CN106921326B - 电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法与装置，该方法包括，基于电机的互感与励磁电流的对应关系确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系；以所述最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。该方法使得能够在恒转矩区、恒功率区和恒电压区的全转速范围内对电机应用最大转矩电流比控制，有效地降低了电机的能耗，同时提高了转矩的控制精度。

Description

电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法与装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法与装置。

背景技术

城轨牵引电机和控制系统的能耗占城轨交通电量总耗的绝大部分，交通领域的节能降耗对节约资源和保护环境的意义重大，因此，城轨牵引电机驱动系统的能量优化控制引起了广泛关注。

最大转矩电流比控制是广泛应用的一种用于电机的能量优化控制的控制策略。该控制策略以电机每安培电流输出转矩最大(Maximum torque per ampere，MTPA)为控制目标，是针对电机的转矩所进行的优化控制。使电机输出最小的定子电流而获得同样的转矩，从而使得电机产生的转矩与定子电流幅值之比T_e/I_s达到最大值，这样不仅可以降低电机的损耗，还在一定程度上提高了电机的运行效率。

现有的最大转矩电流比控制方法是以当电机的定子电流在基于转子磁链定向的旋转坐标系下的d轴与q轴分量相等时，T_e/I_s取得最大值为目标进行的每安培最大转矩控制的优化设计。因此，只要控制电机的定子电流在基于转子磁链定向的旋转坐标系下的d轴与q轴分量相等，就可以实现每安培最大转矩控制。但目前这种最大转矩电流比控制方案的运行区域只局限于恒转矩区，没有应用到弱磁区，使其对于电机整体的控制性能大幅降低。

针对上述问题，本发明提出一种能够应用于全转速范围内的最大转矩电流比控制方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够应用于全转速范围内的最大转矩电流比控制方案。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法，包括：基于电机的互感与励磁电流的对应关系确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系；以所述最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。

优选地，电压和/或电流的数值限制包括：在恒转矩区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流；在恒功率区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流且电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压；在恒电压区，电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压。

优选地，在基于电机的互感与励磁电流的对应关系确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系的步骤中包括：基于离线辨识建立电机的互感与励磁电流之间的对应关系；对所述对应关系进行曲线拟合以得到电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；根据稳态下电机的输出转矩与互感之间的函数关系以及所述电机的互感与励磁电流之间的关系曲线确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系。

优选地，根据以下表达式确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩的函数关系：

其中，T_emax电机的最大输出转矩，P_n为电机的极对数，i_sd为标幺化后的励磁电流的有效值，i_sq为标幺化后的转矩电流的有效值，I_pu为选定的标幺值，L_m为电机的互感，f(i_sd)为电机的互感与励磁电流之间的关系曲线。

优选地，在恒转矩区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

优选地，在恒功率区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；W_e为同步电角频率，L_s为定子电感，σ为漏磁系数；U_smax为定子相电压矢量的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

优选地，在恒电压区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；W_e为同步电角频率，L_s为定子电感，σ为漏磁系数；U_smax为定子相电压矢量的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

本申请的实施例还提供了一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制装置，包括：约束建立模块：其基于电机的互感与励磁电流的对应关系确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系；驱动模块：其以所述最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。

优选地，驱动模块按照以下方式确定所述电压和/或电流的数值限制：在恒转矩区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流；在恒功率区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流且电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压；在恒电压区，电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压。

优选地，驱动模块根据以下步骤确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系：基于离线辨识建立电机的互感与励磁电流之间的对应关系；对所述对应关系进行曲线拟合以得到电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；根据稳态下电机的输出转矩与互感之间的函数关系以及所述电机的互感与励磁电流之间的关系曲线确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过结合电机的电压电流限制以及励磁电流对互感的影响建立约束条件，使得能够在恒转矩区、恒功率区和恒电压区的全转速范围内对电机应用最大转矩电流比控制，有效地降低了电机的能耗，同时提高了转矩的控制精度。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为电机运行于全转速范围内的电压、电流与转矩的特性曲线示意图；

图2为本发明实施例的电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法的流程示意图；

图3为根据本发明实施例的确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的电机的互感与励磁电流的对应关系示意图；

图5为运行于恒功率区的电机的电压限制和电流限制的示意图；

图6为运行于恒电压区的电机的电压限制和电流限制的示意图；

图7为本发明实施例的电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为在理想情况下电机运行于全转速范围内的电压、电流与转矩的特性曲线示意图，根据电机的转速，其运行区域可分为三个阶段：恒转矩区、恒功率区和恒电压区。

如图1所示，在基速ω_based以下电机运行于恒转矩区，在该区域内，励磁电流保持恒定。在基速ω_based以上运行时则由于电机转速的不断提升，反电动势不断增大，因此，需要减小励磁电流，实现弱磁控制。该区域又被进一步分为恒功率区和恒电压区，恒功率区随着转速的提升(大于ω_based)，电机的最大输出转矩有所减小，但其功率可以维持为最大水平。若转速进一步提升(大于ω₁)，则由于高速区域内各种损耗和电机参数的变化，输出转矩会进一步减小，已经无法维持最大功率输出，该区间则被称为恒电压区。

