CN108418485B - 一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，实现了混合励磁同步电机保持恒定功率损耗的快速稳定运行。通过比较给定功率损耗与实际功率损耗，结合恒功率损耗控制策略计算d轴参考电流i_dref、q轴参考电流i_qref、励磁参考电流i_fref；基于电压预测模型、参考电流及实际电流反馈值，进行模型预测控制，最终实现隐极式混合励磁同步电机恒功率损耗模型预测控制。本发明提出的控制方法充分发挥了电机与逆变器的输出能力；在宽速度范围内提高了最大输出转矩，拓宽了调速范围，提高了系统效率；动态响应快，转矩波动小，抗扰动能力与鲁棒性更强；且控制方法简单，容易实现，有利于实时环境应用。

Description

一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法

技术领域

本发明属于混合励磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法。

背景技术

为了解决永磁同步电机气隙磁通难以调节的问题，20世纪80年代末美国学者提出混合励磁同步电机的概念。混合励磁同步电机具有功率/转矩密度高，起动转矩大，低速大转矩，过载能力强，调速范围宽等特点，适合作为电动汽车电驱动系统用驱动电机。电动汽车电驱动系统对热稳定性、鲁棒性、快速性及效率等均有极高的要求，因此提高混合励磁同步电机驱动系统的热稳定性、鲁棒性、快速响应能力及效率对该类电机在电动汽车领域的应用非常重要。

混合励磁同步电机电枢磁场、永磁磁场与励磁磁场三者高度耦合，非线性程度高，解耦非常困难。在目前所公开的混合励磁同步电机矢量控制与直接转矩控制方法中，基速以下运行时没有充分发挥电机与逆变器的输出能力，基速以上运行时，功率损耗过多，且在多种复杂运行工况下，传统的线性PI控制器已很难保证驱动系统参数变化及负载扰动时混合励磁同步电机控制系统的鲁棒性和快速响应能力。

发明内容

本发明的目的是提出一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，解决了现有混合励磁同步电机控制技术中存在的低速区电机与逆变器输出能力低、高速区损耗大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种隐极式混合励磁同步电机恒功率损耗模型预测控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在当前k时刻从隐极式混合励磁电机主电路采集相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)和励磁电流i_f(k)，母线电压U_dc(k)和励磁电压U_f(k)，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后进行处理，检测电机准确初始位置，计算得到电机转子位置角θ_r和转速n；

步骤2：将步骤1得到的相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)经A/D转换后，采用Park变换得到k时刻两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)；

步骤3：将给定转速n^*与步骤1得到的转速n相比较，转速偏差经过比例积分控制器处理后得到给定转矩T_e ^*，将给定功率损耗P_loss ^*与初始估算功率损耗P_loss相比较，初始估算功率损耗P_loss为0，功率偏差经过比例积分控制器处理后输出最大转矩T_lim，若转矩需求高于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_lim，若转矩需求低于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_e ^*，根据T_eref和步骤1得到的转速n计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，将i_dref、i_qref、i_fref和步骤1得到的转速n得出估算功率损耗P_loss；

步骤4：根据步骤3得到的d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，步骤2得到的k时刻d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)，步骤1得到的励磁电流i_f(k)、转速n计算k时刻d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref；

步骤5：将步骤4得到的d轴参考电压u_dref和q轴参考电压u_qref进行旋转正交-静止两相变换后得到两相静止αβ坐标系下的电压信号u_α与u_β，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤4得到的励磁参考电压u_fref经过励磁脉宽调制模块输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

本发明的特点还在于：

步骤3估算功率损耗P_loss的具体步骤为：

隐极式混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，ψ_d、ψ_q、ψ_pm、ψ_f分别d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链；L_d、L_q、L_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d、i_q、i_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电流，ω_e为电角速度；u_d、u_q、u_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e为电磁转矩，p为电机极对数；

混合励磁同步电机总损耗P_loss表达式为：

其中，P_cu表示铜耗，P_Fe表示铁耗；

混合励磁同步电机可运行于低速区或高速区：

当混合励磁同步电机运行于低速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref；

根据式(3)与式(4)建立如下拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子，

上式(5)分别对i_d、i_q、i_f、λ求导，得

令得式(7)，根据式(7)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(7)代入式(4)中得到估算功率损耗P_loss；

