CN107707166A - 一种自主学习的永磁同步电机mtpa曲线跟踪方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法及装置。该方法包括：S1：电流幅值、电流角度值初始化；S2：更新当前电流幅值；S3：角度计算器根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流角度值相加得到最新电流角度值，当前电流角度更新为该最新电流角度值；S4：自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出当前转矩对当前电流角度的导数；S5：误差判断器判断导数是否在设定的范围内，如果是则执行步骤S6，否则执行步骤S7；S6：当前电流幅值增加10A，跳转至步骤S2；S7：PI调节器根据导数计算出角度补偿量并输出到角度计算器，跳转至步骤S3。本发明改变静态的标定模式为动态的搜索模式，实时搜索出在当前电流矢量大小下，转矩最大的电流角度值。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电动机技术领域，尤其涉及一种自主学习的 永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法及装置。
背景技术
随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用 越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多 优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰 富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直 轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机 (IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。
在IPMSM的控制策略中，为了实现效率的最大化和电流容量的 最大利用，电机在弱磁之前将被控制运行在最大转矩电流比(MTPA) 曲线上，即当d轴电流(id)和q轴电流(iq)满足MTPA曲线的关 系之时，单位电流所产生的转矩是最大的。
在现有的解决方案中，MTPA曲线往往是通过人工反复的试凑标 定而来，即在固定电流大小之后，反复调节电流的角度最终描绘出 MTPA曲线，标定完成后MTPA曲线就固定下来不再改变。传统的人 工标定方法，对电机曲线的标定工作会占用较大时间，严重影响开发 效率以及工程进度；由于是通过人工对电机进行标定，其偏移误差很 大，甚至不同的操作人员的标定结果也不尽相同，因此不能保证曲线 的准确性；传统的标定查表法采用的是静态的方式，即“一次标定、 永久使用”的原则，在电机参数随着使用时间的增加而变化的时候， 其实际MTPA曲线将会有显著的变化，而静态的标定法得到的曲线 与实际曲线的差距将会越来越大，从而会影响电机的总体效率；传统 的标定查表法中，对批量生产电机的一致性要求很高，由于在标定过 程中仅仅对一台或者几台样机进行标定，当一致性有所欠缺时，其标 定曲线和实际曲线会有较大的差距。
发明内容
本发明的目的是克服现有MTPA曲线人工标定方法存在的工期 长、效率低、准确度差、鲁棒性差的技术问题，提供了一种自主学习 的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法及装置，其改变静态的标定模 式为动态的搜索模式，实时搜索出在当前电流矢量大小下，转矩最大 的电流角度值。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法， 包括以下步骤：
S1：电流幅值、电流角度值初始化；
S2：更新当前电流幅值；
S3：角度计算器根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流角 度值相加得到最新电流角度值，当前电流角度更新为该最新电流角度 值；
S4：自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出当前转矩对当前 电流角度的导数；
S5：误差判断器判断导数是否在设定的范围内，如果是则执行步 骤S6，否则执行步骤S7；
S6：当前电流幅值增加10A，跳转至步骤S2；
S7：PI调节器根据导数计算出角度补偿量并输出到角度计算器， 跳转至步骤S3。
在内置式永磁同步电机运行在MTPA曲线之上的时候，其最大 转矩对电流角度的导数(记为dTe(β))为0。本发明利用dTe(β)作 为反馈信号，以调节dTe(β)最终为0为目的，利用合理的PI调节器， 搜索出在当前电流矢量大小下，最大电机转矩对应的电流角度值。
本发明采用的自主学习导数观测器避免对电机转矩的采样，而是 寻找电机转矩对电流角度导数的替代量，因此永磁同步电机中无需含 有转矩传感器。
作为优选，所述自主学习导数观测器包括角度解算单元、高频注 入单元、虚拟转矩解算单元和导数解算单元，所述步骤S4包括以下 步骤：
S41：角度解算单元以当前d轴电流给定值id和当前q轴电流给 定值iq为输入，通过求取其比值的反正切得到当前电流角度；
S42：高频注入单元在角度解算单元的基础上叠加一个高频分量 sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h；
S43：虚拟转矩解算单元利用高频注入单元所得到的虚拟d轴电 流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定值id和当前q 轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机转速w_mech、 电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h，计算公式为：
S44：导数解算单元包括带通滤波器F1、乘法器M1以及低通滤 波器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号Te_h_fil，信号 Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而经过低 通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
作为优选，所述步骤S2还包括以下步骤：如果当前电流幅值达 到设定值，程序结束。
作为优选，所述步骤S1中电流幅值初始化后的初始值为0，电 流角度值初始化后的初始值为0。
本发明的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪装置， 包括：
电流更新模块，用于更新当前电流幅值；
角度计算器，用于根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流 角度值相加得到最新电流角度值，并将当前电流角度更新为该最新电 流角度值；
