CN107786142A - 发电机转矩控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种发电机转矩控制方法和控制系统，该方法包括：根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机，从而同时满足了发电机转矩控制系统动态响应速度和转矩控制精度。

Description

发电机转矩控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及发电机转矩控制技术领域，更具体地说，涉及发电机转矩控制方法和控制系统。

背景技术

传统的发电机转矩控制系统，又称为发电机转矩开环控制系统，其工作原理为：利用交轴电流解算公式将发电机转矩给定值T_set解算为交轴电流给定值i_{q_set}，此交轴电流给定值i_{q_set}与交轴电流反馈值i_q的差值经过交轴电流调节器得到发电机电压给定值，此发电机电压给定值经过逆变器输出用于控制发电机。

上述发电机转矩开环控制系统动态响应速度快，但由于其在交轴电流解算过程中需要用到发电机参数，而发电机参数受制造公差和环境因素影响存在较大的误差，造成发电机转矩控制精度不高。

下面以发电机为永磁同步电机为例，举例说明上述发电机转矩开环控制系统存在的缺陷。

永磁同步电机转矩开环控制系统方框图如图1所示，其中，永磁同步电机的交轴电流解算公式为

i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度。

图1中各环节传递函数如下：

交轴电流调节器(以交轴电流PI调节器为例)的传递函数为

逆变器的传递函数为

永磁同步电机的传递函数为

上述传递函数中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，T_i为系统采样时间，L_s为永磁同步电机电感，R为永磁同步电机电阻。

图1中的部分与K_T部分共同构成了永磁同步电机的数学模型，具体的：经处理得到的实时交轴电流i_q与系数K_T相乘后得到永磁同步电机实时转矩T_e，i_q的大小可通过电流传感器测量以及计算得到。

分析图1可知，由T_set到T_e的开环传递函数，等效于由i_{q_set}到i_q的开环传递函数，为

令等于则式(1)可以化简为

基于式(2)，可得到由i_{q_set}到i_q的闭环传递函数

由于远小于因此式(3)可以简化为

由式(4)可知，在永磁同步电机转矩开环控制下，永磁同步电机转矩的响应特性可以用一阶惯性环节描述，永磁同步电机转矩达到稳态值的响应时间为一般小于5毫秒，动态响应速度较快。

但在利用交轴电流解算公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将T_set解算为i_{q_set}时，由于受制造公差和环境因素影响，φ_f的实际值与理论值间的误差可达到10％左右，因此解算得到的i_{q_set}也存在相同的误差，进而导致永磁同步电机转矩控制精度存在较大的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了发电机转矩控制方法和控制系统，以实现在不影响发电机转矩控制系统动态响应速度的前提下，提高发电机转矩控制精度。

一种发电机转矩控制方法，包括：

根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机。

其中，所述交轴电流调节器为交轴电流PI调节器，并且/或者，所述发电机转矩调节器为发电机转矩PI调节器。

可选地，在所述将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入之前还包括：

根据反馈传递函数和发电机实时转矩计算得到发电机转矩反馈值，其中，所述反馈传递函数为其中，T_f为转矩测量的滞后时间常数，S为拉普拉斯算子。

其中，所述交轴电流反馈值为所述发电机输出端的交轴电流值。

其中，所述发电机实时转矩根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为发电机有功功率，T为发电机实时转矩，ω为所述发电机的转速。

其中，当所述发电机为永磁同步电机时，所述根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值，包括：

根据公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度；T_set为发电机转矩给定值，i_{q_set}为交轴电流给定值。

一种发电机转矩控制系统，包括：

计算单元，用于根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

转矩外环控制单元，用于将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

交轴电流内环单元，用于将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

输出控制单元，用于向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机。

其中，所述交轴电流调节器为交轴电流PI调节器；并且/或者，所述发电机转矩调节器为发电机转矩PI调节器。

其中，所述发电机实时转矩根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为发电机有功功率，T为发电机实时转矩，ω为所述发电机的转速。

