CN108377115B - 内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，通过分析传统公式法从基速区切换到弱磁区时，存在较大的转速和转矩波动的原因，添加一个弱磁控制调整因子k；将编码器转速反馈值n、MTPA与FW控制下d轴电流差为输入，利用Mamdani型模糊控制器对k实现在线调整；当转速超过设定弱磁切换转速时采用上述方法实现平滑切换。本发明有效的提升了从基速区到弱磁区切换时转速和转矩的平滑性，同时保证切换后系统的稳定性。

Description

内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机控制方法。特别是涉及一种内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车中驱动电机的研究不断深入，内置式永磁同步电动机(Interior permanent magnet synchronous machine,IPMSM)由于具有高功率密度的优点，同时转矩密度高、可靠性高和效率高，被广泛关注。它具有简单的结构、较小的体积和较小的损耗；且尽可能宽广的弱磁调速范围对电动汽车驱动有特别重要的意义，能够在系统输出最大功率不变的条件下提高电动汽车的起动加速能力及低速爬坡能力，降低逆变器的容量。

内置式永磁同步电动机使用传统的矢量控制方法；当电机运转于基速区时，通常采用最大转矩电流比(Maximum torque per ampere,MTPA)控制策略；当转速超过基速达到弱磁(Flux-weakening,FW)区时，通常采用公式法和负直轴电流补偿法。二者被应用到弱磁控制中，来产生去磁电流进而改变直轴电流的给定值，从而实现基速以上的弱磁控制。相比公式法，电压反馈法原理具有简单、易于实现，并且不依赖于参数的优点；但其动态性能差，不满足电动汽车对动态性能的要求。公式法使用电机的数学模型具有快速的动态响应和稳态跟踪性能，但从MTPA控制到FW控制由于二者计算的直轴电流存在偏差，因此在切换时存在较大的转速和转矩波动，不同负载情况对应的波动仍不尽相同；而且弱磁控制的切换点的选择也是一个重要问题，若选择较小会使动态响应变差，若选择较大会使电机运行超出其运行能力范围之内，达不到弱磁控制的效果，甚至导致系统失控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提升弱磁控制切换时转速和转矩的控制性能，保证切换后系统稳定性的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对转速、电压和电流物理量进行采样，具体包括：电机转速反馈值n，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A、i_B和i_C，直流母线电压u_dc，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d、i_q；

2)由转速给定值和转速反馈值，经过比例积分控制器得到q轴电流的参考值i_q ^*；内置式永磁同步电机运行在基速时，采用最大转矩电流比控制策略中的公式法计算出基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*；

3)将转速反馈值与基速区到弱磁区的切换转速进行比较，若转速反馈值小于基速区到弱磁区的切换转速，则不进行切换，采用所述的基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*获取基速区d轴电压；若转速反馈值大于基速区到弱磁区的切换转速，则切换到弱磁控制，引入弱磁调整因子k采用简化的弱磁控制模型，计算出弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*获取弱磁区d轴电压；

4)将转速反馈值、基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}作为模糊控制器输入，使用Mamdani型模糊控制器，经过模糊化、模糊推理、解模糊和清晰化得到弱磁调整因子k值，等待下一控制周期作用到简化的弱磁控制模型中；

5)根据d轴电流的参考值和q轴电流的参考值，与通过电流传感器检测到ABC三相电流求解得到的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q，经过比例积分控制器，加上限幅后分别得到d轴和q轴的电压值u_d、u_q；

6)采用电压空间矢量调制策略，在当前周期根d轴和q轴的电压值u_d、u_q和转子位置角θ，计算两电平电压源型逆变器六路PWM脉冲的占空比，然后输出六路PWM脉冲作用于逆变器，进而将对应的d轴和q轴的电压值u_d、u_q作用于电机，返回步骤1)继续运行。

步骤3)所述的基速区到弱磁区的切换转速由下式表示：

式中，ω_ch为基速区到弱磁区的切换转速，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，C＝-ψ_f+(ψ_f ²+8(L_d-L_q)²I_smax ²)^0.5，p为电机的极对数，I_smax为系统允许通过的最大电流，U_smax为系统能够输出的最大电压。

设定k的取值大于1，由此步骤3)所述的简化的弱磁控制模型为：

式中，i_d.FW ^*为弱磁区d轴电流的参考值，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，i_q ^*为q轴电流参考给定值，ω_e为电角速度，k为弱磁调整因子，U_smax为系统能够输出的最大电压。

