CN108649857A - 一种基于pi调节器的同步电机弱磁曲线控制器及其跟踪算法 - Google Patents

Abstract

一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法用于改进现有弱磁曲线手工标定方法存在的工期长、效率低、准确度差、鲁棒性差等缺陷，由角度计算器、电压限制比较器、转矩导数解算器、PI调节器、主控器以及电流比较器组成。通过转矩导数解算器对现有转矩对角度的偏导数计算，由偏导数得到角度补偿量由此来对曲线进行跟踪，直到导数值小于设定值时完成跟踪，使用本算法改变静态的标定模式为动态的搜索模式，优化同步电机的控制，提高了电机运转的效率。

Description

一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线控制器及其跟踪算法

技术领域

本发明涉及到同步电机自动控制方法，具体涉及一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪算法。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机(IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。

在IPMSM的控制策略中，为了实现效率的最大化和电流容量的最大利用，电机在弱磁之前将被控制运行在最大转矩电流比(MTPA)曲线上，随着电机速度的不断提升，由d轴q轴电流Id、Iq，永磁体磁链，电角速度w所表示的短电压逐渐升高，具体表示公式为：

其中Umax为驱动电机的逆变器直流母线电压。则由上式可得受限于电压上限的电流限制关系。在dq坐标系上看是一个随着w增大而收缩的椭圆(如图1)。dq电流坐标须落在此椭圆之内。如图所示，在弱磁控制阶段，dq电流的限制曲线由两部分构成，即原有的MTPA曲线(成为A段)以及对应当前w的电压限制曲线(成为B段)，称之为弱磁限制曲线。

在电机运行在MTPV(最大转矩电压比)阶段之前，从扭矩输出的角度来看，当dq轴电流位于弱磁限制曲线上时，所输出扭矩为当前电流所对应的最大值。

通过电机控制理论可知，在电机运行在B段曲线上时，其输出端电压幅值应恰好等于逆变器的直流母线电压。当在电机运行在A曲线之上的时候，其转矩信号对电流角度的导数记为(dTe(beta))为0。本方案利用dTe(beta)作为反馈信号，以调节dTe(beta)最终为0为目的，利用合理的PI参数调节器，搜索出当前电流矢量大小下，转矩最优的角度值。

而在一般的电机驱动产品中，往往不含转矩传感器，即使带有转矩传感器，其导数求取也会因为采样时间滤波参数等问题变得十分困难。

中国公开专利号105262394A，公开日2016年01月20日，发明名称一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法及其控制系统，公开了一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法及其控制系统，通过计算定子电流离散点和转速离散点下的理论最优转矩角，划分出可变搜索区间，在可变搜索区间内搜索输出转矩最大时的转矩角，作为实测最优转矩角，对一系列实测最优转矩角进行二元二次多项式拟合，得到算法最优转矩角的拟合公式，根据算法最优转矩角和定子电流Is计算某定子电流Is下的电机的直轴电流给定和交轴电流给定用于内置式永磁同步电机的电流环给定。本发明提出了一种基于变区间搜索和二元二次多项式拟合的MTPA实验法，实现更高效率和精度的MTPA控制方法。

而本发明与之不同采用了PI调节器算法来计算，PI调节器算法的核心就是在不采用转矩传感器的前提之下，寻找合理的观测量来表征转矩对角度的偏导数，利用合理的PI参数调节器，搜索出当前电流矢量大小下，转矩最优的角度值。

发明内容

本发明是针对传统的标定查表法的开发效率低、工程进度慢；传统的标定查表法中，对弱磁曲线跟踪的准确性不能保证；传统的标定查表法中，会逐渐影响电机工作效率；传统的标定查表法中，对批量生产电机的一致性要求很高，提供一种基于PI调节器的内置式永磁同步电机弱磁曲线制器及其跟踪算法。

一种基于PI调节器的内置式永磁同步电机控制器包括：主控制器，用于记录输出的电流值以及角度值并有赋予初始值的功能，被控电机，与转矩导数解算器以及主控制器电连接，角度计算器，设置在被控电机上，用于读取被控电机角度值，与主控制器电连接；电压限制比较器，检测端一与电源母线电连接，检测端二与被控电机端子电连接，输出端以及主控制器电连接；转矩导数解算器，用于计算逼近转矩对角度的导数，与PI调节器、角度计算器以及主控器电连接；PI调节器，用于计算补偿角度值，与转矩导数解算器、角度计算器以及主控器电连接；电流给定解算器，与被控电机以及主控制器电连接。

