CN108880380B - 一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统 - Google Patents

一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统 Download PDF

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CN108880380B CN201810729115.2A CN201810729115A CN108880380B CN 108880380 B CN108880380 B CN 108880380B CN 201810729115 A CN201810729115 A CN 201810729115A CN 108880380 B CN108880380 B CN 108880380B
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Abstract

本发明公开一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，电机转速与给定转速相比较的差值输入转速环控制模块得到给定电流
Figure DDA0001720428490000011
给定电流
Figure DDA0001720428490000012
输入到
Figure DDA0001720428490000013
控制器中，
Figure DDA0001720428490000014
控制器输出最佳转矩角
Figure DDA0001720428490000015
最佳转矩角
Figure DDA0001720428490000016
与电机的转子位置角加得到新转子位置角θ'，新转子位置角θ'分别输入到2r/2s坐标变换模块和2s/2r坐标变换模块中；
Figure DDA0001720428490000017
控制器由带通滤波器、低通滤波器和积分调节器组成，给
Figure DDA0001720428490000018
控制器注入一个高频信号，则给定电流
Figure DDA0001720428490000019
中包含有高频信号
Figure DDA00017204284900000110
本发明在d轴给定电流为零的控制条件下通过注入高频信号得到最佳转矩角，把它补偿到位置角中获得最大的电磁转矩，不受运行工况和电机参数的影响，具有较强的鲁棒性和动态性能。

Description

一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种内置式永磁同步电机(IPMSM)最佳转矩角的控制系统，特别适合应用于电动汽车的永磁同步电机等需要快速启动的应用场合。
背景技术
车用驱动电机作为电动汽车的关键执行部件之一，其驱动性能的优劣直接影响电动汽车的整车性能。内置式永磁同步电机凭借其高效率、高转矩密度、高功率密度等优势被广泛应用在电动汽车领域。内置式永磁同步电机由于d、q轴电感不等，输出的电磁转矩包含两部分：励磁转矩和磁阻转矩。传统的d轴电流id＝0控制使得输出电磁转矩只与q轴电流呈线性关系，凭借其结构简单在实际中被广泛应用，但它只利用了励磁转矩，忽略了磁阻转矩，导致电机的转矩没有得到充分利用。为解决这一问题，采用了最大转矩电流比(MTPA)控制策略，如图1所示的控制系统，采用光电编码器采集内置式永磁同步电机的转子位置角θ，转子位置角θ经微分器计算得到电机转速Ω，将电机转速Ω与给定转速Ω*作差得到转速偏差。转速偏差经过转速环后，输出定子给定电流幅值is *，给定电流幅值is- *经d-q轴电流计算模块计算得到给定d轴电流id *和给定q轴电流iq *，计算公式是：
Figure BDA0001720428470000011
其中β是电流矢量角。此时电机电磁阻转矩方程为：
Figure BDA0001720428470000012
其中，pn为电机极对数；Ld、Lq分别为d轴与q轴电感；ψf为电机永磁体产生的磁链。
在给定电流幅值is *下，要解得电磁转矩Te对电流矢量角β的最大值，即求Te对β的导数，并令其等于0，得到：
Figure BDA0001720428470000013
解得：
Figure BDA0001720428470000014
由此可以得到输出转矩最大时对应的最佳电流矢量角β。
将给定d轴电流id *和给定q轴电流iq *与反馈的电机实际d轴电流id、q轴电流iq分别作差，分别经过电流环后输出d轴给定电压ud和q轴电压uq，d轴给定电压ud和q轴电压uq经2r/2s坐标变换得到αβ轴给定电压uα和uβ，经过SVPWM调制输出PWM波，经逆变器控制电机。
由此可知：图1所示的最大转矩电流比控制系统是在假设d轴电感Ld、q轴电感Lq、磁链ψf这些电机参数不变的基础上，再依据公式计算出最佳电流矢量角的。然而，在实际工作应用中，电感Ld、Lq和磁链ψf会受磁饱和、交叉耦合以及温度的影响而发生变化，这便导致图1所示的控制系统不能工作在准确的工作点。