步骤4)中所述的模糊化包括：转速反馈值n的隶属度函数表达式如下：

式中，M_n(x)是转速反馈值n对应的输入隶属度函数；

基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}的隶属度函数表达式如下：

式中，电流差值i_{d_error}分为七个等级，ZS_error(y)、S_error(y)、MS_error(y)是电流差值i_{d_error}为最小、小和中小时对应的输入隶属度函数，M_error(y)是电流差值i_{d_error}为中时所对应的输入隶属度函数，MB_error(y)、B_error(y)、ZB_error(y)是电流差值i_{d_error}为中大、大和最大时对应的输入隶属度函数。

步骤4)中所述的模糊推理使用的模糊规则为：

(1)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为ZS时；弱磁调整因子k为ZH；

(2)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为S时；弱磁调整因子k为H；

(3)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为MS时；弱磁调整因子k为MH；

(4)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为M时；弱磁调整因子k为M；

(5)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为MB时；弱磁调整因子k为ML；

(6)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为B时；弱磁调整因子k为L；

(7)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为ZB时；弱磁调整因子k为ZL；

步骤4)中所述的解模糊是采用重心法对模糊控制器的输出解模糊。

步骤4)中所述的清晰化是指弱磁调整因子k的隶属度函数，表达式如下：

式中，弱磁调整因子k分为七个等级，ZL_k(z)、L_k(z)、ML_k(z)是弱磁调整因子k为最低、低、中低时对应的输出隶属度函数，M_k(z)是弱磁调整因子k为中时对应的输出隶属度函数，MH_k(z)、H_k(z)、ZH_k(z)是弱磁调整因子k为中高、高、最高时对应的输出隶属度函数。

本发明的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，是对内置式永磁同步电动机基于传统矢量控制使用公式法实现基速控制和弱磁控制的切换方法进行改进。通过计算出基速区到弱磁区的切换转速，并在弱磁控制计算d轴电流时，引入一个弱磁调整因子k，利用Mamdani型模糊控制器在线调整；当转速超过切换转速时采用本发明的方法实现平滑切换。

本发明的方法是在分析MTPA运行轨迹与电压极限椭圆交点的基础上提出的，保证系统切换稳定性的前提下，解决了内置式永磁同步电机从基速区到弱磁区的切换波动，该方法不受电机参数变化和系统外界的影响，具有较强的鲁棒性，所以在切换时能实现转速和转矩的平滑切换，对电动汽车驱动系统从低速到高速区的平稳运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明方法的控制系统结构图；

图2是本发明所使用内置式永磁同步电机电压电流极限约束图；

图3是本发明使用的模糊控制的原理图；

图4是本发明所提出转速反馈值输入隶属度函数图；

图5是本发明所提出d轴电流参考值的差值输入隶属度函数图；

图6是本发明所提出弱磁调整因子输出隶属度函数图；

图7是本发明内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法做出详细说明。

本发明的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，通过选择合适的切换转速，并对弱磁控制中计算的直轴电流公式分析，添加一个弱磁调整因子k；将编码器反馈转速n、MTPA与FW计算出的d轴电流差为输入，利用Mamdani型模糊控制器对弱磁调整因子k实现在线调整，当转速超过设定弱磁切换转速时采用上述方法实现平滑切换。该方法有效地提升了弱磁控制切换时转速和转矩的平滑性，同时保证切换后系统的稳定性。

本发明的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法的控制系统框图如图1所示，PI表示比例积分控制器，电机转速n和位置信息θ由增量式编码器获得，i_d、i_q是通过电流传感器检测到实际值再经3/2变化得到d、q轴的电流反馈值。内置式永磁同步电机电压电流极限约束图如图2所示，在d、q轴坐标系下绘出的电流极限圆和电压极限椭圆；其中T₁、T₂、T₃对应三个不同的转矩，ω₁、ω₂、ω₃对应三个不同转速下的电压极限椭圆。

如图7所示，本发明的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对转速、电压和电流物理量进行采样，具体包括：电机转速反馈值n，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A、i_B和i_C，直流母线电压u_dc，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d、i_q；

2)由转速给定值和转速反馈值，经过比例积分(PI)控制器得到q轴电流的参考值i_q ^*；内置式永磁同步电机运行在基速时，采用最大转矩电流比(MTPA)控制策略中的公式法计算出基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*；

内置式永磁同步电机运行于基速区时，采用最大转矩电流比控制策略，其d轴电流的参考值可由下式得出：

式中，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，i_q ^*为q轴电流参考给定值；

3)将转速反馈值与基速区到弱磁区的切换转速进行比较，若转速反馈值小于基速区到弱磁区的切换转速，则不进行切换，采用所述的基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*获取基速区d轴电压；若转速反馈值大于基速区到弱磁区的切换转速，则切换到弱磁(FW)控制，引入弱磁调整因子k采用简化的弱磁控制模型，计算出弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*获取弱磁区d轴电压；

