CN106712595A

CN106712595A - 永磁同步电机转矩控制方法

Info

Publication number: CN106712595A
Application number: CN201611032602.0A
Authority: CN
Inventors: 浦蓉杰; 高翔; 林利; 赵艳; 张正刚; 朱俊瑟; 罗彩煌; 吴炽海; 金志辉
Original assignee: Shanghai Zhongke Shenjiang Electric Vehicle Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhongke Shenjiang Electric Vehicle Co Ltd
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: CN106712595B

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机转矩控制方法，包括以下步骤：(1)进行MTPA角度实验，绘制转矩关于MTPA角度和目标电流的二维表格；(2)将最佳MTPA角度拟合成一条关于目标电流i_s的四次方曲线，并得到该曲线的四次多项式；(3)进行台架实验，绘制目标电流关于当前转速和目标转矩的二维表格；(4)根据上述表格通过比例插值算法得到实际需要的目标电流；(5)根据得到的目标电流，计算相应的电压并控制电机。采用该方法，提高了电机的电流利用率；在全范围内保证了扭矩控制精度；减少了前期数据采集与后期数据处理优化的工作量。

Description

永磁同步电机转矩控制方法

技术领域

本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及永磁同步电机最大转矩电流比控制与转矩控制精度技术领域，具体是指一种永磁同步电机转矩控制方法。

背景技术

应用于新能源汽车场合的永磁同步电机由于无法在电机轴端安装转矩传感器，因此电机的转矩控制并不是闭环控制，而是一种开环控制，因此实现转矩的高精度控制存在较大的难度。

由现代电机控制理论可知，永磁同步电机本身存在明确的数学模型，电机转矩也存在明确的数学公式，但是转矩公式严重依赖着电机相关参数(尤其是交直轴电感L_dL_q)，而电机参数又是随着电机的运行而变化的，获取电机的实时参数十分困难，因此利用电机转矩公式来实现转矩的开环控制并且保证一定的转矩精度存在较大的难度。

此外，MTPA(Maximum Torque Per Ampere，最大转矩电流比)算法被证明能有效提高永磁同步电机的电流利用率，能够达到以更小电流输出更大转矩的目的，其关键就在于MTPA角度，它直接决定了电机在恒转矩区的id、iq分配情况，MTPA算法的理论公式同样涉及到电机参数交直轴电感L_dL_q。在无法获取准确的L_dL_q的情况下，若能够使用一种方法来近似模拟出理论最优的MTPA曲线，便可在一定程度上提高电机的电流利用率。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够通过闭环控制实现转矩的高精度控制的永磁同步电机转矩控制方法。

为了实现上述目的，本发明的具有如下构成：

该永磁同步电机转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)进行MTPA角度实验，绘制转矩关于MTPA角度和目标电流的二维表格；

(2)将最佳MTPA角度拟合成一条关于目标电流i_s的四次方曲线，并得到该曲线的四次多项式；

(3)进行台架实验，绘制目标电流关于当前转速和目标转矩的二维表格；

(4)根据目标电流关于当前转速和目标转矩的二维表格，通过比例插值算法得到实际需要的目标电流；

(5)根据得到的实际需要的目标电流，计算出相应的电压并控制电机。

较佳地，所述的步骤(1)包括以下步骤：

(1-1)将MTPA角度设为最小值；

(1-2)当电机转速到达到基速或基速以下时，记录目标电流i_s分别为0.5i_sN、i_sN、1.5i_sN和2i_sN时的转矩，并分别记为：T_{e1_10°}、T_{e2_10°}、T_{e3_10°}、T_{e4_10°}，其中i_sN为额定电流；

