CN108258957A - 永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法 - Google Patents

永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，标定获得电机最大转矩‑转速特性曲线三维表格：标定获得最大转矩电流比曲线上的工作点，标定获得切换转矩‑转速特性曲线三维表格：获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩；获得此状态下的目标输出转矩；根据上述所得转速‑转矩‑电流表格查表，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，在全转速范围内对永磁同步电机实现高效弱磁控制的控制策略，该策略能够简化永磁同步电机的标定控制，同时在全转速范围内确定电机的最优工作状态，极大地减少电机铜损，具有控制精度高，转矩响应迅速，控制效率高，实现简单，通用性强等优势。

Description

永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机的控制方法，具体的说，是涉及一种永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法。
背景技术
近年来，全球范围内汽车保有量不断增加，引发了包括能源短缺、环境污染在内的一系列严峻问题。在此背景下，以电动机作为单独或部分驱动源的各类新能源汽车凭借其节能环保高效的独特优越性在世界范围内受到了广泛的关注。其中，受益于稀土永磁材料技术的快速发展，具有高功率密度、高可靠性、宽调速范围的永磁同步电机(PMSM)已逐渐取代交流异步电机成为车用电机的主流。
目前最为成熟的PMSM控制方法是将电机定子电流的直轴分量控制为0，使得电机输出转矩与交轴电流成正比，从而获得以转矩为控制目标的控制方法。
然而上述方法没有利用PMSM潜在的磁阻转矩，在电机逆变器容量有限的条件下电机的高速性能会受到极大的影响。为了有效地拓展PMSM的转速范围，国内外研究人员提出了一系列PMSM的弱磁控制策略，包括最大转矩电流比控制(Maximum Torque per Ampere,MTPA)、最大转矩电压比控制(Maximum Torque per Voltage,MTPV)、最大输出功率控制、恒定磁链控制、直接转矩控制等等，以及一系列相应的控制算法，例如查表法、梯度下降法、负直轴电流补偿法等等。
由于早期PMSM多用于压缩机、机床等以转速为控制目标的工业机械中，绝大多数的弱磁策略及方法都以最快的转速响应为目标，在电机接近目标转速之前使其输出当前转速下的最大转矩，之后再通过转速环控制交轴电流的值将电机转速稳定下来。
但对于车辆行驶工况而言，驾驶员通过加速踏板下达的直接指令是转矩控制指令，以转速为控制目标的方法不再适用，且随着道路状况的变化，车用电机需要的转速及转矩是时刻变化的，使用以转速为控制目标的控制方法甚至会因实际输出转矩大于预期输出转矩而造成危险。
举例说明，大部分弱磁控制策略控制电机转速只有在基速以下时理想工作点才在MTPA曲线上，而车辆实际行驶工况中，即使电机转速在基速之上，理想工作点也可能在MTPA曲线上(如车辆下缓坡加速)。为解决转矩控制问题，国内多数厂家通过对电机map图进行全面而复杂的标定，在基速以下采用定子电流直轴分量为0，基速以上利用标定数据查表获得弱磁工作点的方法。
尽管这一方法具有较高的可靠性，但其基速以下未能发挥电机及控制器的最大输出潜力，且整个标定过程过于复杂，无法对每一台电机进行标定，从而导致由于参数不确定性引起电机在全速度范围内都未能在最高效率状态下工作。因此，需要一种能够在全转速范围内实现高效弱磁控制的方法，且该方法不依赖大量复杂的标定程序并能够方便地在单片机程序上进行实现。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种能够在全转速范围内对永磁同步电机实现高效弱磁控制的控制策略，该策略能够简化永磁同步电机的标定控制，同时在全转速范围内确定电机的最优工作状态，极大地减少电机铜损，具有控制精度高，转矩响应迅速，控制效率高的永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，标定获得电机最大转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(Tmax)-电流(id,Tmax)；
标定获得最大转矩电流比曲线(MTPA)上的工作点，在此基础上标定获得切换转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(TP)-电流(id,Tp)；
获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩；
获得此状态下的目标输出转矩；
根据上述所得转速-转矩-电流表格查表，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
采用传统电机标定方法获得电机最大转矩-转速特性曲线(即电机的外特性曲线)，Tmax-n及相对应的Id和Iq的值。
采用基于电流幅值限制的标定方法，获得最大转矩电流比曲线(MTPA)及相对应的Id和Iq的值。
标定出能够使电机工作在MTPA工作点的最高转速，从而获得一条新的转矩-转速特性曲线，定义为切换转矩特性曲线，TP-n及相对应的Id和Iq的值。
将最大转矩-转速特性曲线和切换转矩特性曲线对应的Id和Iq值做成表格。
根据电机转速传感器的反馈信息查表，分别获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩。
用油门踏板输入的百分比与最大转矩值相乘，获得此状态下的目标输出转矩，并将目标输出转矩与切换转矩进行比较；
当目标输出转矩小于切换转矩，根据MTPA曲线查表(与切换转矩为同一表格)，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
当目标输出转矩大于切换转矩，根据外特性曲线和MTPA曲线查表，利用线性插值方式，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
所述Id及Iq分别为永磁同步电机的直轴励磁电流和交轴励磁电流，转矩公式为：
Te＝1.5pniq(ψf-βLdid)