内置式永磁同步电机在MTPA控制运行下，最大转速与系统能够输出的最大电压U_smax、系统允许通过的最大电流I_smax有关。由于逆变器电压损耗、开关器件IGBT死区保护和SVPWM在不采用过调制等因素，最大电压U_smax较实际给定电压值偏小；I_smax受到电机电流和逆变器允许流过的最大电流限制，因此，所述的基速区到弱磁区的切换转速由下式表示：

式中，ω_ch为基速区到弱磁区的切换转速，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，C＝-ψ_f+(ψ_f ²+8(L_d-L_q)²I_smax ²)^0.5，p为电机的极对数，I_smax为系统允许通过的最大电流，U_smax为系统能够输出的最大电压。

内置式永磁同步电机在弱磁区时，未简化的弱磁控制采用公式法计算出的d轴电流参考值的数学模型，如下所示：

式中，i_d.FW ^*为弱磁区d轴电流的参考值，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，R_s为定子电阻，i_q ^*为q轴电流参考给定值，ω_e为电角速度，k为弱磁调整因子，U_smax为系统能够输出的最大电压，I_smax为系统允许通过的最大电流。

考虑到使用FW公式计算弱磁电流时，定子电阻压降R_sI_smax这一项值较小，且随着转速的升高，分母项ω_e越大，因此忽略R_sI_smax/ω_e这一项；并在分母上引入弱磁调整因子k，通过在线调整k实现基速区与弱磁区的平滑切换，实质上是改变电压极限椭圆的大小来实现的。内置式永磁同步电机(IPMSM)运行时d轴电流的参考值小于0，弱磁输出电流的上限为0。为保证切换的稳定性，所选择的基速区到弱磁区的切换转速偏小；因此，k的取值大于1，由此所述的简化的弱磁控制模型为：

式中，i_d.FW ^*为弱磁区d轴电流的参考值，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，i_q ^*为q轴电流参考给定值，ω_e为电角速度，k为弱磁调整因子，U_smax为系统能够输出的最大电压。

4)将转速反馈值、基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}作为模糊控制器输入，使用Mamdani型模糊控制器，经过模糊化、模糊推理、解模糊和清晰化得到弱磁调整因子k值，等待下一控制周期作用到简化的弱磁控制模型中；其中

(一)所述的模糊化包括：

转速反馈值n(标幺值)的隶属度函数表达式如下：

式中，M_n(x)是转速反馈值n对应的输入隶属度函数；

基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}(标幺值)的隶属度函数表达式如下：

式中，电流差值i_{d_error}分为七个等级，ZS_error(y)、S_error(y)、MS_error(y)是电流差值i_{d_error}为最小、小和中小时对应的输入隶属度函数，M_error(y)是电流差值i_{d_error}为中时所对应的输入隶属度函数，MB_error(y)、B_error(y)、ZB_error(y)是电流差值i_{d_error}为中大、大和最大时对应的输入隶属度函数。

(二)所述的模糊推理使用的模糊规则为：

(1)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为ZS时；弱磁调整因子k为ZH；

(2)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为S时；弱磁调整因子k为H；

(3)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为MS时；弱磁调整因子k为MH；

(4)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为M时；弱磁调整因子k为M；

(5)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为MB时；弱磁调整因子k为ML；

(6)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为B时；弱磁调整因子k为L；

(7)如果转速反馈值满足模糊控制器转速输入，且电流差值为ZB时；弱磁调整因子k为ZL；

(三)所述的解模糊是采用重心法对模糊控制器的输出解模糊。

(四)所述的清晰化是指弱磁调整因子k的隶属度函数，表达式如下：

式中，弱磁调整因子k分为七个等级，ZL_k(z)、L_k(z)、ML_k(z)是弱磁调整因子k为最低、低、中低时对应的输出隶属度函数，M_k(z)是弱磁调整因子k为中时对应的输出隶属度函数，MH_k(z)、H_k(z)、ZH_k(z)是弱磁调整因子k为中高、高、最高时对应的输出隶属度函数。

5)根据d轴电流的参考值和q轴电流的参考值，与通过电流传感器检测到ABC三相电流求解得到的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q，经过比例积分(PI)控制器，加上限幅后分别得到d轴和q轴的电压值u_d、u_q；

6)采用电压空间矢量调制(SVPWM)策略，在当前周期根据d轴和q轴的电压值u_d、u_q和转子位置角θ，计算两电平电压源型逆变器六路PWM脉冲的占空比，然后输出六路PWM脉冲作用于逆变器，进而将对应的d轴和q轴的电压值u_d、u_q作用于电机，返回步骤1)继续运行。