针对上述电机参数会发生改变的问题，现有技术采用信号注入法来解决。信号注入法是一种典型的不依赖于电机参数的MTPA控制方法，是一种往电机中注入高频电流信号从而追踪MTPA工作点的新方法。该方法能够在电机参数发生改变的情况下依然工作在准确的MTPA工作点，并且对于变负载或变转速情况下依然有很强的鲁棒性。基于高频信号注入法的MTPA控制通常往电流矢量角注入一个高频小幅值电流信号，进而通过一系列滤波器进行滤波，并使用积分调节器锁定最佳电流矢量角，使电机工作在MTPA工作点。
但是，现有的信号注入法中，采集的是定子电流矢量，需要先调节出电流矢量角，再分别计算出d轴和q轴的给定电流，计算过程繁琐。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有永磁同步电机在采用最大转矩电流比控制策略中存在的控制精度差的问题，提出一种控制精度高的内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，能够在d轴电流为零的控制条件下得到最佳转矩角，并且随着电机参数的改变能够实时改变最佳转矩角。
为实现上述目的，本发明所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统采用的技术方案是：包括转速环控制模块、q轴电流环控制模块、d轴电流环模块、2r/2s坐标变换模块和2s/2r坐标变换模块，电机转速Ω与给定转速Ω*相比较的差值输入转速环控制模块得到给定电流
Figure BDA0001720428470000021
转速环控制模块的输出端连接
Figure BDA0001720428470000022
控制器的输入端，给定电流
Figure BDA0001720428470000023
输入到
Figure BDA0001720428470000024
控制器中，
Figure BDA0001720428470000025
控制器输出最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000026
最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000027
与电机的转子位置角θ相加得到新转子位置角θ'，新转子位置角θ'分别输入到2r/2s坐标变换模块和2s/2r坐标变换模块中，得到新的2r/2s坐标变换模块和新的2s/2r坐标变换模块。
进一步地，电机的三相定子电流输入新的2s/2r坐标变换模块中，经变换得到电流分量
Figure BDA0001720428470000028
将电流分量
Figure BDA0001720428470000029
与给定电流
Figure BDA00017204284700000210
的差值输入至d轴电流环模块得到电压指令
Figure BDA00017204284700000211
将电流分量
Figure BDA00017204284700000213
与转速环控制模块输出的给定电流
Figure BDA00017204284700000212
作差，输入至q轴电流环控制模块得到电压指令
Figure BDA0001720428470000031
电压指令
Figure BDA0001720428470000032
和
Figure BDA0001720428470000033
均输入至新的2r/2s坐标变换模块中，得到电压指令
Figure BDA0001720428470000034
和
Figure BDA0001720428470000035
将电压指令
Figure BDA0001720428470000036
和
Figure BDA0001720428470000037
经SVPWM模块输出PWM信号给逆变器，控制内置式永磁同步电机。
更进一步地，
Figure BDA0001720428470000038
控制器由带通滤波器、低通滤波器和积分调节器组成，所述的给定电流
Figure BDA0001720428470000039
输入带通滤波器中，给
Figure BDA00017204284700000310
控制器注入一个高频信号
Figure BDA00017204284700000311
A为幅值，ωh为频率，t为周期，则给定电流
Figure BDA00017204284700000312
中包含有高频信号
Figure BDA00017204284700000313
成分，成为给定电流
Figure BDA00017204284700000314
更进一步地，包含有高频信号
Figure BDA00017204284700000315
的给定电流
Figure BDA00017204284700000316
经过带通滤波器滤波后得到一次谐波分量iBPF，将一次谐波分量iBPF乘上sin(ωht)，得到电流ih：将电流ih输入至低通滤波器得到直流分量io：直流分量io经积分调节器调节得到转矩角
Figure BDA00017204284700000317
将转矩角
Figure BDA00017204284700000318
与注入的高频信号
Figure BDA00017204284700000319
相加后得到最佳转矩角
Figure BDA00017204284700000320
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、本发明在d轴给定电流为零的控制条件下通过注入高频信号得到最佳转矩角，把它补偿到位置角中从而获得最大的电磁转矩，因此，可以输出最大电磁转矩，控制方法简便。
