CN108649851A - 一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括：根据定子线电压及定子电流计算定子磁链；根据定子电流及定子磁链计算参考转矩；根据同步旋转坐标系下的定子电流及差值电感计算可调转矩；根据参考转矩确定是否启动参数辨识算法；根据误差转矩实现最佳差值电感辨识；根据差值电感或最佳差值电感及定子电流计算励磁电流指令。因此，本发明实施例提供的控制方法，当差值电感与真实值存在偏差时，使得可调转矩与参考转矩存在偏差，利用比例积分调节器对该误差转矩进行闭环调节至两个转矩相等，即差值电感收敛到实际值，从而实现差值电感的在线辨识，进而将辨识得到的差值电感值用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制。

Description

一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

背景技术

为了应对能源危机，新能源技术得到蓬勃发展。风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，风力发电技术成为新能源技术的重中之重。凸极永磁同步电机因为高功率密度、高可靠性等优点而广泛应用于风力发电系统。相对于隐极永磁同步电机，凸极永磁同步电机可以通过利用磁阻转矩提高效率，而利用磁阻转矩的控制即为最大转矩电流比控制。最大转矩电流比控制通过采用最小的电流来输出所需要的转矩，从而可以大大减小电机的铜耗，达到提高电机运行效率的目标。

现有的最大转矩电流比控制方法主要包括三种，第一种方法是扰动法，通过扰动电流角度动态实现最大转矩电流比控制，但是该方法在稳态时存在脉动；第二种方法是信号注入法，这需要在电机里注入高频信号并提取高频响应信号，其实现过程较复杂且也存在稳态脉动。通常使用的是基于模型的最大转矩电流比控制方法，虽然基于模型的最大转矩电流比控制方法具有很好的稳态性能，但是该方法受参数的影响较严重。

发明内容

本发明实施例提供了一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，解决了现有技术中永磁同步电机最大转矩电流比控制方法受电机参数扰动的问题。

一方面，本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比的控制方法，包括：S1，采样计算单元根据永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及定子电流i_A、i_B、i_C，计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β及定子电流i_α、i_β；S2，定子磁链观测器根据所述定子电压u_α、u_β及所述定子电流i_α、i_β计算静止坐标系下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ；S3，转矩参考模型计算单元根据所述定子电流i_α、i_β及所述定子磁链ψ_sα、ψ_sβ计算参考转矩T_er：T_er＝n_p(ψ_sαi_β-ψ_sβi_α)，其中，n_p为所述永磁同步电机的极对数；S4，转矩可调模型计算单元根据所述定子电流i_α、i_β及编码器监测的所述永磁同步电机的转子位置角度θ_r，计算同步旋转坐标系下的定子电流i_sd及i_sq：并根据同步旋转坐标系下的定子电流i_sd及i_sq及差值电感ΔL计算可调转矩T_ea：T_ea＝n_p[ψ_f+ΔL·i_sd]i_sq，其中，ψ_f为所述永磁同步电机的永磁体磁链，ΔL＝L_d-L_q，L_d和L_q分别为永磁电机的d轴和q轴电感；S5，参数辨识启停控制单元根据所述参考转矩T_er确定是否启动参数辨识算法：当所述参考转矩T_er的绝对值小于正常数ε时，停止参数辨识算法，保持差值电感ΔL不变，进入S7；当所述参考转矩T_er的绝对值大于正常数ε时，启动参数辨识算法，进入S6；S6，最佳差值电感辨识：S61，参数辨识单元确定误差转矩T_err＝T_er-T_ea；S62，第一比例积分调节器根据所述误差转矩T_err计算新的差值电感ΔL′，并根据新的差值电感ΔL′计算新的可调转矩T_ea；S63，根据新的可调转矩T_ea计算新的误差转矩T_err：若新的误差转矩T_err为零，则新的差值电感ΔL′为最佳差值电感，并则进入S7；否则，进入S62；S7，励磁指令电流计算单元根据所述差值电感ΔL或所述最佳差值电感ΔL′及所述定子电流i_sq计算励磁电流指令i_sdref：