自主学习导数观测器，用于通过扰动观测法计算出当前转矩对当 前电流角度的导数；
误差判断器，用于判断自主学习导数观测器计算出的导数是否在 设定的范围内，如果是则输出触发信号到电流调整模块，否则将导数 输出到PI调节器；
电流调整模块，用于在接收到误差判断器输出的触发信号时增大 电流幅值；
PI调节器，用于根据误差判断器输出的导数计算出角度补偿量并 输出到角度计算器。
作为优选，所述自主学习导数观测器包括：
角度解算单元，用于根据当前d轴电流给定值id和当前q轴电 流给定值iq计算出当前电流角度；
高频注入单元，用于在角度解算单元的基础上叠加一个高频分量 sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h；
虚拟转矩解算单元，用于根据高频注入单元所得到的虚拟d轴电 流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定值id和当前q 轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机转速w_mech、 电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h；
导数解算单元，包括带通滤波器F1、乘法器M1以及低通滤波 器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号Te_h_fil，信号 Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而经过低 通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
本发明的有益效果是：(1)改变静态的标定模式为动态的搜索模 式，实时搜索出在当前电流矢量大小下，转矩最大的电流角度值。(2) 本方法无需对电机转矩进行采样，因此永磁同步电机中无需含有转矩 传感器，降低了成本。
附图说明
图1是本发明的一种流程图；
图2是本发明方法绘制出的MTPA曲线；
图3是PI调节器的工作示意图；
图4是角度解算单元的工作示意图；
图5是高频注入单元的工作示意图；
图6是虚拟转矩解算单元的工作示意图；
图7是导数解算单元的工作示意图；
图8是本发明的一种结构示意图；
图9是自主学习导数观测器的一种结构示意图。
图中：1、电流更新模块，2、角度计算器，3、自主学习导数观 测器，4、误差判断器，5、电流调整模块，6、PI调节器，7、角度解 算单元，8、高频注入单元，9、虚拟转矩解算单元，10、导数解算单 元，a、实际MTPA曲线，b、计算出的MTPA曲线。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具 体的说明。
实施例：本实施例的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线 跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：电流幅值、电流角度值初始化，电流幅值的初始值为0，电 流角度值的初始值为0；
S2：更新当前电流幅值；
S3：角度计算器根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流角 度值相加得到最新电流角度值，当前电流角度更新为该最新电流角度 值；
S4：自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出当前转矩对当前 电流角度的导数，并将计算出的导数输出到误差判断器；
S5：误差判断器判断导数是否在设定的范围内，如果是则执行步 骤S6，否则执行步骤S7；
S6：当前电流幅值增加10A，跳转至步骤S2；
S7：误差判断器将导数输出到PI调节器，PI调节器根据导数计 算出角度补偿量并输出到角度计算器，跳转至步骤S3。
在内置式永磁同步电机运行在MTPA曲线之上的时候，其最大 转矩对电流角度的导数(记为dTe(β))为0。本发明利用dTe(β)作 为反馈信号，以调节dTe(β)最终为0为目的，利用合理的PI调节器， 搜索出在当前电流矢量大小下，最大电机转矩对应的电流角度值。如 图2所示，曲线a为实际MTPA曲线，曲线b为计算出的MTPA曲 线，横轴为电流矢量大小，纵轴为最大转矩输出，上下跳跃的尖峰为 不同计算段之间的过盈，这是matlab计算速度引起的，实际使用中 不会出现。从图2上我们可以看出搜索的最大转矩与实际最大转矩的 误差随着转矩的增加，分布在在0-10Nm之间，其相对误差约为2％， 实际情况中完全可以接受。
如图3所示，PI调节器包含了Kp和Ki两个参数变量，加法器 ADD1。输入信号为转矩导数解算器的导数输出量，输出信号为用于 补偿现有角度的角度补偿量。
自主学习导数观测器包括角度解算单元、高频注入单元、虚拟转 矩解算单元和导数解算单元，步骤S4包括以下步骤：
S41：如图4所示，角度解算单元以当前d轴电流给定值id和当 前q轴电流给定值iq为输入，通过求取其比值的反正切得到当前电 流角度；
S42：如图5所示，高频注入单元在角度解算单元的基础上叠加 一个高频分量sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴 电流值iq_h；
S43：如图6所示，虚拟转矩解算单元利用高频注入单元所得到 的虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定 值id和当前q轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机 转速w_mech、电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h，计算公式为：
S44：如图7所示，导数解算单元包括带通滤波器F1、乘法器 M1以及低通滤波器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号 Te_h_fil，信号Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘， 进而经过低通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
步骤S2还包括以下步骤：如果当前电流幅值达到设定值，程序 结束。
本方法采用的自主学习算法的核心就是在不采用转矩传感器的 前提之下，寻找合理的观测量来表征转矩对角度的导数，利用合理的 PI参数调节器，搜索出在当前电流矢量大小下，转矩最优的角度值， 因此永磁同步电机中无需含有转矩传感器。本方法通过高频信号注入 实现的导数提取方法。
本实施例的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪装置， 使用上述的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法，包 括：
电流更新模块1，用于更新当前电流幅值；