2、本发明是采用高频信号注入法获得最佳转矩角，不需要知道具体的电机参数如d-q轴电感和磁链，信号注入法也不同于一般的信号注入法，只需q轴反馈电流一个输入量，输出量为最佳转矩角，不需要分别计算d轴和q轴给定电流。
3、本发明在电机负载或转速发生变化时能够准确输出最大转矩，不受运行工况和电机参数的影响，具有较强的鲁棒性和动态性能。
附图说明
图1是背景技术中常见的内置式永磁同步电机公式法MTPA控制系统的结构框图；
图2是本发明所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角矢量控制系统的结构框图；
图3是图2中的
Figure BDA00017204284700000321
控制器的结构及原理框图；
图4是本发明在电机负载为10Nm、转速为500rpm下的最佳转矩角波形图；
图5是本发明在电机负载为10Nm、转速为500rpm下电机转速波形图；
图6是本发明在电机负载为10Nm、转速为500rpm下电机转矩波形图；
图7是本发明在转矩变化时最佳转矩角波形图；
图8是本发明在转矩变化时电机转速波形图；
图9是本发明在转矩变化时电机转矩波形图；
图10是本发明在电机参数变化时最佳转矩角波形图。
图中：1.带通滤波器；2.低通滤波器；3.积分调节器；4.转速环控制模块；5.q轴电流环控制模块；6.d轴电流环模块；7.2r/2s坐标变换模块；8.SVPWM模块；9.逆变器；10.2s/2r坐标变换模块；11.内置式永磁同步电机；12.光电编码器模块；13.微分模块；14.
Figure BDA0001720428470000041
控制器；
具体实施方式
参见图2，本发明采用光电编码器模块12采集内置式永磁同步电机11的转子位置角θ。光电编码器模块12的输出端连接微分模块13的输入端，转子位置角θ经微分模块13计算后得到电机转速Ω。将电机转速Ω与给定转速Ω*相比较，比较差值输入转速环控制模块4，经转速环控制模块4得到给定电流
Figure BDA0001720428470000042
转速环控制模块4的输出端连接
Figure BDA0001720428470000043
控制器14的输入端，将给定电流
Figure BDA0001720428470000044
输入到
Figure BDA0001720428470000045
控制器14中。给定电流
Figure BDA0001720428470000046
经过
Figure BDA0001720428470000047
控制器14求得并输出最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000048
将最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000049
与光电编码器模块12输出转子位置角θ相加，得到新转子位置角θ'，即
Figure BDA00017204284700000410
将新转子位置角θ'分别输至2r/2s坐标变换模块7和2s/2r坐标变换模块10中，改变2r/2s坐标变换模块7和2s/2r坐标变换模块10的坐标变换，则2r/2s坐标变换模块7的2r/2s坐标变换由原来的：
Figure BDA00017204284700000411
变为新的：
Figure BDA00017204284700000412
2s/2r坐标变换模块10的2s/2r坐标变换由原来的：
Figure BDA00017204284700000413
变为新的：
Figure BDA00017204284700000414
采集内置式永磁同步电机11的三相定子电流ia、ib、ic，三相定子电流ia、ib、ic经Clark变换输入新的2s/2r坐标变换模块10中，经新的2s/2r坐标变换模块10坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流分量
Figure BDA00017204284700000415
将电流分量
Figure BDA00017204284700000416
与给定电流
Figure BDA00017204284700000417
的差值输入至d轴电流环模块6，得到电压指令
Figure BDA00017204284700000418
将电流分量
Figure BDA00017204284700000419
与转速环控制模块4输出的给定电流
Figure BDA00017204284700000420
作差，输入至q轴电流环控制模块5，得到电压指令
Figure BDA0001720428470000051
q轴电流环控制模块5和d轴电流环模块6的输出端均连接新的2r/2s坐标变换模块7的输入端。电压指令
Figure BDA0001720428470000052
和
Figure BDA0001720428470000053
均输入至新的2r/2s坐标变换模块7中，经过新的2r/2s坐标变换模块7得到两相静止坐标系下的电压指令
Figure BDA0001720428470000054
和
Figure BDA0001720428470000055