综上，本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，根据永磁同步电机的电压和电流计算定子磁链和电机的转矩。由于该转矩与电感无关，因此可作为参考转矩T_er。并根据差值电感计算可调转矩T_ea。当差值电感与真实值存在偏差时，使得计算得到的可调转矩T_ea与参考转矩T_er存在偏差，进而采用比例积分调节器对该误差转矩T_err进行闭环调节，调节器的输出用于校正差值电感。当两个转矩相等时，则可认为差值电感也收敛到了实际值，从而可实现差值电感的在线辨识。同时，将辨识得到的差值电感值用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制，可进一步提高最大转矩电流比控制的控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法的流程的示意图；

图2为本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，本发明实施例中涉及到的各个单元模块为虚拟的计算机程序，其存储并运行在处理器上。即本发明实施例中的所有方法的执行主体可以为数字信号处理器。

为了便于理解和说明，下面通过图1及图2详细阐述本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。该方法包括：

S1，采样计算单元根据永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及定子电流i_A、i_B、i_C，计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β及定子电流i_α、i_β。

具体的，可以采集电机的实际电压和电流，然后通过电压电流传感器进行转换，并经过信号调理电路进行处理，最后发送到数字信号处理器。实际中，通过数字信号处理器采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子相电压u_A、u_B、u_C：

其中，u_ab、u_bc为两个定子线电压，u_A、u_B、u_C为定子三相电压。

定子三相电压经过坐标变换，得到静止坐标系下的定子电压u_α、u_β：

另外，根据信号处理器采样的定子电流i_A、i_B、i_C计算得到静止坐标系下的电流分量：

其中，i_α、i_β为相电流在静止坐标系α-β上的分量。

S2，定子磁链观测器根据该定子电压u_α、u_β及该定子电流i_α、i_β计算静止坐标系下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ。

具体的，定子磁链观测器可选择多种方法实现。例如：根据定子相电压u_A、u_B、u_C计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β：

根据定子电流i_A、i_B、i_C计算静止坐标系下的定子电流i_α、i_β：

则该定子磁链ψ_sα、ψ_sβ为：

其中，s为拉普拉斯算子，ω_c为低通滤波器的截止频率，R_s为永磁同步电机的定子电阻。

S3，转矩参考模型计算单元根据该定子电流i_α、i_β及该定子磁链ψ_sα、ψ_sβ计算参考转矩T_er：

T_er＝n_p(ψ_sαi_β-ψ_sβi_α) (4)

其中，n_p为该永磁同步电机的极对数。

S4，转矩可调模型计算单元根据该定子电流i_α、i_β及编码器监测的该永磁同步电机的转子位置角度θ_r，计算同步旋转坐标系下的定子电流i_sd及i_sq：

进一步，根据同步旋转坐标系下的定子电流i_sd、i_sq及差值电感ΔL计算可调转矩T_ea：

T_ea＝n_p[ψ_f+ΔL·i_sd]i_sq (6)

其中，ψ_f为该永磁同步电机的永磁体磁链，ΔL＝L_d-L_q，L_d和L_q分别为永磁电机的d轴和q轴电感。

S5，参数辨识启停控制单元根据该参考转矩T_er确定是否启动参数辨识算法：

当该参考转矩T_er的绝对值小于正常数ε时，停止参数辨识算法，保持差值电感ΔL不变，进入S7；

当该参考转矩T_er的绝对值大于正常数ε时，启动参数辨识算法，进入S6。

具体的，参数辨识启停控制单元根据S3得到的参考转矩T_er进行判断，以决定是否启动参数辨识算法。当T_er的绝对值小于一个很小的正常数ε时，即认为转矩为零，此时停止参数辨识算法，并保持之前的差值电感辨识结果不变。应理解，此刻由于电机处于空载，即电流为零，差值电感即使存在误差也不会影响最大转矩电流比控制精度；当T_er的绝对值大于ε时，即表明电机开始带载运行，此时启动参数辨识算法，进行参数辨识确定最佳差值电感，以此进行最大转矩电流比控制。