其中，当所述发电机为永磁同步电机时，所述计算单元具体根据公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度；T_set为发电机转矩给定值，i_{q_set}为交轴电流给定值。

从上述的技术方案可以看出，本发明通过将发电机转矩开环控制与发电机转矩闭环控制叠加起来作为新的发电机转矩控制方案，使其既具备发电机转矩开环控制系统动态响应速度快的优点，又具备发电机转矩闭环控制系统控制精度高的优点，从而解决了现有技术存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种永磁同步电机转矩开环控制系统方框图；

图2为本发明公开的一种发电机转矩控制方法流程图；

图3为本发明公开的一种永磁同步电机转矩闭环控制系统方框图；

图4为本发明公开的一种发电机转矩闭环控制系统阶跃响应图；

图5为本发明公开的一种发电机转矩控制系统方框图；

图6为本发明公开的一种发电机转矩控制系统结构示意图；

图7为本发明公开的一种发电机转矩控制系统的另一方框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，本发明实施例公开了一种发电机转矩控制方法，以实现在不影响发电机转矩控制系统动态响应速度的前提下，提高发电机转矩控制精度，包括：

S01：根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

发电机转矩与交轴电流的对应关系，也就是发电机转矩给定值与交轴电流给定值的对应关系，又称交轴电流解算公式，本实施例将利用此对应关系解算得到的交轴电流给定值记为第一交轴电流给定值。

发电机类型不同，发电机转矩给定值与第一交轴电流给定值的对应关系也不同。当发电机为永磁同步电机时，该对应关系可表示为i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)，式中各参数含义请参见“背景技术”部分。

S02：将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

S03：将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

S04：向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机。

在自动控制领域，闭环控制系统相较于开环控制系统具有更高的控制精度，但会降低动态响应速度，因此单纯设计一种发电机转矩闭环控制系统并不能解决现有技术存在的问题。对此，本实施例将发电机转矩开环控制与发电机转矩闭环控制叠加起来作为新的发电机转矩控制方案，使其既具备发电机转矩开环控制系统动态响应速度快的优点，又具备发电机转矩闭环控制系统转矩控制精度高的优点，从而解决了现有技术存在的问题。

其中，为提高系统动态性能和稳态精度，所述交轴电流调节器优选交轴电流PI调节器，所述发电机转矩调节器优选发电机转矩PI调节器，但并不局限。

下面从分析发电机转矩开环控制系统以及发电机转矩闭环控制系统这两个基础系统的工作原理入手，对本实施例的技术方案进行详述。

1、发电机转矩开环控制系统

发电机转矩开环控制系统的工作原理请参见“背景技术”部分，此处不再赘述。

2、发电机转矩闭环控制系统

发电机转矩闭环控制系统的工作原理为：将发电机转矩给定值T_set与发电机转矩反馈值T_e的差值作为发电机转矩PI调节器的输入，输出交轴电流给定值i_{q_set}；i_{q_set}与交轴电流反馈值i_q的差值经过交流电流调节器得到发电机电压给定值；此发电机电压给定值经逆变器输出用于控制发电机。在所述发电机转矩闭环控制系统中，T_e由逆变器输出电压、电流的采样值计算得到，可以使发电机转矩控制精度满足要求。

以永磁同步电机为例，永磁同步电机转矩闭环控制系统方框图如图3所述，其中各环节传递函数如下：

发电机转矩PI调节器(以发电机转矩PI调节器为例)的传递函数为

交流电流调节器(以交流电流PI调节器为例)的传递函数为

逆变器的传递函数为

永磁同步电机的传递函数为

发电机转矩反馈传递函数为

上述传递函数中，K_{p_T}、K_p为比例系数，K_{i_T}、K_i为积分系数，T_i为系统采样时间，L_s为永磁同步电机电感，R为永磁同步电机电阻，T_f为转矩测量的滞后时间常数。

