CN107493051B - 一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法。本发明公开了一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机数学建模方法，在使用直接转矩控制方法对电机转速进行控制时，使用的电压方程、磁链方程和转矩方程；其中，磁链通过有限元分析法所得的三相电流计算得到，电压方程中考虑了铁芯损耗，将铁芯损耗转化为等效电阻。本发明方法可应用于基于无传感器转速估计的超高速永磁同步电机控制系统中，能有效减小无传感器转速估计中因为铁芯损耗而引起的角度误差。

Description

一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于超高速电机控制技术领域，特别是一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法

背景技术

超高速永磁同步电机具有重量轻、体积小、功率密度高、可靠性高、动态响应性能好等优点，在工业制造、航空航天、能源、医疗和国防工业等多个领域的应用前景愈发广阔。其相关技术的发展适应于当代超高速和超精度工业加工技术的发展潮流，推动现代工业和科学技术的飞速发展，超高速永磁同步电机的相关技术成为了当前的研究热点。

超高速永磁同步电机在高速运行时，由于激发电流频率非常高，为了承受机械应力应选择低损耗材料。此外，由于其在高速区域中的鲁棒性弱，不能使用诸如编码器和分解器的角度检测传感器。因此，无传感器转速控制是必要的。

然而，在高速电机技术中存在着挑战性问题：如需要坚固的机械结构，材料要求有低损耗的硅钢和高拉伸强度等性能，以及控制问题，例如脉宽调制(PWM)延迟，脉宽调制失真和铁损耗。此外，一般的永磁同步电动机(PMSM)控制中通常会忽略铁损。铁损除了会降低电机效率，还会改变永磁同步电机的动态模型。由于在传统的无传感器方法中没有考虑铁损，其估计的角速度误差随着速度增加而稳定地增长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法，消除了电机高速运行时，无传感器转速估计中产生的角度误差，提高电机性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法，在使用直接转矩控制方法对电机转速进行控制时，使用的电压方程、磁链方程和转矩方程如下所示：

d-q两相旋转坐标系下的定子磁链方程为：

ψ_d＝L_di_dm+ψ_m

ψ_q＝L_qi_qm

式中，ψ_d，ψ_q为d-q两相旋转坐标系下定子磁链在d轴和q轴上的分量，L_d和L_q为d-q两相旋转坐标系下电感在d轴和q轴上的分量，i_dm，i_qm为d-q两相旋转坐标系下实际电流在d轴和q轴上的分量，ψ_m为磁铁磁链；

d-q两相旋转坐标系下的电压方程如下所示：

式中，p为微分算子，R_m为考虑铁芯铁损后的超高速永磁同步电机电阻值，且R_s是定子电阻，R_i为铁芯损耗的等效电阻，用于反映超高速永磁同步电机中的铁芯损耗，v_d、v_q、i_d、i_q、L_d以及L_q分别为d-q两相旋转坐标系下的电压值、电流值和电感值，ψ_m为磁铁磁链，ω_e为电机转速；

其中，铁芯损耗的等效电阻P_i为总的铁芯损耗，且有：

式中，P_h是磁滞损耗，P_e是涡流损耗，k_h是磁滞常数，k_e是涡流常数，B是磁感应强度，β是斯坦梅茨常数；

电磁转矩方程为：

其中n_p为电机极对数，T_e是电磁转矩。

进一步，实际电流i_dm和i_qm由实际的三相电流i_a、i_b和i_c经坐标变换后获得，坐标变换方法如下式所示：

其中，ω_e为电机转速，实际的三相电流i_a、i_b和i_c通过有限元分析法得到，具体如下：

式中，φ是电流矢量角，i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)为t时刻的实际三相电流值，I为额定电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明在超高速永磁同步电机运行时考虑了其铁芯损耗，可以减小因为铁芯损耗而引起的角度误差；本发明中铁损被反映为等效电阻；由于不需要传感器采集数据以估计电机转速，解决了超高速永磁同步电机编码器安装困难、易损坏、可靠性差的问题，提高了系统运行的稳定性；本发明中直接转矩控制方法中转矩响应快，鲁棒性好，具有良好的动态性能，为超高速永磁同步电机控制系统的设计提供了方便。

附图说明

图1为本发明中的基于铁心损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制建模的流程图。

图2为本发明基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机的d-q两相旋转坐标系下的等效电路图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

