Description

一种永磁同步电机转矩控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种永磁同步电机转矩控制方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，越来越多地被应用到电动汽车领域。

为了获得较高的功率密度，永磁电机的结构往往设计得较为复杂，电机的磁路很饱和，并且磁路的饱和程度和磁场分布会随着电机运行点的变化而变化，这使得电感参数也随之发生变化。换言之，永磁同步电机电感参数并非常量，而是随着电机的运行工况的变化而变化的，完全用额定工况时的电感参数已不能准确反映电机参数的本质。

从同步机转矩方程出发，要实现精确的转矩控制就必须获得精确的电感参数，在实际应用中很难实现。本文提出了一种不依赖电机参数的转矩控制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种永磁同步电机转矩控制方法，当电机处于低速段时，采用开环转矩控制方法控制电机转矩，即采用标定的方法得来给定转矩与Q轴电流的对应关系，拟合成曲线，由给定转矩直接得出Q轴电流；当电机处于高速弱磁区时，采用闭环转矩控制方法，通过D、Q轴电流和电压来估算控制器输出功率，用输出功率除以电机转速得到反馈转矩，反馈转矩与给定转矩之间构成PI调节器，PI调节器的输出值即为Q轴给定电流。

闭环转矩控制方法具体包括如下步骤：

步骤1，分别采集D、Q轴的电流I_d、I_q，以及电压U_d、U_q，并依据下式计算控制器输出功率P_out，

P_out＝U_q*I_q+U_d*I_d；

步骤2，根据下式计算电机机械功率P_m，

P_m＝P_out*η，

其中η表示电机效率；同时根据下式计算电机给定功率P_m'，

P_m'＝w_r*T_e'/p；

其中：T_e'表示给定转矩；p表示电机极对数；w_r表示电机电角速度；

步骤3，分别对步骤2中得到的电机机械功率P_m和电机给定功率P_m'取绝对值，将两者的差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出即为Q轴给定电流；

其中PI调节器的时域表达式如下：

其中，K_P＝K_pi为比例系数；K_I＝1/τ为积分系数。

作为优选，所述步骤1中当采集到D、Q轴电压U_d、U_q后分别对电压进行反PARK变换，得到半个载波周期前的电压值。

作为优选，所述步骤1还包括对进行反PARK变换得到的电压值进行死区电压补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明不依赖电机额定参数，随着电机的运行工况，实时采集电机DQ轴电流电压，估算电机控制器的输出功率，避免了利用额定工况时的电感参数不能准确反映电机参数本质的问题。同时该方法对采集到的DQ轴电压进行延时补偿和死区补偿，以得到准确的DQ轴电压进而得到准的功率估算。

附图说明

图1是永磁同步电机转矩控制主体框图；

图2是程序执行时序图；

图3是逆变器A相桥臂脉冲信号和输出电压的波形图；

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

从转矩给定到Q轴电流给定构成整个控制系统的转矩控制部分。由于电机参数无法得知，无法通过转矩方程直接得出转矩给定与Q轴给定电流的对应关系。因此考虑通过其他方法来获得该对应关系。

低速段，控制器输出电压低，输出频率低，电机未进弱磁状态。DQ轴电流分配相对固定。因此在低速段可以采用标定的方法得来给定转矩与Q轴电流的对应关系，拟合成曲线，在程序中实现。这种方法这里叫做开环转矩控制。

但是由于到了弱磁区，D轴电流受到母线电压的影响，转矩与Q轴电流的对应关系还要考虑母线电压的影响。而且随着转速的升高，初始角不准以及发波延时造成的D、Q轴电流耦合的影响会更严重。这时标定的数据还需要考虑这些非理想因素。

因此针对高速弱磁区，我们采用闭环弱磁的方法，通过D、Q轴电流和电压来估算控制器输出功率(弱磁深度以及角度不准均不影响功率估算)。用输出功率除以电机转速得到反馈转矩。反馈转矩与给定转矩之间构成PI调节器，输出值即为Q轴给定电流。转矩控制主体框图如图1。

另外，闭环转矩控制估算功率时，所用的电流经过传感器测得再经clark变换得来，可认为能反应当前真实电流。电压用的是程序里的目标电压。目标电压与真实电压之间的差异会导致功率估算不准。

考虑影响目标电压与真实电压的差异主要由两个因数造成。

1)发波延时的影响。

程序里这一周期计算出来的目标电压，都是到下一周期才反应到功率器件上，因此可以近视认为当前的实际输出电压其实就是上一周期的目标。在程序实现的时候需要特别注意该影响。

2)死区的影响。

如果不补偿死区电压，目标电压会大于实际输出电压。功率估算也会出现偏差。普遍的死区补偿方法是计算电流极性，以此为依据对功率管的开通关断时间做补偿。由于同步电机空载时电流很小，电流极性估算不准会对死区补偿产生影响。本文将死区损耗的电压直接补偿到电压矢量上，可得出精确的DQ轴电压。

本发明提供一种永磁同步电机转矩控制方法，当电机处于低速段时，采用开环转矩控制方法控制电机转矩，即采用标定的方法得来给定转矩与Q轴电流的对应关系，拟合成曲线，由给定转矩直接得出Q轴电流；当电机处于高速弱磁区时，采用闭环转矩控制方法，通过D、Q轴电流和电压来估算控制器输出功率，用输出功率除以电机转速得到反馈转矩，反馈转矩与给定转矩之间构成PI调节器，PI调节器的输出值即为Q轴给定电流。

开环转矩控制

永磁同步电机转矩公式：

在弱磁区以下时，DQ轴电流关系固定：

i_d＝f(i_q) (2)

由(2)代入(1)可得到

T_e＝g(i_q) (3)