角度计算器2，用于根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流 角度值相加得到最新电流角度值，并将当前电流角度更新为该最新电 流角度值；
自主学习导数观测器3，用于通过扰动观测法计算出当前转矩对 当前电流角度的导数；
误差判断器4，用于判断自主学习导数观测器计算出的导数是否 在设定的范围内，如果是则输出触发信号到电流调整模块，否则将导 数输出到PI调节器；
电流调整模块5，用于在接收到误差判断器输出的触发信号时增 大电流幅值；
PI调节器6，用于根据误差判断器输出的导数计算出角度补偿量 并输出到角度计算器。
自主学习导数观测器3包括：
角度解算单元7，用于根据当前d轴电流给定值id和当前q轴电 流给定值iq计算出当前电流角度；
高频注入单元8，用于在角度解算单元的基础上叠加一个高频分 量sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h；
虚拟转矩解算单元9，用于根据高频注入单元所得到的虚拟d轴 电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定值id和当 前q轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机转速w_mech、 电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h；
导数解算单元10，包括带通滤波器F1、乘法器M1以及低通滤 波器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号Te_h_fil，信号 Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而经过低 通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
本发明采用的自主学习导数观测器避免对电机转矩的采样，因此 永磁同步电机中无需含有转矩传感器。
Claims (6)
1.一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：电流幅值、电流角度值初始化；
S2：更新当前电流幅值；
S3：角度计算器根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流角度值相加得到最新电流角度值，当前电流角度更新为该最新电流角度值；
S4：自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出当前转矩对当前电流角度的导数；
S5：误差判断器判断导数是否在设定的范围内，如果是则执行步骤S6，否则执行步骤S7；
S6：当前电流幅值增加10A，跳转至步骤S2；
S7：PI调节器根据导数计算出角度补偿量并输出到角度计算器，跳转至步骤S3。
2.根据权利要求1所述的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法，其特征在于，所述自主学习导数观测器包括角度解算单元、高频注入单元、虚拟转矩解算单元和导数解算单元，所述步骤S4包括以下步骤：
S41：角度解算单元以当前d轴电流给定值id和当前q轴电流给定值iq为输入，通过求取其比值的反正切得到当前电流角度；
S42：高频注入单元在角度解算单元的基础上叠加一个高频分量sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h；
S43：虚拟转矩解算单元利用高频注入单元所得到的虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定值id和当前q轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机转速w_mech、电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h，计算公式为：
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</mrow>
S44：导数解算单元包括带通滤波器F1、乘法器M1以及低通滤波器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号Te_h_fil，信号Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而经过低通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
3.根据权利要求1所述的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：如果当前电流幅值达到设定值，程序结束。
4.根据权利要求1所述的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1中电流幅值初始化后的初始值为0，电流角度值初始化后的初始值为0。
5.一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪装置，其特征在于，包括：
电流更新模块(1)，用于更新当前电流幅值；
角度计算器(2)，用于根据PI调节器输出的角度补偿量与当前电流角度值相加得到最新电流角度值，并将当前电流角度更新为该最新电流角度值；
自主学习导数观测器(3)，用于通过扰动观测法计算出当前转矩对当前电流角度的导数；
误差判断器(4)，用于判断自主学习导数观测器计算出的导数是否在设定的范围内，如果是则输出触发信号到电流调整模块，否则将导数输出到PI调节器；
电流调整模块(5)，用于在接收到误差判断器输出的触发信号时增大电流幅值；
PI调节器(6)，用于根据误差判断器输出的导数计算出角度补偿量并输出到角度计算器。
6.根据权利要求5所述的一种自主学习的永磁同步电机MTPA曲线跟踪装置，其特征在于，所述自主学习导数观测器包括：
角度解算单元(7)，用于根据当前d轴电流给定值id和当前q轴电流给定值iq计算出当前电流角度；
高频注入单元(8)，用于在角度解算单元的基础上叠加一个高频分量sin_omega_h，计算出虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h；
虚拟转矩解算单元(9)，用于根据高频注入单元所得到的虚拟d轴电流值id_h、虚拟q轴电流值iq_h，与当前d轴电流给定值id和当前q轴电流给定值iq、直轴电压Vd、交轴电压Vq、电机转速w_mech、电机绕组阻值R一起解算出虚拟转矩Te_h；
导数解算单元(10)，包括带通滤波器F1、乘法器M1以及低通滤波器F2，虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1得到信号Te_h_fil，信号Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而经过低通滤波器F2得到当前转矩对当前电流角度的导数。
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