其中，pn为电机的极对数，ψf为一相定子绕组中永磁磁链的幅值，ρ为电机的凸极率，β＝ρ-1。
获得的最优弱磁工作电流指在当前转速下为输出目标转矩所需的幅值最小的工作电流。从而能够保证电机铜损最小。
当目标输出转矩大于切换转矩时，为获得的最优弱磁工作电流，所使用的插值计算方法如下：
其中，Tp和id,Tp为切换转矩及其对应直轴励磁电流，Tmax和id,Tmax为最大转矩及其对应直轴励磁电流。
交轴电流可根据直轴励磁电流由电压限制直接获得。
对已经获得的最优弱磁工作电流分别施加PI控制，获得可供SVPWM使用的电压值。
由线性插值方法进行励磁电流计算，最终的转矩误差在全转速范围内最大不超过6％，但同时带来的标定和计算上的简便性是非常显著的。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，在全转速范围内对永磁同步电机实现高效弱磁控制的控制策略，该策略能够简化永磁同步电机的标定控制，同时在全转速范围内确定电机的最优工作状态，极大地减少电机铜损，具有控制精度高，转矩响应迅速，控制效率高，实现简单，通用性强等优势。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，全转速范围内的弱磁控制能够在任意时刻最大程度地利用电机及其控制器的输出潜力，有助于增大电机及其控制器的比功率，帮助新能源汽车实现轻量化。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，最优弱磁工作电流的计算能够保证电机在当前工作条件下的定子电流幅值最小，即电机铜损最小，极大地提高了电机全转速范围内的工作效率。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，将原来需要覆盖整个工作区域的map图标定简化为两条特性曲线的标定，大大减小了电机标定所需的人力即时间成本，同时控制逻辑十分利于程序实现，极大地减小了程序的运算量，从而提高了控制算法的响应速度。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，整个标定及目标励磁电流的产生过程不需要任何电机的特性参数，使得控制策略具有较高的鲁棒性和通用性。
附图说明
图1是本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法的整个控制策略的逻辑流程图。
由逻辑流程图给出一个详细且完整的永磁同步电机的控制过程：首先，电机控制器接到转速与目标输出转矩信号。控制算法根据转速与目标转矩进行查表得到当前的最优弱磁工作点，即此刻的Id和Iq。Id和Iq通过PI控制器以及反Park变换获得可供SVPWM使用的电压值。SVPWM随即产生六路信号控制三相逆变器中核心部件IGBT的开关，进而产生三相电压驱动永磁同步电机。电流传感器测得此刻电机实际输出的三相电流，通过坐标变换后返回前文所述的PI控制器中，实现了永磁同步电机的闭环控制。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：
附图1可知，一种永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，标定获得电机最大转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(Tmax)-电流(id,Tmax)；
标定获得最大转矩电流比曲线(MTPA)上的工作点，在此基础上标定获得切换转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(TP)-电流(id,Tp)；
获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩；
获得此状态下的目标输出转矩；
根据上述所得转速-转矩-电流表格查表，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
采用传统电机标定方法获得电机最大转矩-转速特性曲线(即电机的外特性曲线)，Tmax-n及相对应的Id和Iq的值。
采用基于电流幅值限制的标定方法，获得最大转矩电流比曲线(MTPA)及相对应的Id和Iq的值。
标定出能够使电机工作在MTPA工作点的最高转速，从而获得一条新的转矩-转速特性曲线，定义为切换转矩特性曲线，TP-n及相对应的Id和Iq的值。
将最大转矩-转速特性曲线和切换转矩特性曲线对应的Id和Iq值做成表格。
根据电机转速传感器的反馈信息查表，分别获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩。
用油门踏板输入的百分比与最大转矩值相乘，获得此状态下的目标输出转矩，并将目标输出转矩与切换转矩进行比较；
当目标输出转矩小于切换转矩，根据MTPA曲线查表(与切换转矩为同一表格)，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
当目标输出转矩大于切换转矩，根据外特性曲线和MTPA曲线查表，利用线性插值方式，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
所述Id及Iq分别为永磁同步电机的直轴励磁电流和交轴励磁电流，转矩公式为：
Te＝1.5pniq(ψf-βLdid)
其中，pn为电机的极对数，ψf为一相定子绕组中永磁磁链的幅值，ρ为电机的凸极率，β＝ρ-1。
获得的最优弱磁工作电流指在当前转速下为输出目标转矩所需的幅值最小的工作电流。从而能够保证电机铜损最小。
当目标输出转矩大于切换转矩时，为获得的最优弱磁工作电流，所使用的插值计算方法如下：
其中，Tp和id,Tp为切换转矩及其对应直轴励磁电流，Tmax和id,Tmax为最大转矩及其对应直轴励磁电流。
交轴电流可根据直轴励磁电流由电压限制直接获得。
对已经获得的最优弱磁工作电流分别施加PI控制，获得可供SVPWM使用的电压值。