在弱磁区，由于电机磁场减弱，电机的互感呈非线性变化，互感参数的变化将直接影响到弱磁控制和磁场定向，并且会影响到电机的输出转矩的性能，因此，现有技术中的最大转矩电流比控制仅应用于恒转矩区。在本发明的实施例中，基于励磁电流对互感的影响进行建模，提出了一种适用于全转速范围内的最大转矩电流比控制方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S210、基于电机的互感与励磁电流的对应关系确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系。步骤S220、以最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。下面首先结合图3和图4，以某地铁电机的牵引特性曲线为例说明，当考虑电机的励磁电流对互感的影响时，电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系的建模过程。

如图3所示，该建模过程包括，步骤S310、基于离线辨识建立电机的互感与励磁电流之间的对应关系。步骤S320、对上述对应关系进行曲线拟合以得到电机的互感与励磁电流之间的关系曲线。步骤S330、根据稳态下电机的输出转矩与互感之间的函数关系以及电机的互感与励磁电流之间的关系曲线确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系。

具体的，首先通过多次实验，基于离线辨识建立如图4所示的电机的互感与励磁电流之间的对应关系。可以看出，随着励磁电流i_sd的变化，互感L_m表现出一种非线性。在现有技术中，会根据电机的参数将互感L_m设定固定值，进而导致转矩的控制性能不高。

在得到互感与励磁电流之间的对应关系之后，利用曲线拟合的方法对图4所示的对应关系进行拟合，得到如表达式(1)所示的电机的互感与励磁电流之间的关系曲线：

L_m＝-0.1×i_sd ²+0.0125×i_sd+0.04 (1)

其中，曲线拟合可以采用多种方法，例如最小二乘法、插值法、迭代法等。

进一步地，感应电机在稳态下的输出转矩T_e的方程如表达式(2)所示：

式中，P_n为电机的极对数，i_sq为电机的转矩电流，L_r为电机的转子电感，L_r可以根据表达式(3)进行计算：

L_r＝L_σr+L_m (3)

式中，L_σr为转子的漏感。

进一步考虑到，L_σr占L_r的比重一般仅约为2-3％，因此在计算中可以忽略漏感的影响，结合表达式(2)，将输出转矩T_e的方程简化为表达式(4)的形式：

需要注意的是，在上式中，i_sd和i_sq均为标幺化后的有效值，即均进行了除以标幺值的标幺化处理，在计算最大转矩值时，需要去标幺化，因此可得：

式中，I_pu为选定的标幺值。结合表达式(1)，可以得到最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系如表达式(6)所示：

在考虑了互感的影响之后，输出转矩的最大值满足如表达式(6)的方程组所示的函数关系，其中，电机的互感与励磁电流之间的关系曲线f(i_sd)根据具体的被控对象建立，标幺值I_pu根据电机的最大电流进行选定。

当电机运行于不同的转速区间时，分别给定不同的电机的输出转矩，若满足最大转矩电流比的控制要求，则该输出转矩应满足表达式(6)所确立的约束条件，再结合当电机运行于不同的转速区间时的电压和电流所需要满足的数值的限制条件，建立目标优化方程，以获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值。分别给定多个输出转矩的数值，可以对应获取多个定子电流的给定值，下面分别针对电机的各运行区域进行说明。

(1)当电机运行于恒转矩区时

在恒转矩区中，电机运行在基速以下，电机运行所需要的电压矢量幅值不会超过定子相电压矢量的最大值，因此，电机运行只受到最大电流的限制。在电机的整个运行过程中，该最大电流可能为控制器能通过的最大电流，或电机的额定电流。在恒转矩区域内，电机磁场和输出转矩保持不变。一般电机在额定转速以下运行，会考虑转子磁链ψ_r恒定，ψ_r会根据主磁路达到饱和的临界值来给定，这样可以充分利用电机的磁性材料，获得大的转矩输出。在上述过程中互感L_m一般是根据电机的参数进行设定，没有考虑互感参数的精确性，同样没有考虑互感L_m会受到励磁电流i_sd的影响。

为使T_e/I_s取得最大值，需要在给定的目标转矩下，调节励磁电流的给定，使得电机电流最小，在恒转矩区，其目标优化方程如表达式(7)所示：

式中，i_sd为励磁电流，i_sq为转矩电流，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；L_m为电机的互感，T^*为给定的电机的输出转矩。

需要说明的是，在上述表达式中，以I_smax为标幺值，i_sd和i_sq为与电机设计提供的特性曲线做对比，目标优化方程中都为以I_smax进行标幺的有效值。T^*对应电机在不同速度点下的给定转矩，在给定约束条件下对上述方程求I_s的最小值。