新的2r/2s坐标变换模块7经SVPWM模块8连接逆变器9，将电压指令
Figure BDA0001720428470000056
和
Figure BDA0001720428470000057
输入到SVPWM模块8中，SVPWM模块8输出PWM信号给逆变器9，经逆变器9控制内置式永磁同步电机11。
参见图3所示的
Figure BDA0001720428470000058
控制器14，
Figure BDA0001720428470000059
控制器14由带通滤波器1、低通滤波器2、积分调节器3组成。转速环控制模块4得到给定电流
Figure BDA00017204284700000510
输入至带通滤波器1。给
Figure BDA00017204284700000511
控制器注入一个高频信号
Figure BDA00017204284700000512
Figure BDA00017204284700000513
该高频信号
Figure BDA00017204284700000514
是小幅值电流信号，其中A为注入高频信号的幅值，ωh为注入高频信号的频率，t为周期。注入信号的频率ωh必须大于转速环控制模块4的带宽，避免控制信号和注入信号之间的干扰，同时，该频率ωh又必须远小于逆变器9的开关频率。信号的幅值A也必须足够小，以使其对速度变化的影响可以忽略不计。这里将高频信号的频率ωh取300HZ，幅值A为0.05A。
注入高频信号
Figure BDA00017204284700000515
后，输入带通滤波器1的给定电流
Figure BDA00017204284700000516
中包含高频信号
Figure BDA00017204284700000517
成分，成为给定电流
Figure BDA00017204284700000518
将其泰勒级数展开得到；
Figure BDA00017204284700000519
其中，
Figure BDA00017204284700000520
表示求偏导。
带通滤波器1中心频率与注入的高频信号
Figure BDA00017204284700000521
频率一致，作用为滤除直流分量和二次谐波分量，经过带通滤波器1滤波后得到一次谐波分量iBPF：
Figure BDA00017204284700000522
再将一次谐波分量iBPF乘上sin(ωht)，得到电流ih：
Figure BDA00017204284700000523
电流ih中包含直流分量和一次谐波分量。将电流ih输入至低通滤波器2，经过截止频率远小于注入高频信号
Figure BDA00017204284700000524
的频率ωh的低通滤波器2后，滤除一次谐波分量iBPF，得到直流分量io：
Figure BDA0001720428470000061
低通滤波器2的输出端连接积分调节器3，可以看出，直流分量io中包含电流与转矩角的偏导项，把直流分量io经过积分调节器3，就可以调节出转矩角
Figure BDA0001720428470000062
将转矩角
Figure BDA0001720428470000063
与注入的高频信号
Figure BDA0001720428470000064
相加后得到最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000065
本发明与已有信号注入法中不一样的地方在于，已有信号注入法中输入信号为定子电流矢量，输出信号为最佳电流矢量角。本发明中的
Figure BDA0001720428470000069
控制器14输入信号为给定电流
Figure BDA0001720428470000066
输出信号为最佳转矩角
Figure BDA0001720428470000067
以下采用内置式永磁同步电机对本发明进行仿真测试，内置式永磁同步电机的参数如表1所示：
表1
Figure BDA0001720428470000068
仿真测试得到如图4所示的最佳转矩角波形图，电机负载是10Nm，转速设定是500rpm。可以看出，最佳转矩角稳定在8.1°，准确度很高。
仿真测试得到如图5所示的电机转速波形图，电机负载是10Nm，转速设定为500rpm。可以看出，电机转速能够快速上升到500rpm，且没有超调。
仿真测试得到如图6所示的电机转矩波形图，电机负载是10Nm，转速设定为500rpm，可以看出，转矩准确输出10Nm。
仿真测试得到如图7所示的转矩变化时最佳转矩角波形图，电机负载在3s时从5Nm上升到10Nm，电机转速稳定在500rpm保持不变，可以看出，转矩角在3s时有一个振荡，由4.6°逐渐变化到8.1°，说明最佳转矩角能够准确跟踪，具有很好的动态性能。
仿真测试得到如图8所示的转矩变化时电机转速波形图，电机负载在3s时从5Nm上升到10Nm，电机转速稳定在500rpm保持不变，可以看出，电机转速在3s时由于突加负载有一个突降，然后又迅速恢复到500rpm。
仿真测试得到如图9所示的转矩变化时电机转矩波形图，电机负载在3s时从5Nm上升到10Nm，电机转速稳定在500rpm保持不变，可以看出，电机转矩在3s时由5Nm准确变化到10Nm。