一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，包括以下步骤：

M1，检测当前同步电机电流值并把记录电流值输入至电流给定解算器，由主控制器对预设电流进行最大值预设；

M2，电流给定解算器读取输入至并计算电流值是否大于零，大于零进行步骤M3否则结束流程；

M3，角度计算器读取当前同步电机旋转角度值并更新记录；

M4，电压限制比较器读取当前同步电机运转电压值并进行判断，判断当前电压值是否大于预设电压限制值，大于预设电压限制值进行步骤M5否则进行步骤M6；

M5，外部储存器依次记录当前已经记录的电流以及角度值；

M6，运行转矩导数解算器得到主要导数值S；

M7，转矩导数比较器比较导数值S是否小于设定值Slim，如果导数值S小于设定值Slim则跳转步骤至M8，对电流矢量大小减少固定值1并跳转至M2；

M8，计算量化因子Kp以及Ki并输入至PI调节器；

M9，PI调节器的控制并对现有角度进行补偿更新记录，跳转至步骤M4；

其中Slim为导数值S的门限值，用于确定导数值S值靠近0值，理论上导数值S越接近0那么得到的电机转矩值越接近最优值，所以导数小于次门限的时候我们就认为它已经搜索到最优的转矩了。

作为优选，所述的步骤M6中的转矩导数解算器使用了公式：

其中Te(k)为当前时刻的转矩值，Te(k-1)为上一时刻的转矩值，β(k)为当前时刻的角度值，β(k-1)为上一时刻的转矩值；

通过当前时刻的值与上一时刻的值最差，可以得到转矩差和角度差，相除得到转矩对于角度的差分量，从而逼近转矩对角度的导数。

作为优选，所述的步骤M8中包括以下子步骤：

A1，对量化因子Ki进行角度补偿计算；

A2，以补偿值叠加量化因子Kp得到新的角度值；

A3，计算角度控制值，并输出。

作为优选，所述的步骤M2中的电压限制比较器，采用端电压与母线电压比较，由母线电压为基准同步比较端电压值，判断压差是否大于基准线。

本发明的实质性效果在于改变静态的标定模式为动态的搜索模式，加快了开发流程，提高了电机控制中对弱磁曲线的接近从而提高电机工作效率。改进了现有弱磁曲线手工标定方法存在的工期长、效率低、准确度差、鲁棒性差等缺陷。

附图说明

图1背景技术中弱磁曲线图；

图2整体流程图；

图3PI调节器运算示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

如图2和图3所示，所述的一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，包括以下步骤：M1，检测当前同步电机电流值并把记录电流值输入至电流给定解算器，由主控制器对预设电流进行最大值预设；

M2，电流给定解算器读取输入至并计算电流值是否大于零，大于零进行步骤M3否则结束流程；

M3，角度计算器读取当前同步电机旋转角度值并更新记录；

M4，电压限制比较器读取当前同步电机运转电压值并进行判断，判断当前电压值是否大于预设电压限制值，大于预设电压限制值进行步骤M5否则进行步骤M6；

M5，外部储存器依次记录当前已经记录的电流以及角度值；

M6，运行转矩导数解算器得到主要导数值S；

M7，转矩导数比较器比较导数值S是否小于设定值Slim，如果导数值S小于设定值Slim则跳转步骤至M8，对电流矢量大小减少固定值1并跳转至M2；

M8对量化因子Ki进行角度补偿计算；

A9，以补偿值叠加量化因子Kp得到新的角度值；

A10，计算角度控制值，并输出；

M11，PI调节器的控制并对现有角度进行补偿更新记录，跳转至步骤M4；

其中Slim为导数值S的门限值，用于确定导数值S值靠近0值，理论上导数值S越接近0那么得到的电机转矩值越接近最优值，所以导数小于次门限的时候我们就认为它已经搜索到最优的转矩了。

作为优选，所述的步骤M6中的转矩导数解算器使用了公式：

其中Te(k)为当前时刻的转矩值，Te(k-1)为上一时刻的转矩值，β(k)为当前时刻的角度值，β(k-1)为上一时刻的转矩值；通过当前时刻的值与上一时刻的值最差，可以得到转矩差和角度差，相除得到转矩对于角度的差分量，从而逼近转矩对角度的导数。