(1-3)增加MTPA角度，每隔预设一间隔的MTPA角度，重复步骤(2)，直至MTPA角度达到最大值；

(1-4)绘制转矩关于MTPA角度和目标电流的二维表格；

(1-5)找出电流为0.5i_sN、i_sN、1.5i_sN、2i_sN时的最大转矩对应的MTPA角度作为该电流下的最佳MTPA角度，并分别记为

较佳地，所述的步骤(2)具体为：

将最佳MTPA角度拟合成关于目标电流i_s的四次多项式。

较佳地，所述的步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)设定最小转速，从转矩为0Nm开始，每隔一定间隔的转矩记录一次I_s直至最大转矩；

(3-2)提高转速，每隔一定间隔的转速重复步骤(3-1)，直至最高转速；

(3-3)绘制目标电流I_s关于当前转速和目标转矩的二维表格。

较佳地，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4-1)确定扭矩间隔Te_interval、转速间隔Spd_interval。

(4-2)确定查表最低转速(最低转速为转速间隔的整数倍)，若电机转速小于最低转速，按照这个转速查表，将最低转速除以转速间隔的商记为Spd_index_a。

(4-3)将电机当前转速整除转速间隔得到的商记为Spd_index_b，整除后的余数记为Spd_mod，转速索引号Spd_index＝Spd_index_b-Spd_index_a。

(4-4)将电机目标扭矩整除扭矩间隔得到的商记为扭矩索引号Te_index，整除后的余数记为Te_mod

(4-5)根据式以下公式确定目标电流I_s：

a＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index]；

b＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index+1]；

c＝I_{s_table}[Spd_index+1][Te_index]；

较佳地，所述的步骤(5)包括以下步骤：

(5-1)根据目标电流I_s关于当前转速和目标转矩的二维表格，查表得到需要的目标电流；

(5-2)将is·sin(-MTPA_opti)与通过电压闭环弱磁算法得到的delta_id相加后作为d轴参考电流id_ref，其中MTPA_opti＝f(i_s)，为关于目标电流i_s的四次多项式；

(5-3)将is与id_ref的平方差开根号后的值作为q轴参考电流iq_ref；

(5-4)将id_ref与iq_ref经过PI调节器后生成dq轴电压Ud、Uq；

(5-5)将Ud、Uq经过Park逆变换后得到U_alfa、U_beta；

(5-6)通过SVPWM调制算法生成开关信号，并控制逆变器三相桥臂的导通关断。

采用了该发明中的永磁同步电机转矩控制方法，提高了电机的电流利用率；在全范围(包含恒扭矩区与恒功率区)内保证了扭矩控制精度；减少了前期数据采集与后期数据处理优化的工作量，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机转矩控制方法的永磁同步电机的MTPA曲线示意图。

图2为本发明的永磁同步电机转矩控制方法的最佳MTPA角度拟合曲线图示意图。

图3为本发明的永磁同步电机转矩控制方法的电机控制系统原理框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在一种可行的实施方式中，该永磁同步电机转矩控制方法，包括以下步骤：

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(1)包括以下步骤：

(1-1)将MTPA角度设为最小值；

(1-4)绘制转矩关于MTPA角度和目标电流的二维表格；

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(2)具体为：

将最佳MTPA角度拟合成关于目标电流i_s的四次多项式。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(3)包括以下步骤：

(3-3)绘制目标电流I_s关于当前转速和目标转矩的二维表格。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4-1)确定扭矩间隔Te_interval、转速间隔Spd_interval。

(4-5)根据式以下公式确定目标电流I_s：

a＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index]；

b＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index+1]；

c＝I_{s_table}[Spd_index+1][Te_index]；

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(5)包括以下步骤：

(5-4)将id_ref与iq_ref经过PI调节器后生成dq轴电压Ud、Uq；

(5-5)将Ud、Uq经过Park逆变换后得到U_alfa、U_beta；

本发明主要为解决两个问题，其一，提供一种工程实用方法来近似模拟出理论最优的MTPA曲线；其二，提供一种提升永磁同步电机转矩控制精度的方法，该方法在保证电机转矩精度的同时，能够尽可能地减少前期数据采集的工作量。具体技术方案如下：