当混合励磁同步电机运行于高速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

电机运行在高速区时，反电动势接近输入电压，采用弱磁控制方法提升转速，在弱磁过程中，保持反电动势基本不变，充分利用母线电压，保持电机高效运行，可得：

整理得，

其中，n_N为电机额定转速、n为电机转速，

根据式(3)、式(4)与式(9)建立如下拉格朗日函数，λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，

上式分别对i_d、i_q、i_f、λ₁、λ₂求导，得

令得式(12)，根据式(12)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(12)代入式(4)中得到估算功率损耗P_loss。

步骤4中计算d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref的具体步骤为：

混合励磁同步电机在d-q坐标系下的状态空间方程如下所示：

采用欧拉法离散化式(13)，得

其中，T_s是采样时间，i_d(k)是k时刻d轴电流预测值，i_q(k)是k时刻q轴电流预测值，i_f(k)是k时刻励磁电流预测值；

构造价值函数g：

g＝|i_dref(k+1)-i_d(k+1)|+|i_qref(k+1)-i_q(k+1)|+|i_fref(k+1)-i_f(k+1)| (15)

为使价值函数最小化，理想的情况为

其中，i_d(k+1)是k+1时刻d轴电流预测值，i_q(k+1)是k+1时刻q轴电流预测值，i_f(k+1)是k+1时刻励磁电流预测值，i_dref(k+1)是k+1时刻d轴参考电流预测值，i_qref(k+1)是k+1时刻q轴参考电流预测值，i_fref(k+1)是k+1时刻参考励磁电流预测值，

将式(14)代入式(16)得：

其中，u_d(k)、u_q(k)和u_f(k)分别代表k时刻d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref。

本发明的有益效果是，本发明的一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法将总损耗限制在允许的范围内，充分发挥电机与逆变器的输出能力，在保持电机热稳定性的同时，使电机在宽调速范围内输出最大转矩。在全速度运行范围，同样转速条件下，最大转矩有较大提高；同样负载条件下，调速范围更宽，且在整个运行区域，驱动系统都具有更强的鲁棒性、较快的动态响应、较高的效率，相对现有控制方法具有以下优点：

(1)充分发挥了电机与逆变器的输出能力；

(2)保持电机热稳定性的条件下，在宽转速范围内提高了最大输出转矩，拓宽了调速范围，过载能力强；

(3)在相同负载与转速条件下，驱动系统效率得到了有效提升。

(4)系统动态响应快，转矩波动小，抗扰动能力与鲁棒性更强；

(5)控制方法简单，容易实现，有利于实时环境应用；

该发明提出的控制方法使混合励磁同步电机更适合工作在低速大转矩、高效宽调速、操作灵活的变速驱动系统领域。

附图说明

图1是本发明一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法的流程图；

图2是本发明一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法所用模型的系统框图；

图3是一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法的系统框图如图2所示，该控制系统由交流电源、整流器、稳压电容、主功率变换器、励磁功率变换器、电流和电压传感器、混合励磁同步电机、光电编码器、DSP控制器等组成。

交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、励磁功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、励磁功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器；编码器采集转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与角速度。控制器输出6路开关信号驱动主功率变换器，经过励磁脉宽调制模块输出4路脉冲宽度信号驱动励磁功率变换器。

本发明一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，具体流程如图1所示，按照以下步骤实施：

步骤1：在当前k时刻从电机主电路采集相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)和励磁电流i_f(k)，母线电压U_dc(k)和励磁电压U_f(k)，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后送入控制器进行处理，检测电机准确初始位置，经过控制器计算得到电机转子位置角θ_r和转速n；

步骤2：将步骤1得到的相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)经A/D转换后，采用Park变换得到k时刻两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)；

步骤3：如图3所示，将给定转速n^*与步骤1得到的转速n相比较，转速偏差经过比例积分控制器处理后得到给定转矩T_e ^*，将给定功率损耗P_loss ^*与初始估算功率损耗P_loss相比较，初始估算功率损耗P_loss为0，功率偏差经过比例积分控制器处理后输出最大转矩T_lim，若转矩需求高于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_lim，若转矩需求低于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_e ^*，根据T_eref和步骤1得到的转速n计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，将i_dref、i_qref、i_fref和步骤1得到的转速n得出估算功率损耗P_loss；具体为：