(2)当电机运行于恒功率区时

当电机运行至恒功率区时，由于作用于电机的电压不能满足转速的不断升高而导致电机的反电动势增加，电机的转速将无法再提高。在恒功率区域内，需要通过减少电机的励磁电流来降低电机运行所需要的电压矢量，来满足电压限制条件从而提高电机的转速，即弱磁运行。

如图5所示，当电机转速W_e(同步电角频率)不断上升时，电压限制轨迹不断的向内收缩，电机会同时受到最大电压和最大电流的限制，开始时，W_e2＞W_e1，随着电压限制椭圆W_e2的收缩，电压限制椭圆W_e2与电流限制圆W_e1将相交，电机运行在两者的交点上，因此，在恒功率区，其目标优化方程如表达式(8)所示：

式中，i_sd为励磁电流，i_sq为转矩电流，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；L_m为电机的互感，L_s为电机的定子电感，σ为漏磁系数；T^*为给定的电机的输出转矩；U_smax为定子相电压矢量的最大值。在考虑互感随励磁电流的变化后，针对地铁电机在恒功率区的特性曲线，求得给定转矩下的电机的定子电流的最小值。

(3)当电机运行于恒电压区时

电机运行至恒电压区域时，随着转速的继续增加，电压限制椭圆近一步向内收缩，如图6所示，电压限制椭圆W_e4逐渐收缩至电流限制圆W_e3的内部，最后电机运行就只剩下电压限制的作用。因此，在恒电压区，其目标优化方程如表达式(9)所示：

式中，i_sd为励磁电流，i_sq为转矩电流，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；L_m为电机的互感，L_s为电机的定子电感，σ为漏磁系数；T^*为给定的电机的输出转矩；U_smax为定子相电压矢量的最大值。在考虑了互感随励磁电流的变化后，针对地铁电机在恒电压的特性，求得给定转矩下的电机的定子电流的最小值。

本发明根据牵引电机在不同转速下的牵引特性曲线，充分考虑电机本体的最大电压、最大电流的限制和磁场电流对互感的影响，得出转矩最大化下的励磁电流给定，使得输出最小的电机电流获得同样的转矩性能。本发明的最大转矩电流比控制方法适用于电机的全转速范围内的运行区域，使得电机的整体控制性能得到了极大的提升。

图7为本发明实施例的电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制装置的结构示意图，如图所示，该装置包括约束建立模块71与驱动模块72，其中，约束建立模块71执行步骤S210的操作，驱动模块72执行步骤S220的操作。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制方法，包括：

基于离线辨识建立电机的互感与励磁电流之间的对应关系；

对所述对应关系进行曲线拟合以得到电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；

根据稳态下电机的输出转矩与互感之间的函数关系以及所述电机的互感与励磁电流之间的关系曲线，通过以下表达式确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系；

其中，T_emax电机的最大输出转矩，P_n为电机的极对数，i_sd为标幺化后的励磁电流的有效值，i_sq为标幺化后的转矩电流的有效值，I_pu为选定的标幺值，L_m为电机的互感，f(i_sd)为电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；

以所述最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压和/或电流的数值限制包括：

在恒转矩区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流；在恒功率区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流且电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压；在恒电压区，电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在恒转矩区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在恒功率区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；W_e为同步电角频率，L_s为定子电感，σ为漏磁系数；U_smax为定子相电压矢量的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在恒电压区，根据以下表达式获取在给定电机的输出转矩时的定子电流的最小值：

其中，I_s为电机的定子电流，I_smax为定子电流的最大值；W_e为同步电角频率，L_s为定子电感，σ为漏磁系数；U_smax为定子相电压矢量的最大值，T^*为给定的电机的输出转矩。

6.一种电机的全转速范围内的最大转矩电流比控制装置，包括：

约束建立模块：其根据以下步骤确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系：

基于离线辨识建立电机的互感与励磁电流之间的对应关系；

对所述对应关系进行曲线拟合以得到电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；

根据稳态下电机的输出转矩与互感之间的函数关系以及所述电机的互感与励磁电流之间的关系曲线，通过以下表达式确定电机运行于不同转速时的最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系

其中，T_emax电机的最大输出转矩，P_n为电机的极对数，i_sd为标幺化后的励磁电流的有效值，i_sq为标幺化后的转矩电流的有效值，I_pu为选定的标幺值，L_m为电机的互感，f(i_sd)为电机的互感与励磁电流之间的关系曲线；

驱动模块：其以所述最大输出转矩与励磁电流之间的函数关系与当电机运行于不同的转速区间时的电压和/或电流的数值限制作为约束条件，获取在给定电机的输出转矩时电机的定子电流的最小值，并以该最小值对电机进行驱动。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述驱动模块按照以下方式确定所述电压和/或电流的数值限制：

在恒转矩区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流；在恒功率区，电机的定子电流小于等于电机运行时的最大电流且电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压；在恒电压区，电机的定子相电压小于等于电机运行时的最大电压。