图3中的部分与K_T部分共同构成了永磁同步电机的数学模型，具体的，经处理得到的实时交轴电流i_q与系数K_T相乘后得到永磁同步电机实时转矩T_e，i_q的大小可通过电流传感器测量以及计算得到。

分析图3可知，由i_{q_set}到i_q的闭环传递函数(即交轴电流内环的传递函数)同样为(可参见式(4)的推导过程)，令则可简化为

由T_set到T_e的开环传递函数为

基于式(5)，可得到由T_set到T_e的闭环传递函数(即发电机转矩外环的传递函数)

令则式(6)可简化为

由式(7)可知，在永磁同步电机转矩闭环控制系统中，永磁同步电机转矩的响应特性可以用二阶惯性环节描述，相较于永磁同步电机转矩开环系统系统，其永磁同步电机转矩达到稳态值的响应时间要更长，究其原因，主要是因为：在永磁同步电机转矩闭环控制系统中，i_{q_set}是通过发电机转矩PI调节器计算得到的，而且在计算T_e(T_e的计算可以是在根据逆变器输出电压、电流的采样值计算得到永磁同步电机的有功功率后，再根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为永磁同步电机的有功功率，ω为永磁同步电机的转速)时为满足计算精确度还要用到低通滤波器，因此相比永磁同步电机转矩开环控制系统，其永磁同步电机转矩响应速度会有所降低。举一个实例，当设置K_{i_T}＝0.1，K_T＝600，T_f＝0.02时，式(7)的阶跃响应如图4所示，系统响应时间长达0.25秒，不满足发电机转矩控制的响应速度要求。

3、本实施例的技术方案

由上述1-2部分的描述可知，发电机转矩开环控制可以满足动态响应速度要求、但不能满足转矩控制精度要求，而为提高转矩控制精度所设计的发电机转矩闭环控制又不能满足动态响应速度要求，因此这两种控制方案都不可取。但考虑到这两种控制方案优缺点正好互补，因此本实施例提出了如图2所示的发电机转矩控制方案，将发电机转矩开环控制系统和发电机转矩闭环控制系统叠加起来作为新的发电机控制方案，以同时满足动态响应速度要求和转矩控制精度要求。反映在发电机转矩控制方案系统方框图(仍以永磁同步电机为例)上，就是：在发电机转矩闭环控制系统的基础上，为其发电机转矩调节器并联发电机转矩开环控制系统中解算交轴电流给定值的环节，如图5所示。

在图5中，由于发电机转矩开环控制系统具有较快的动态响应速度，因此可以满足发电机转矩控制的动态响应速度要求，但由于所述第一交轴电流给定值是根据发电机转矩与交轴电流的对应关系直接解算得到的，解算结果受制造公差和环境因素影响存在一定误差，使得转矩控制精度不高；

发电机转矩闭环控制系统是以交轴电流作为内环、以发电机转矩作为外环的双闭环控制系统，发电机转矩外环中的发电机转矩调节器输出的交轴电流给定值(本实施例将其定义为第二交轴电流给定值)与发电机转矩开环控制系统直接解算得到的交轴电流给定值(本实施例将其定义为第一交轴电流给定值)相加作为交轴电流内环的给定值，其中所述第二交轴电流给定值用以补偿所述第一交轴电流给定值与交轴电流反馈值之间的偏差，从而达到了尽量消除发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值之间的偏差的目的，提高了发电机转矩控制精度。

此外，参见图6，本发明实施例还公开了一种发电机转矩控制系统，以实现在不影响发电机转矩控制系统动态响应速度的前提下，提高发电机转矩控制精度，包括：

计算单元100，用于根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

转矩外环控制单元200，用于将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

交轴电流内环控制单元300，用于将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

输出控制单元400，用于向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机开环单元100，用于利用交轴电流解算公式将发电机转矩给定值T_set解算为第一交轴电流给定值