Claims (2)

1.一种内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在当前控制周期，由控制系统对转速、电压和电流物理量进行采样，具体包括：电机转速反馈值n，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A、i_B和i_C，直流母线电压u_dc，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d、i_q；

2)由电机转速给定值和电机转速反馈值，经过比例积分控制器得到q轴电流的参考值i_q ^*；内置式永磁同步电机运行在基速时，采用最大转矩电流比控制策略中的公式法计算出基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*；

3)将电机转速反馈值与基速区到弱磁区的切换转速进行比较，若电机转速反馈值小于基速区到弱磁区的切换转速，则不进行切换，采用所述的基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*获取基速区d轴电压；若电机转速反馈值大于基速区到弱磁区的切换转速，则切换到弱磁控制，引入弱磁调整因子k采用简化的弱磁控制模型，计算出弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*获取弱磁区d轴电压；其中，

设定k的取值大于1，由此所述的简化的弱磁控制模型为：

式中，i_d.FW ^*为弱磁区d轴电流的参考值，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，i_q ^*为q轴电流参考给定值，ω_e为电角速度，k为弱磁调整因子，U_smax为系统能够输出的最大电压；

4)将电机转速反馈值、基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}作为模糊控制器输入，使用Mamdani型模糊控制器，经过模糊化、模糊推理、解模糊和清晰化得到弱磁调整因子k值，等待下一控制周期作用到简化的弱磁控制模型中；其中，

所述的模糊化包括：

电机转速反馈值n的隶属度函数表达式如下：

式中，M_n(x)是电机转速反馈值n对应的输入隶属度函数，x是电机转速反馈值除以电机额定转速得到的值；

基速区d轴电流的参考值i_d.MTPA ^*与弱磁区d轴电流的参考值i_d.FW ^*的差值i_{d_error}的隶属度函数表达式如下：

式中，电流差值i_{d_error}分为七个等级，ZS_error(y)、S_error(y)、MS_error(y)是电流差值i_{d_error}为最小、小和中小时对应的输入隶属度函数，M_error(y)是电流差值i_{d_error}为中时所对应的输入隶属度函数，MB_error(y)、B_error(y)、ZB_error(y)是电流差值i_{d_error}为中大、大和最大时对应的输入隶属度函数，y是电流差值i_{d_error}除以电机额定电流得到的值；

所述的清晰化是指弱磁调整因子k的隶属度函数，表达式如下：

式中，弱磁调整因子k分为七个等级，ZL_k(z)、L_k(z)、ML_k(z)是弱磁调整因子k为最低、低、中低时对应的输出隶属度函数，M_k(z)是弱磁调整因子k为中时对应的输出隶属度函数，MH_k(z)、H_k(z)、ZH_k(z)是弱磁调整因子k为中高、高、最高时对应的输出隶属度函数；

所述的模糊推理使用的模糊规则为：

(1)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式ZS_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式ZH_k(z)；

(2)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式S_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式H_k(z)；

(3)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式MS_error(y)时；弱磁调整因子k采用MH_k(z)；

(4)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式M_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式M_k(z)；

(5)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式MB_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式ML_k(z)；

(6)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式B_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式L_k(z)；

(7)如果电机转速反馈值n满足模糊控制器转速输入，且电流差值i_{d_error}采用公式ZB_error(y)时；弱磁调整因子k采用公式ZL_k(z)；

所述的解模糊是采用重心法对模糊控制器的输出解模糊；

5)根据d轴电流的参考值和q轴电流的参考值，与通过电流传感器检测到ABC三相电流求解得到的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q，经过比例积分控制器，加上限幅后分别得到d轴和q轴的电压值u_d、u_q；

6)采用电压空间矢量调制策略，在当前周期根据d轴和q轴的电压值u_d、u_q和转子位置角θ，计算两电平电压源型逆变器六路PWM脉冲的占空比，然后输出六路PWM脉冲作用于逆变器，进而将对应的d轴和q轴的电压值u_d、u_q作用于电机，返回步骤1)继续运行。

2.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机基速区与弱磁区的平滑切换控制方法，其特征在于，步骤3)所述的基速区到弱磁区的切换转速由下式表示：

式中，ω_ch为基速区到弱磁区的切换转速，L_d、L_q分别为定子d轴、q轴电感，ψ_f为转子磁链，C＝-ψ_f+(ψ_f ²+8(L_d-L_q)²I_smax ²)^0.5，p为电机的极对数，I_smax为系统允许通过的最大电流，U_smax为系统能够输出的最大电压。

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