隐极式混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，ψ_d、ψ_q、ψ_pm、ψ_f分别d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链；L_d、L_q、L_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d、i_q、i_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电流；ω_e为电角速度；u_d、u_q、u_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电压；R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e为电磁转矩；p为电机极对数；

混合励磁同步电机总损耗P_loss表达式为：

其中，P_cu表示铜耗，P_Fe表示铁耗。

混合励磁同步电机可运行于低速区或高速区：

混合励磁同步电机运行于低速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

根据式(3)与式(4)建立如下拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子。

上式分别对i_d、i_q、i_f、λ求导，得

令得式(7)，根据式(7)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref。

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(7)代入式(4)中得到估算功率损耗P_loss；

当混合励磁同步电机运行于高速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

电机运行在高速区时，反电动势接近输入电压，采用弱磁控制方法提升转速，在弱磁过程中，保持反电动势基本不变，充分利用母线电压，保持电机高效运行，可得：

整理得，

其中，n_N为电机额定转速、n为电机转速，

根据式(3)、式(4)与式(9)建立如下拉格朗日函数，λ₁和λ₂为拉格朗日乘子。

上式分别对i_d、i_q、i_f、λ₁、λ₂求导，得

令得式(12)，根据式(12)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref。

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(12)代入式(4)得到估算功率损耗P_loss。

步骤4：根据步骤3得到的d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，步骤2得到的k时刻d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)，步骤1得到的励磁电流i_f(k)、转速n计算k时刻d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref，具体为：

混合励磁同步电机在d-q坐标系下的状态空间方程如下所示：

采用欧拉法离散化式(13)，得

其中，T_s是采样时间，i_d(k)是k时刻d轴电流预测值，i_q(k)是k时刻q轴电流预测值，i_f(k)是k时刻励磁电流预测值；

构造价值函数g：

g＝|i_dref(k+1)-i_d(k+1)|+|i_qref(k+1)-i_q(k+1)|+|i_fref(k+1)-i_f(k+1)| (15)

为使价值函数最小化，理想的情况为

其中，i_d(k+1)是k+1时刻d轴电流预测值，i_q(k+1)是k+1时刻_q轴电流预测值，i_f(k+1)是k+1时刻励磁电流预测值，i_dref(k+1)是k+1时刻d轴参考电流预测值，i_qref(k+1)是k+1时刻q轴参考电流预测值，i_fref(k+1)是k+1时刻参考励磁电流预测值，

将式(14)代入式(16)得：

其中，u_d(k)、u_q(k)和u_f(k)分别代表d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref。

步骤5：将步骤4得到的d轴参考电压u_dref和q轴参考电压u_qref进行旋转正交-静止两相变换后得到两相静止αβ坐标系下的电压信号u_α与u_β，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤4得到的励磁参考电压u_fref经过励磁脉宽调制模块输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

现有混合励磁同步电机矢量控制与直接转矩控制方法中，存在低速区电机与逆变器输出能力低、高速区损耗大，控制系统鲁棒性差、动态响应慢、效率低、PI参数整定复杂等问题，且在直接转矩控制方法中转矩与磁链脉动较大。本发明的混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，将总损耗限制在允许的范围内，充分发挥电机与逆变器的输出能力，在保持电机热稳定性的同时，使电机在宽调速范围内输出最大转矩。在全速度运行范围，同样转速条件下，最大转矩有较大提高；同样负载条件下，调速范围更宽，且在整个运行区域，驱动系统都具有更强的鲁棒性、较快的动态响应、较高的效率。

该发明提出的控制方法使混合励磁同步电机更适合工作在低速大转矩、高效宽调速、操作灵活的变速驱动系统领域。

Claims (3)

1.一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在当前k时刻从隐极式混合励磁电机主电路采集相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)和励磁电流i_f(k)，母线电压U_dc(k)和励磁电压U_f(k)，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后进行处理，检测电机准确初始位置，计算得到电机转子位置角θ_r和转速n；