其中，所述交轴电流调节器为交轴电流PI调节器。

其中，所述发电机转矩调节器为发电机转矩PI调节器。

其中，所述发电机的转矩是在计算得到所述发电机的有功功率后，根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为所述发电机的有功功率，T为所述发电机的转矩，ω为所述发电机的转速。

其中，当所述发电机为永磁同步电机时，计算单元100具体根据公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度；T_set为发电机转矩给定值，i_{q_set}为交轴电流给定值。

参见图7，本发明实施例还公开了一种发电机转矩控制系统，本实施例为图6所示所示实施例的细化，其中，转矩外环控制单元包括：发电机功率计算模块、发电机转矩计算模块、第一积分调节模块及第一比例调节模块。其中，发电机转矩PI调节器包括第一积分调节模块及第一比例调节模块。该发电机功率计算模块可以根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为发电机有功功率，T为发电机实时转矩，ω为所述发电机的转速。交轴电流PI调节器包括第二积分调节模块及第二比例调节模块。

综上所述，本发明通过将发电机转矩开环控制与发电机转矩闭环控制叠加起来作为新的发电机转矩控制方案，使其既具备发电机转矩开环控制系统动态响应速度快的优点，又具备发电机转矩闭环控制系统控制精度高的优点，从而解决了现有技术存在的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种发电机转矩控制方法，其特征在于，包括：

根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机。

2.根据权利要求1所述的发电机转矩控制方法，其特征在于，所述交轴电流调节器为交轴电流PI调节器，并且/或者，所述发电机转矩调节器为发电机转矩PI调节器。

3.根据权利要求1或2所述的发电机转矩控制方法，其特征在于，在所述将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入之前还包括：

根据反馈传递函数和发电机实时转矩计算得到发电机转矩反馈值，其中，所述反馈传递函数为其中，T_f为转矩测量的滞后时间常数，S为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求3所述的发电机转矩控制方法，其特征在于，所述交轴电流反馈值为所述发电机输出端的交轴电流值。

5.根据权利要求3所述的发电机转矩控制方法，其特征在于，所述发电机实时转矩根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为发电机有功功率，T为发电机实时转矩，ω为所述发电机的转速。

6.根据权利要求1所述的发电机转矩控制方法，其特征在于，当所述发电机为永磁同步电机时，所述根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值，包括：

根据公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度；T_set为发电机转矩给定值，i_{q_set}为交轴电流给定值。

7.一种发电机转矩控制系统，其特征在于，包括：

计算单元，用于根据发电机转矩与交轴电流的对应关系，将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

转矩外环控制单元，用于将所述发电机转矩给定值与发电机转矩反馈值的差值作为发电机转矩调节器的输入，经所述发电机转矩调节器输出第二交轴电流给定值；

交轴电流内环单元，用于将所述第一、第二交轴电流给定值的总和与交轴电流反馈值的差值作为交轴电流调节器的输入，经所述交轴电流调节器输出发电机电压给定值；

输出控制单元，用于向逆变器输入所述发电机电压给定值以控制发电机。

8.根据权利要求7所述的发电机转矩控制系统，其特征在于，所述交轴电流调节器为交轴电流PI调节器；并且/或者，所述发电机转矩调节器为发电机转矩PI调节器。

9.根据权利要求8所述的发电机转矩控制系统，其特征在于，所述发电机实时转矩根据公式P＝T_e*ω计算得到，式中：P为发电机有功功率，T为发电机实时转矩，ω为所述发电机的转速。

10.根据权利要求7所述的发电机转矩控制系统，其特征在于，当所述发电机为永磁同步电机时，所述计算单元具体根据公式i_{q_set}＝T_set/(1.5*p*φ_f)将发电机转矩给定值解算为第一交轴电流给定值；

式中，p为永磁同步电机的极对数，φ_f为永磁同步电机磁钢的磁场强度；T_set为发电机转矩给定值，i_{q_set}为交轴电流给定值。