仿真测试得到如图10所示的电机参数变化时最佳转矩角波形图，电机负载10Nm，转速设定为500rpm，假设电机参数d轴电感Ld变为原来的1.3倍，q轴电感Lq变为原来的2倍，可以看出，最佳转矩角变为25.8°，与计算值相差0.3°，说明电机参数发生突变时，最佳转矩角依然能够被准确跟踪。

Claims (5)

1.一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，包括转速环控制模块(4)、q轴电流环控制模块(5)、d轴电流环模块(6)、2r/2s坐标变换模块(7)和2s/2r坐标变换模块(10)，电机转速Ω与给定转速Ω*相比较的差值输入转速环控制模块(4)得到给定电流
Figure FDA0002969829890000011
其特征是：转速环控制模块(4)的输出端连接
Figure FDA0002969829890000012
控制器(14)的输入端，给定电流
Figure FDA0002969829890000013
输入到
Figure FDA0002969829890000014
控制器(14)中，
Figure FDA0002969829890000015
控制器(14)输出最佳转矩角
Figure FDA0002969829890000016
最佳转矩角
Figure FDA0002969829890000017
与电机的转子位置角θ相加得到新转子位置角θ'，新转子位置角θ'分别输入到2r/2s坐标变换模块(7)和2s/2r坐标变换模块(10)中得到新的2r/2s坐标变换模块(7)和新的2s/2r坐标变换模块(10)。
2.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，其特征是：电机的三相定子电流经Clark变换输入新的2s/2r坐标变换模块(10)中，经变换得到电流分量
Figure FDA0002969829890000018
将电流分量
Figure FDA0002969829890000019
与给定电流
Figure FDA00029698298900000110
的差值输入至d轴电流环模块(6)得到电压指令
Figure FDA00029698298900000111
将电流分量
Figure FDA00029698298900000112
与转速环控制模块(4)输出的给定电流
Figure FDA00029698298900000113
作差，输入至q轴电流环控制模块(5)得到电压指令
Figure FDA00029698298900000114
电压指令
Figure FDA00029698298900000115
和
Figure FDA00029698298900000116
均输入至新的2r/2s坐标变换模块(7)中得到电压指令
Figure FDA00029698298900000117
和
Figure FDA00029698298900000118
将电压指令
Figure FDA00029698298900000119
和
Figure FDA00029698298900000120
经SVPWM模块(8)输出PWM信号给逆变器(9)，控制内置式永磁同步电机。
3.根据权利要求2所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，其特征是：
Figure FDA00029698298900000121
控制器由带通滤波器(1)、低通滤波器(2)和积分调节器(3)组成，所述的给定电流
Figure FDA00029698298900000122
输入带通滤波器(1)中，给
Figure FDA00029698298900000123
控制器注入一个高频信号
Figure FDA00029698298900000124
A为幅值，ωh为频率，t为周期，则给定电流
Figure FDA00029698298900000125
中包含有高频信号
Figure FDA00029698298900000126
成分，成为给定电流
Figure FDA00029698298900000127
包含有高频信号
Figure FDA00029698298900000128
的给定电流
Figure FDA00029698298900000129
经过带通滤波器(1)滤波后得到一次谐波分量iBPF，将一次谐波分量iBPF乘上sin(ωht)，得到电流ih；将电流ih输入至低通滤波器(2)得到直流分量io；直流分量io经积分调节器(3)调节得到转矩角
Figure FDA00029698298900000130
将转矩角
Figure FDA00029698298900000131
与注入的高频信号
Figure FDA00029698298900000132
相加后得到最佳转矩角
Figure FDA00029698298900000133
4.根据权利要求3所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，其特征是：频率ωh大于转速环控制模块(4)的带宽且小于逆变器(9)的开关频率。
5.根据权利要求4所述的一种内置式永磁同步电机最佳转矩角控制系统，其特征是：频率ωh为300HZ，幅值A为0.05A。
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