所述的电压限制比较器，采用端电压与母线电压比较，由母线电压为基准同步比较端电压值，判断压差是否大于基准线。

如图3所示，所述的PI调节模块包含了Kp和Ki两个参数变量，加法器ADD1。输入信号为转矩导数解算器的导数输出量，输出信号为用于补偿现有角度的控制量，完成角度更新。Kp和Ki为PI控制器的比例增益和积分增益，是通过正常的PI整定步骤得到的，是行业内通用的做法，不必多做解释。图中(K Ts)/(z-1)为离散条件下的积分算子，这里我们的K＝1。以y(z)＝((K Ts)/(z-1))*u(z)为例，此积分算子的数学表达如下：y(k)＝y(k-1)+Ts*K*u(k)其中k和k-1表示此步运算结果和上一步运算结果。

一种基于PI调节器的内置式永磁同步电机控制器包括：主控制器，用于记录输出的电流值以及角度值并有赋予初始值的功能，被控电机，与转矩导数解算器以及主控制器电连接，角度计算器，设置在被控电机上，用于读取被控电机角度值，与主控制器电连接；电压限制比较器，检测端一与电源母线电连接，检测端二与被控电机端子电连接，输出端以及主控制器电连接；转矩导数解算器，用于计算逼近转矩对角度的导数，与PI调节器、角度计算器以及主控器电连接；PI调节器，用于计算补偿角度值，与转矩导数解算器、角度计算器以及主控器电连接；电流给定解算器，与被控电机以及主控制器电连接。

Claims (5)

1.一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

M1，检测当前同步电机电流值并把记录电流值输入至电流给定解算器，由主控制器对预设电流进行最大值预设；

M2，电流给定解算器读取输入至并计算电流值是否大于零，大于零进行步骤M3否则结束流程；

M3，角度计算器读取当前同步电机旋转角度值并更新记录；

M4，电压限制比较器读取当前同步电机运转电压值并进行判断，判断当前电压值是否大于预设电压限制值，大于预设电压限制值进行步骤M5否则进行步骤M6；

M5，外部储存器依次记录当前已经记录的电流以及角度值；

M6，运行转矩导数解算器得到主要导数值S；

M7，转矩导数比较器比较导数值S是否小于设定值Slim，如果导数值S小于设定值Slim则跳转步骤至M8，对电流矢量大小减少固定值1并跳转至M2；

M8，计算量化因子Kp以及Ki并输入至PI调节器；

M9，PI调节器的控制并对现有角度进行补偿更新记录，跳转至步骤M4。

2.根据权利要求1所述的一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，其特征在于，所述的步骤M6中的转矩导数解算器使用了公式：

其中Te(k)为当前时刻的转矩值，Te(k-1)为上一时刻的转矩值，β(k)为当前时刻的角度值，β(k-1)为上一时刻的转矩值；

通过当前时刻的值与上一时刻的值最差，可以得到转矩差和角度差，相除得到转矩对于角度的差分量，从而逼近转矩对角度的导数。

3.根据权利要求1所述的一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，其特征在于，所述的步骤M8中包括以下子步骤：

A1，对量化因子Ki进行角度补偿计算；

A2，以补偿值叠加量化因子Kp得到新的角度值；

A3，计算角度控制值，并输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，其特征在于，所述的步骤M2中的电压限制比较器，采用端电压与母线电压比较，由母线电压为基准同步比较端电压值，判断压差是否大于基准线。

5.一种基于PI调节器的内置式永磁同步电机控制器适用于权利要求1所述的一种基于PI调节器的同步电机弱磁曲线跟踪方法，其特征在于，包括：

主控制器，用于记录输出的电流值以及角度值并有赋予初始值的功能；

被控电机，与转矩导数解算器以及主控制器电连接；

角度计算器，设置在被控电机上，用于读取被控电机角度值，与主控制器电连接；

电压限制比较器，检测端一与电源母线电连接，检测端二与被控电机端子电连接，输出端以及主控制器电连接；

转矩导数解算器，用于计算逼近转矩对角度的导数，与PI调节器、角度计算器以及主控器电连接；

PI调节器，用于计算补偿角度值，与转矩导数解算器、角度计算器以及主控器电连接；

电流给定解算器，与被控电机以及主控制器电连接。