首先对第一个问题进行说明，永磁同步电机的MTPA理论公式为：

若电机在恒转矩区的id、iq分配若能完全吻合式(5)，便能达到以最小电流输出最大转矩的目的，永磁同步电机的MTPA曲线如图1所示，从图1可以看出，随着电流is的增加，MTPA角度也慢慢增加，基于这一规律，可以考虑通过多项式拟合的方法将MTPA角度表示为关于电流is的多项式f(i_s)，这样就可以根据电流is实时地计算出当前is下最佳的MTPA角度。

其次对第二个问题进行说明，这里通过表1对第二个问题中涉及到的比例内插算法进行举例说明。

已知电机转速5900rpm下，电机输出20Nm/30Nm时分别需要电流i_s(本专利中的电流均指相电流幅值)为102A/116A，转速6000rpm下，电机输出20Nm/30Nm时分别需要电流i_s为109A/122A(这4个电流i_s的值通过台架实验获得)，求5950rpm下，电机输出25Nm时需要多大的给定电流i_s？

计算如下：

X＝102+(25-20)*(116-102)/(30-20)+(5950-5900)*(109-102)/(6000-5900)＝112.5

表1

is	20Nm	25Nm	30Nm
				5900rpm	102A	116A
5950rpm		x
				6000rpm	109A	122A

通过上面的例子可以看出只要知道3个离散点，便可通过这种比例内插法，将电机转速5900rpm-6000rpm，目标转矩20Nm-30Nm内的所有目标电流i_s计算出来(电机在一定转速范围内，一定转矩范围内，所需要的电流i_s近似地符合线性规律),计算出来后的i_s为一张关于转速与目标转矩的曲面。

当电机转速5900rpm时，要使电机输出20Nm转矩，只需令目标电流i_s为102A，当电机转速5950rpm时，要使电机输出25Nm，只需令目标电流i_s为112.5A即可。由以上分析可知：要知道电机在全部转速范围内，全部转矩范围内需要的目标电流，只需知道转速/转矩间隔点处(比如5900rpm/20Nm、5900rpm/30Nm、6000rpm/20Nm)的电流i_s，间隔点之间的i_s可以通过比例内插的方法获得。

因此本专利转矩控制方法的关建就在于，建立目标电流i_s的二维表格。通过台架实验将电机转到一定的转速(比如1000rpm)后加大目标电流i_s，使电机输出转矩加大，待测功机显示一定的转矩(比如20Nm)时，记录下当前的电机电流I_s，之后继续加大目标电流，待测功机显示一定的转矩(比如40Nm)时，记录下当前的I_s，一直加到电机输出最大功率，其中转矩每隔多少Nm记录一次I_s(后面将转矩间隔用Te_interval表示)可以任意调整，转矩间隔越小，拟合精度越高，但数据量越大。待1000rpm下I_s记录完成后，可对下一个转速(比如1500rpm)下不同转矩对应的I_s进行数据记录(后面将转速间隔用Spd_interval表示),转速间隔可以任意调整，转速间隔小，拟合精度高，数据量越大。

但是转速间隔并非越小越好，因为当转速间隔过小时，进行台架实验时母线电压的误差，电机温度差异等等不可控因素引起的I_s误差，会将小转速间隔采样下的I_s精度掩盖掉。因此对于不同电机合理选择Te_interval、Spd_interval及其重要，在保证拟合精度的同时尽量记录更少的I_s以达到减少工作量的目的。

在一种更为具体的实施方式中，以一款额定功率50kw，峰值功率100KW，4极对，基速2500rpm,最高转速8000rpm，峰值转矩380Nm的永磁同步电机为例，介绍本专利的具体实施方式