公式(3)是i_q关于T_e一元二次方程，该方程有两个根，又因为i_q与T_e的符号一致，因此可以得出i_q关于T_e的唯一解。所以转折转速下，转矩指令与Q轴给定电流成固定的关系。只需要在台架上标定出各个转矩下的T_e与i_q之间的对应表，并拟合成曲线，在程序实现即可。

闭环转矩控制

在转折转速以上，由于弱磁的关系，D、Q轴电流关系并不固定，D、Q轴电流关系受到转速、转矩以及母线电压的影响。而且弱磁饱和会影响到L_d、L_q发生变化；温度会影响到φ_f发生变化。再有，随着转速升高，初始角不准以及发波延时造成的D、Q轴电流耦合的影响会更严重，这时候通过坐标变换得到的i_d、i_q并不能反馈实际的D、Q轴电流。由于种种影响，再通过基于转矩方程的标定法已很难实现精确地转矩控制。在这里，我们采取闭环转矩控制。

在DQ轴坐标系中，控制器输出功率可以通过D、Q轴电流和电压计算得出：

P_out＝U_q*I_q+U_d*I_d (4)

P_m＝P_out*η (5)

P_m'＝w_r*T_e'/p (6)

其中：P_out：控制器输出功率

P_m：电机机械功率

η：电机效率

P_m′：电机给定功率

T_e'：给定转矩

p：电机极对数

w_r：电机电角速度(可通过编码器测得)

理论上，电机机械功率P_m应该等于电机给定功率P_m′。实际中，可以利用这两者间的偏差去获取Q轴给定电流。

电机机械功率P_m和电机给定功率P_m'取绝对值，将两者的差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出即为Q轴给定电流。

对发波延时的补偿

凸极永磁同步电机经常能输出很高的频率，而为了减少开关损耗，载波频率往往不能设的很高。因此PWM周期时间已不能被忽略。

图2所示为程序执行时序图。在A点采角度、速度，计算电压，到B点才输出电压，说明A点所用的电流是即时电流，但是A点处计算的电压是下一周期的电压。因此估算功率时，电压必须用半个周期以前计算的电压。在程序中，可以将控制器的输出电压做一个反PARK变换，相当于将输出电压向前旋转半个周期的步距角，这样可以近似等效于半周期前计算的电压。

其中：为发波延时补偿后的DQ轴电压矢量

为实际输出DQ轴电压矢量

θ_k为半个载波周期电机转过的电角度。

对死区的补偿

在弱磁段以下，如果没有对死区电压进行补偿，那么实际输出电压是不能等效于计算输出电压的。死区损耗电压可以直接等效到电压矢量上。

图3为逆变器A相桥臂脉冲信号和输出电压的波形图，图中VT1为A相上桥臂的控制信号(理想脉冲)，上下桥臂控制信号互补。A相上、下桥臂的实际脉冲信号波形为VT1'、VT2'。开关管脉冲信号加入死区时间后,由于开关器件的开通、关断延时，实际死区时间为

TD＝Td+Ton-Toff (8)

式中，Td为死区设置时间。Ton为开关管开通延时。Toff为开关管关断延时。

Uao为A相输出相电压，阴影部分为误差电压，误差电压为实际输出电压与理想输出电压相比的差值，误差电压的极性跟负载电流方向有关。以A相桥臂为例：当ia>0时，在死区时间内，下管导通续流,将A相输出电压钳位在-UDC/2,与理想输出电压相比,实际输出电压少了一个宽度为UDC，作用时间为TD的脉冲。当ia<0时，在死区时间内，上管导通续流，将A相输出电压钳位在-UDC/2，同上分析，实际输出电压多了一个宽度为UDC，作用时间为TD的脉冲。

忽略开关管、续流二极管正向压降,由冲量定理可得,在一个开关周期TS中，平均误差电压的大小

|ΔU|＝UDC*TD/TS (9)

式中UDC为直流侧电压，TD为实际死区时间，TS为开关周期。

由式(9)可得，当TS一定时，误差电压ΔU的大小为定值，方向与转矩电流方向一致。于是可以得到电压矢量的补偿公式：

其中：为死区补偿后的DQ轴电压矢量；

为实际输出DQ轴电压矢量；

为死区导致的误差电压矢量。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：当电机处于低速段时，采用开环转矩控制方法控制电机转矩，即采用标定的方法得来给定转矩与Q轴电流的对应关系，拟合成曲线，由给定转矩直接得出Q轴电流；当电机处于高速弱磁区时，采用闭环转矩控制方法，通过D、Q轴电流和电压来估算控制器输出功率，用输出功率除以电机转速得到反馈转矩，反馈转矩与给定转矩之间构成PI调节器，PI调节器的输出值即为Q轴给定电流；

所述闭环转矩控制方法具体包括如下步骤：

步骤1，分别采集D、Q轴的电流I_d、I_q，以及电压U_d、U_q，并依据下式计算控制器输出功率P_out，

P_out＝U_q*I_q+U_d*I_d；

步骤2，根据下式计算电机机械功率P_m，

P_m＝P_out*η，

其中η表示电机效率；同时根据下式计算电机给定功率P_m'，

P_m'＝w_r*T_e'/p；

其中：T_e'表示给定转矩；p表示电机极对数；w_r表示电机电角速度；

步骤3，分别对步骤2中得到的电机机械功率P_m和电机给定功率P_m'取绝对值，将两者的差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出即为Q轴给定电流；

其中PI调节器的时域表达式如下：

其中，K_P＝K_pi为比例系数；K_I＝1/τ为积分系数。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：所述步骤1中当采集到D、Q轴电压U_d、U_q后分别对电压进行反PARK变换，得到半个载波周期前的电压值。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：所述步骤1还包括对进行反PARK变换得到的电压值进行死区电压补偿。