S6，最佳差值电感辨识：

S61，参数辨识单元确定误差转矩T_err＝T_er-T_ea；

S62，第一比例积分调节器根据该误差转矩T_err计算新的差值电感ΔL′，并根据新的差值电感ΔL′计算新的可调转矩T_ea；

S63，根据新的可调转矩T_ea计算新的误差转矩T_err：

若新的误差转矩T_err为零，则新的差值电感ΔL′为最佳差值电感，则进入S7；

否则，进入S62。

具体的，参数辨识单元根据模型参考自适应理论构造闭环参数辨识算法，转矩参考模型即参考转矩T_er根据S1-S3计算得到，不受电感参数的影响，转矩可调模型即可调转矩T_ea根据S4计算得到，它受待辨识的差值电感ΔL的影响，当ΔL不正确时，参考转矩与可调转矩不相等。因此，根据两者的差进行比例积分(PI)调节可实现ΔL的辨识，待ΔL收敛到真实值时，参考转矩与可调转矩相等，即T_err为零，系统达到稳态。

应理解，上述ΔL辨识过程中，每循环一次，差值电感经过比例积分调节器控制都会发生改变，从而引起可调转矩的变化，进而引起误差转矩的变化，再引起差值电感的变化。如果误差转矩不为零，那么经过比例积分调节器后的输出结果都会持续变化。即对一个非零的数进行积分的结果，如果这个数大于零，积分相当于累加，积分的结果会越来越大；如果这个数小于零，积分的结果会越来越小；如果这个数等于零，那么经过积分的结果就不会变化。如果误差转矩为零了，则参考转矩和可调转矩相等了，此时经过比例积分调节器后的差值电感也不变了。即对0进行积分，相当于累加一个0，结果保持不变，并且等于了实际值。此时实现了差值电感辨识，则误差转矩等于零，该方法进入S7。

S7，励磁指令电流计算单元根据该差值电感ΔL或该最佳差值电感ΔL′及该定子电流i_sq计算励磁电流指令：

该ΔL″为S4中的该差值电感ΔL或S6中的最佳差值电感ΔL′。

具体的，励磁电流指令计算方法根据最大转矩电流比控制理论得到。根据最大转矩电流比控制理论可得，实现最大转矩电流比控制时，励磁电流i_sd和转矩电流i_sq的关系满足：

上式实现时较复杂。为此，通过泰勒级数展开，可将上式简化，得到：

因此，采用S4得到的电流i_sq计算励磁电流指令i_sdref时，满足：

根据上述公式，即可以实现最大转矩电流比控制。

进一步，在计算得到能够实现最大转矩电流比控制的差值电感及励磁电流指令i_sdref时，该方法还可以进行如下步骤：

S8，转矩闭环控制单元根据转矩闭环指令T_e及所述参考转矩T_er计算转矩控制误差T_cerr：

T_cerr＝T_e-T_er

第二比例积分调节器根据T_cerr计算转矩指令电流i_sqref；

具体的，转矩闭环控制单元是一个转矩闭环控制系统，它以给定的转矩T_e作为指令，以S3所述中根据实际电压和电流计算得到的转矩T_er为反馈，采用比例积分(PI)调节器构成转矩闭环控制单元，输出作为转矩电流指令。

S9，电流闭环控制单元将所述励磁电流指令i_sdref及所述转矩指令电流i_sqref作为指令电流，将所述定子电流i_sd及i_sq作为反馈电流调节所述永磁同步电机。

具体的，采用S7得到的励磁电流指令i_sdref和S8得到的转矩指令电流i_sqref作为两个电流指令进行电流闭环控制的方法，即分别以i_sqref和i_sdref作为电流指令，分别以S4得到的电流i_sd和i_sq为反馈，分别采用两个比例积分(PI)调节器进行电流闭环控制。

综上所述，本发明实施例提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，根据永磁同步电机的电压和电流计算定子磁链和电机的转矩。由于该转矩与电感无关，因此可作为参考转矩T_er。同时，根据差值电感计算另一个转矩，称之为可调转矩T_ea。当差值电感与真实值存在偏差时，将导致计算得到的可调转矩T_ea与参考转矩T_er存在偏差，此时可采用比例积分调节器对该转矩误差进行闭环调节，调节器的输出用于校正差值电感。当两个转矩相等时，则可认为差值电感也收敛到了实际值，从而可实现差值电感的在线辨识。同时，将辨识得到的差值电感值用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制，可进一步提高最大转矩电流比控制的控制精度。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括：