在进行超高速永磁同步电机直接转矩控制时，需要使用超高速永磁同步电机数学建模，包括电压方程、磁链方程和转矩方程。本发明提出考虑铁损的电压方程，用于超高速永磁同步电机直接转矩控制，其中铁损被反映为等效电阻。在超高速区域中，铁损会引起无传感器转速估计中的角度误差，因此对超高速永磁同步电机建模时，其铁损不能被忽略。本发明使用有限元仿真工具(FEM)分析测试超高速永磁同步电动机模型的铁损，可应用于基于无传感器转速估计的超高速永磁同步电机控制系统中，能有效减小无传感器转速估计中因为铁芯损耗而引起的角度误差。

本发明中，d-q两相旋转坐标系下的定子磁链方程为：

ψ_d＝L_di_dm+ψ_m

ψ_q＝L_qi_qm

式中，ψ_d，ψ_q为d-q两相旋转坐标系下定子磁链在d轴和q轴上的分量，L_d和L_q为d-q两相旋转坐标系下电感在d轴和q轴上的分量，i_dm，i_qm为d-q两相旋转坐标系下实际电流在d轴和q轴上的分量，ψ_m为磁铁磁链。

其中，i_dm和i_qm通过实际的三相电流i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)经坐标变换后获得，坐标变换方法如下：

ω_e为电机转速。

其中，实际的三相电流可通过有限元分析法得到，具体如下：

式中，φ是电流矢量角，i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)为t时刻的三相电流值，I为额定电流。

本发明中，d-q两相旋转坐标系下的电压方程如下所示：

式中，p为微分算子，R_m为考虑铁芯铁损后的超高速永磁同步电机电阻值，且R_s是定子电阻，R_i为铁芯损耗的等效电阻，用于反映超高速永磁同步电机中的铁芯损耗，v_d，v_q，i_d，i_q，L_d和L_q分别为d-q两相旋转坐标系下的电压值、电流值和电感值，ψ_m是磁铁磁链，ω_e为电机转速。

其中，铁芯损耗的等效电阻可以被表示为：

式中，P_i为总的铁芯损耗，ψ_d，ψ_q为定子d-q轴的磁链。

总的铁芯损耗P_i可以被模拟为：

式中，P_h是磁滞损耗，P_e是涡流损耗，k_h是磁滞常数，k_e是涡流常数，B是磁感应强度，β是斯坦梅茨常数。

本发明中，超高速永磁同步电机的电磁转矩方程为：

其中n_p为电机极对数。T_e是电磁转矩。

Claims (2)

1.一种基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，在使用直接转矩控制方法对电机转速进行控制时，使用的电压方程、磁链方程和转矩方程如下所示：

d-q两相旋转坐标系下的定子磁链方程为：

ψ_d＝L_di_d+ψ_m

ψ_q＝L_qi_q

式中，ψ_d，ψ_q为d-q两相旋转坐标系下定子磁链在d轴和q轴上的分量，L_d和L_q为d-q两相旋转坐标系下电感在d轴和q轴上的分量，i_d，i_q为d-q两相旋转坐标系下实际电流在d轴和q轴上的分量，ψ_m为磁铁磁链；

d-q两相旋转坐标系下的电压方程如下所示：

式中，p为微分算子，R_m为考虑铁芯铁损后的超高速永磁同步电机电阻值，且R_s是定子电阻，R_i为铁芯损耗的等效电阻，用于反映超高速永磁同步电机中的铁芯损耗，v_d、v_q、i_d、i_q、L_d以及L_q分别为d-q两相旋转坐标系下的电压值、电流值和电感值，ψ_m为磁铁磁链，ω_e为电机转速；

其中，铁芯损耗的等效电阻P_i为总的铁芯损耗，且有：

式中，P_h是磁滞损耗，P_e是涡流损耗，k_h是磁滞常数，k_e是涡流常数，B是磁感应强度，β是斯坦梅茨常数；

电磁转矩方程为：

其中n_p为电机极对数，T_e是电磁转矩。

2.如权利要求1所述基于铁芯损耗的超高速永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，

实际电流i_d和i_q由实际的三相电流i_a、i_b和i_c经坐标变换后获得，坐标变换方法如下式所示：

其中，ω_e为电机转速，实际的三相电流i_a、i_b和i_c通过有限元分析法得到，具体如下：

式中，φ是电流矢量角，i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)为t时刻的实际三相电流值，I为额定电流。