由线性插值方法进行励磁电流计算，最终的转矩误差在全转速范围内最大不超过6％，但同时带来的标定和计算上的简便性是非常显著的。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，在全转速范围内对永磁同步电机实现高效弱磁控制的控制策略，该策略能够简化永磁同步电机的标定控制，同时在全转速范围内确定电机的最优工作状态，极大地减少电机铜损，具有控制精度高，转矩响应迅速，控制效率高，实现简单，通用性强等优势。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，全转速范围内的弱磁控制能够在任意时刻最大程度地利用电机及其控制器的输出潜力，有助于增大电机及其控制器的比功率，帮助新能源汽车实现轻量化。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，最优弱磁工作电流的计算能够保证电机在当前工作条件下的定子电流幅值最小，即电机铜损最小，极大地提高了电机全转速范围内的工作效率。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，将原来需要覆盖整个工作区域的map图标定简化为两条特性曲线的标定，大大减小了电机标定所需的人力即时间成本，同时控制逻辑十分利于程序实现，极大地减小了程序的运算量，从而提高了控制算法的响应速度。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，整个标定及目标励磁电流的产生过程不需要任何电机的特性参数，使得控制策略具有较高的鲁棒性和通用性。
本发明永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法具体实施步骤如下：
(1)首先采用传统电机标定方法获得电机最大转矩-转速特性及相对应的Id和Iq的值。
(2)随后对Tp进行标定：设定电流Is≤Ilim(Ilim是定子电流的限值)和夹角θ(θ是Is与iq的夹角且0°≤θ≤45°)。在设定好Is和θ后，读取当前夹角下电机的输出转矩Tθ。在0°到45°范围内足够细分得到多组θ值并记录对应的Tθ。找出所有Tθ中的最大值Tθ_max，记录此时电机对应的d、q轴电流：id＝Is·sinθ，iq＝Is·cosθ。在此基础上，标定出能够使电机工作在该点的最高转速并记录。在(0,Ilim]区间内选取多组Is，并重复上述过程，从而获得一组新的转矩-转速特性，定义为切换转矩特性，TP-n。
(3)将以上两组特性及其对应的Id和Iq值做成表格待查。
(4)根据电机转速传感器的反馈信息查表，分别获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩。
(5)用油门踏板输入的百分比与最大转矩值相乘，获得此状态下的目标输出转矩，并将目标输出转矩与切换转矩进行比较。
(6)当目标输出转矩小于切换转矩，根据MTPA曲线查表(与切换转矩为同一表格)，获得当前状态下的最优弱磁工作电流；当目标输出转矩大于切换转矩，根据外特性曲线和MTPA曲线查表，利用线性插值方式，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
(7)进一步地，对已经获得的最优弱磁工作电流分别施加PI控制，具体流程为：将已获得的最优弱磁工作点电流与实际测得的电流进行作差，得到的差值进入PI控制器即可获得可供SVPWM使用的电压值。流程如图1所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于，
标定获得电机最大转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(Tmax)-电流(id,Tmax)；
标定获得最大转矩电流比曲线(MTPA)上的工作点，在此基础上标定获得切换转矩-转速特性曲线三维表格：转速(n)-转矩(TP)-电流(id,Tp)；
获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩；
获得此状态下的目标输出转矩；
根据上述所得转速-转矩-电流表格查表，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
2.根据权利要求1所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：采用传统电机标定方法获得电机最大转矩-转速特性曲线，Tmax-n及相对应的Id和Iq的值。
3.根据权利要求2所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：采用基于电流幅值限制的标定方法，获得最大转矩电流比曲线(MTPA)及相对应的Id和Iq的值。
4.根据权利要求3所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：标定出能够使电机工作在工作点的最高转速，从而获得一条新的转矩-转速特性曲线，定义为切换转矩特性曲线，TP-n及相对应的Id和Iq的值。
5.根据权利要求4所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：将最大转矩-转速特性曲线和切换转矩特性曲线对应的Id和Iq值做成表格。
6.根据权利要求5所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：根据电机转速传感器的反馈信息查表，分别获得当前转速下能输出的最大转矩和切换转矩。
7.根据权利要求6所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：用油门踏板输入的百分比与最大转矩值相乘，获得此状态下的目标输出转矩，并将目标输出转矩与切换转矩进行比较。
8.根据权利要求7所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：当目标输出转矩小于切换转矩，根据MTPA曲线查表，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
9.根据权利要求8所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：当目标输出转矩大于切换转矩，根据外特性曲线和MTPA曲线查表，利用线性插值方式，获得当前状态下的最优弱磁工作电流。
10.根据权利要求9所述永磁同步电机的全转速范围弱磁控制方法，其特征在于：所述Id及Iq分别为永磁同步电机的直轴励磁电流和交轴励磁电流，转矩公式为：
Te＝1.5pniq(ψf-βLdid)
其中，pn为电机的极对数，ψf为一相定子绕组中永磁磁链的幅值，ρ为电机的凸极率，β＝ρ-1。
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