第一步，进行MTPA角度实验，先将MTPA角度设为10°，电机转到基速(或基速以下)，如2000rpm，目标电流i_s分别为0.5i_sN(额定电流)、i_sN、1.5i_sN、2i_sN时记录下测功机显示的转矩，分别记为：T_{e1_10°}、T_{e2_10°}、T_{e3_10°}、T_{e4_10°}。再将MTPA设为12°，记录下4个目标电流下的转矩分为记为T_{e1_12°}、T_{e2_12°}、T_{e3_12°}、T_{e4_12°}。MTPA角度增加2°后再进行一次台架实验，直至增加至50°，最后得到表2。

表2

T_e

10°

12°

14°

……

48°

50°

0.5i_sN

T_{e1_10°}

T_{e1_12°}

T_{e1_50°}

i_sN

T_{e2_10°}

T_{e2_12°}

T_{e2_50°}

1.5i_sN

T_{e3_10°}

T_{e3_12°}

T_{e3_50°}

2i_sN

T_{e4_10°}

T_{e4_12°}

T_{e4_50°}

比较目标电流为0.5i_sN下，MTPA角度为10°至50°时的转矩(T_{e1_10°}…..T_{e1_50°})，找出最大转矩。最大转矩对应的MTPA角度为0.5i_sN时的最佳MTPA角度，记为分别找出i_sN、1.5i_sN、2i_sN下的最佳MTPA角度，记为

第二步，将最佳MTPA角度(以下简称MTPA_opti)拟合成一条关于目标电流i_s的四次方曲线，利用数学软件(比如MATLAB的拟合工具箱)可以方便地将最佳MTPA角度拟合成关于目标电流i_s的四次多项式，MTPA_opti＝f(i_s)，拟合曲线如图2所示。

第三步，进行台架实验，转速从1000rpm起，测功机显示的转矩每隔20Nm记录一次I_s，直至峰值功率。转速1500rpm，测功机显示的转矩每隔20Nm记录一次I_s，直至峰值功率。这样转速每隔500rpm，对应不同转矩重新记录I_s，直至最高转速8000rpm为止，将记录到的这些I_s制成一个二维数组，定义一个数组Is_table[14][19]，见表3，这个数组的大小为15行20列。

表3

至此，前期数据采样与处理工作已经完成，下面将结合图3介绍本专利的转矩控制方法。首先根据目标转矩Te_cmd与电机当前转速Spd执行二维查表与比例插值算法，在得到目标电流is后根据四次多项式拟合函数MTPA_opti＝f(i_s)，得到MTPA_opti。之后将is·sin(-MTPA_opti)与通过电压闭环弱磁算法(图中FluxWeakening)得到的delta_id相加后作为d轴参考电流id_ref。将is与id_ref的平方差开根号后的值作为q轴参考电流iq_ref。id_ref与iq_ref经过PI调节器后生成dq轴电压Ud、Uq。Ud、Uq经过Park逆变换后得到U_alfa、U_beta，再经过SVPWM调制算法生成开关信号控制逆变器三相桥臂的导通关断。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)包括以下步骤：

(1-1)将MTPA角度设为最小值；

(1-4)绘制转矩关于MTPA角度和目标电流的二维表格；

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：

将最佳MTPA角度拟合成关于目标电流i_s的四次多项式。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)包括以下步骤：

(3-3)绘制目标电流I_s关于当前转速和目标转矩的二维表格。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4-1)确定扭矩间隔Te_interval、转速间隔Spd_interval。

(4-5)根据式以下公式确定目标电流I_s：

a＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index]；

b＝I_{s_table}[Spd_index][Te_index+1]；

c＝I_{s_table}[Spd_index+1][Te_index]；

I_{s} = a + (b - a) \frac{T_{e_\mod}}{T_{e_int e r v a l}} + (c - a) \frac{{Spd}_{_\mod}}{{Spd}_{_int e r v a l}} .

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤(5)包括以下步骤：

(5-4)将id_ref与iq_ref经过PI调节器后生成dq轴电压Ud、Uq；

(5-5)将Ud、Uq经过Park逆变换后得到U_alfa、U_beta；