S1，采样计算单元根据永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及定子电流i_A、i_B、i_C，计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β及定子电流i_α、i_β；

S2，定子磁链观测器根据所述定子电压u_α、u_β及所述定子电流i_α、i_β计算静止坐标系下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ；

S3，转矩参考模型计算单元根据所述定子电流i_α、i_β及所述定子磁链ψ_sα、ψ_sβ计算参考转矩T_er：

T_er＝n_p(ψ_sαi_β-ψ_sβi_α)

其中，n_p为所述永磁同步电机的极对数；

S4，转矩可调模型计算单元根据所述定子电流i_α、i_β及编码器监测的所述永磁同步电机的转子位置角度θ_r，计算同步旋转坐标系下的定子电流i_sd及i_sq：

i_sd＝i_αcosθ_r+i_βsinθ_r

i_sq＝-i_αsinθ_r+i_βcosθ_r

并根据同步旋转坐标系下的定子电流i_sd、i_sq及差值电感ΔL计算可调转矩T_ea：

T_ea＝n_p[ψ_f+ΔL·i_sd]i_sq

其中，ψ_f为所述永磁同步电机的永磁体磁链，ΔL＝L_d-L_q，L_d和L_q分别为永磁电机的d轴和q轴电感；

S5，参数辨识启停控制单元根据所述参考转矩T_er确定是否启动参数辨识算法：

当所述参考转矩T_er的绝对值小于正常数ε时，停止参数辨识算法，保持当前差值电感ΔL不变，进入S7；

当所述参考转矩T_er的绝对值大于正常数ε时，启动参数辨识算法，进入S6；

S6，最佳差值电感辨识：

S61，参数辨识单元确定误差转矩T_err＝T_er-T_ea；

S62，第一比例积分调节器根据所述误差转矩T_err计算新的差值电感ΔL′，并根据新的差值电感ΔL′计算新的可调转矩T_ea；

S63，根据新的可调转矩T_ea计算新的误差转矩T_err：

若新的误差转矩T_err为零，则新的差值电感ΔL′为最佳差值电感，则进入S7；

否则，进入S62；

S7，励磁指令电流计算单元根据所述差值电感ΔL或所述最佳差值电感ΔL′及所述定子电流i_sq计算励磁电流指令i_sdref：

所述ΔL″为S4中的所述差值电感ΔL或S6中的最佳差值电感ΔL′。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及定子电流i_A、i_B、i_C计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β及定子电流i_α、i_β包括：

根据定子线电压u_ab、u_bc，计算定子相电压u_A、u_B、u_C：

所述定子相电压经过坐标变换的静止坐标系下的定子电压u_α、u_β：

根据定子电流i_A、i_B、i_C计算静止坐标系下的定子电流i_α、i_β：

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述定子磁链观测器根据所述定子电压u_α、u_β及所述定子电流i_α、i_β计算静止坐标系下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ包括：

根据定子相电压u_A、u_B、u_C计算静止坐标系下的定子电压u_α、u_β：

根据定子电流i_A、i_B、i_C计算静止坐标系下的定子电流i_α、i_β：

则所述定子磁链ψ_sα、ψ_sβ为：

其中，s为拉普拉斯算子，ω_c为低通滤波器的截止频率，R_s为永磁同步电机的定子电阻。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述S7之后，还包括：

S8，转矩闭环控制单元根据转矩闭环指令T_e及所述参考转矩T_er计算转矩控制误差T_cerr：

T_cerr＝T_e-T_er

第二比例积分调节器根据T_cerr计算转矩指令电流i_sqref；

S9，电流闭环控制单元将所述励磁电流指令i_sdref及所述转矩指令电流i_sqref作为指令电流，将所述定子电流i_sd及i_sq作为反馈电流调节所述永磁同步电机。