步骤2：将步骤1得到的相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)经A/D转换后，采用Park变换得到k时刻两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)；

步骤3：将给定转速n^*与步骤1得到的转速n相比较，转速偏差经过比例积分控制器处理后得到给定转矩T_e ^*，将给定功率损耗P_loss ^*与初始估算功率损耗P_loss相比较，初始估算功率损耗P_loss为0，功率偏差经过比例积分控制器处理后输出最大转矩T_lim，若转矩需求高于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_lim，若转矩需求低于T_lim，那么转矩参考值T_eref为T_e ^*，根据T_eref和步骤1得到的转速n计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，将i_dref、i_qref、i_fref和步骤1得到的转速n得出估算功率损耗P_loss；

步骤4：根据步骤3得到的d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，步骤2得到的k时刻d轴电流i_d(k)和q轴电流i_q(k)，步骤1得到的励磁电流i_f(k)、转速n计算k时刻d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref；

步骤5：将步骤4得到的d轴参考电压u_dref和q轴参考电压u_qref进行旋转正交-静止两相变换后得到两相静止αβ坐标系下的电压信号u_α与u_β，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤4得到的励磁参考电压u_fref经过励磁脉宽调制模块输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

2.根据权利要求1所述的一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤3估算功率损耗P_loss的具体步骤为：

隐极式混合励磁同步电机在dq参考坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，ψ_d、ψ_q、ψ_pm、ψ_f分别d轴、q轴、永磁与励磁绕组磁链；L_d、L_q、L_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d、i_q、i_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电流，ω_e为电角速度；u_d、u_q、u_f分别为d轴、q轴与励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e为电磁转矩，p为电机极对数；

混合励磁同步电机估算功率损耗P_loss表达式为：

其中，P_cu表示铜耗，P_Fe表示铁耗；

混合励磁同步电机可运行于低速区或高速区：

当混合励磁同步电机运行于低速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref；

根据式(3)与式(4)建立如下拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子，

上式(5)分别对i_d、i_q、i_f、λ求导，得

令得式(7)，根据式(7)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

式中，系数k₂、k₃、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

其中，

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(7)代入式(4)得到估算功率损耗P_loss；

当混合励磁同步电机运行于高速区，计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref

电机运行在高速区时，反电动势接近输入电压，采用弱磁控制方法提升转速，在弱磁过程中，保持反电动势基本不变，充分利用母线电压，保持电机高效运行，可得：

整理得，

其中，n_N为电机额定转速、n为电机转速，

根据式(3)、式(4)与式(9)建立如下拉格朗日函数，λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，

上式分别对i_d、i_q、i_f、λ₁、λ₂求导，得

令得式(12)，根据式(12)计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，

式中，系数k₂、k₃、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀分别由下列式子求得：

其中，

令i_d＝i_dref，i_q＝i_qref，i_f＝i_fref，把式(12)代入式(4)中得到估算功率损耗P_loss。

3.根据权利要求2所述的一种隐极式混合励磁电机恒功率损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤4中计算d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref的具体步骤为：

混合励磁同步电机在d-q坐标系下的状态空间方程如下所示：

采用欧拉法离散化式(13)，得

其中，T_s是采样时间，i_d(k)是k时刻d轴电流预测值，i_q(k)是k时刻q轴电流预测值，i_f(k)是k时刻励磁电流预测值；

构造价值函数g：

g＝|i_dref(k+1)-i_d(k+1)|+|i_qref(k+1)-i_q(k+1)|+|i_fref(k+1)-i_f(k+1)| (15)

为使价值函数最小化，理想的情况为

其中，i_d(k+1)是k+1时刻d轴电流预测值，i_q(k+1)是k+1时刻q轴电流预测值，i_f(k+1)是k+1时刻励磁电流预测值，i_dref(k+1)是k+1时刻d轴参考电流预测值，i_qref(k+1)是k+1时刻q轴参考电流预测值，i_fref(k+1)是k+1时刻参考励磁电流预测值，

将式(14)代入式(16)得：

其中，u_d(k)、u_q(k)和u_f(k)分别代表k时刻d轴参考电压u_dref、q轴参考电压u_qref和励磁参考电压u_fref。