CN109194221A - 一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，首先根据电动汽车的驱动特性，计算指令电流表；然后根据转矩指令和电机的当前转速信号直接查询已经制作完成的电流表，从而获得指令电流，接着将指令电流经过补偿后分别与实际反馈的直交轴电流分量构成两个电流闭环控制，分别输出直轴电压和交轴电压，再将坐标系变化为两相静止坐标系，最后采用两电平空间矢量调制算法得到三相电压，从而达到控制电机实现恒转矩、恒功率运行的目的。

Description

一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电机控制技术领域，特别是一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法。

背景技术

随着经济的不断发展，汽车的数量增长迅猛，在国家大力提倡环护的时代，电动汽车成为了必然的发展趋势。电动汽车电机驱动控制系统作为电动汽车的核心组件，它是提高电动汽车的驱动性能、行驶里程及其可靠性、安全性的根本保证。电动汽车的驱动系统需要车辆行驶速度范围宽和负载变化大的转矩转速特性,即低速恒转矩和高速恒功率。

内嵌式永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高转矩密度、良好的转矩平稳性、低振动噪声以及体积小、惯性低、响应快的特点。其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于利用电枢反应实现弱磁扩速。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，能够达到控制电机实现恒转矩、恒功率运行的目的。

本发明采用以下方案实现：一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据电动汽车的驱动特性，计算指令电流表；

步骤S2：根据转矩指令和电机的当前转速信号直接查询已经制作完成的电流表，从而获得指令电流i_d和i_q；

步骤S3：将指令电流i_d和i_q经过补偿后分别与实际反馈的直交轴电流分量构成两个电流闭环控制，分别输出直轴电压U_d和交轴电压U_q，再将d-q坐标系变化为两相静止α-β坐标系得到U_α、U_β；

步骤S4：采用两电平空间矢量调制算法(SVPWM)得到U_a、U_b、U_c，从而达到控制电机实现恒转矩、恒功率运行的目的。

进一步地，步骤S1具体为将根据MPTA控制、恒转矩弱磁控制、恒功率控制计算得到的表格汇总到一起，得到电机运行完整的指令电流表格。

进一步地，根据MPTA控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S111：当电机在基速下运行，且电机定子电压U小于极限电压U_lim,此时采用最大转矩电流比控制(MTPA)，即在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流使定子电流最小；

在稳态工况下，永磁同步电机定子电压为：

式中，R₁表示定子电阻；

当电机高速运转时，定子电阻压降比较小，在忽略电阻压降时，永磁同步电机定子电压为：

式中，U_lim为极限电压，即定子相电压峰值，U_d为逆变器直流侧电压；ω_e表示电机的电角速度,L_d、L_q分别表示电机的d轴和q轴的励磁电感，表示电机的磁链；由公式(1)可以看出，在保证定子电流不变的情况下，定子电压会随着电机转速的提高而上升，最后达到电压的极限值U_lim；

将公式(1)进行变形，得到电压极限椭圆公式：

电磁转矩方程为：

式中，n_p表示电机的极对数；

交流永磁同步电机运行时，定子电流应该限制在允许范围内，限制方程为：

式中，I_lim为极限电流值；通过数学分析可知，当满足电流约束关系时，定子电流矢量在id-iq参考平面上的轨迹是以坐标原点为圆心，以极限电流为半径的圆，称之为电流极限圆。电机在运行时电流极限圆限制电流矢量不能超过其边界。

由电磁转矩方程和定子电流方程可知：当T_e一定时，可以调节i_d、i_q使i_s达到最小，这就是最大转矩电流比控制(MTPA)。即在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流使定子电流最小。

步骤S112：为了求出电流的最小值，减少复杂的公式推导，用MATLAB中fmincon()函数进行优化计算，同时得到对应的dq轴电流；其中fmincon是用于求解非线性多元函数最小值的matlab函数。其编程如下：

[x,fval]＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；fun为目标函数，即公式(4)；nonlcon为非线性约束函数，即公式(3)；x0表示电流初值；

步骤S113：电动汽车的转矩要求范围一般在0-300N·m，转速范围一般在0-13000r/min。为加快计算速度，节约程序空间，在利用matlab计算时，取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S111至步骤S112，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q,；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

进一步地，根据恒转矩弱磁控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S121：当电机定子电压U≥U_lim时，电机运行受到电压与电流的共同限制，此时需要恒转矩控制，即保持转矩稳定不变；利用fmincin函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据做成表格；其公式与编程如下：

[x,fval]＝fmincon(@fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@myfun)；

function[c,ceq]＝myfun；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；@fun为公式(4)，@myfun为非线性不等式c和等式ceq，c为公式(5)，ceq为公式(3)，myfun为matlab编写函数的函数名；

步骤S122：取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S121，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q,；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

由公式(1)可以计算出当前电流对应的电压，若U＜U_lim，则按照MTPA计算出当前转矩下的dq轴的电流i_d和i_q。反之按照恒转矩弱磁计算出当前转矩下的dq轴的电流i_d和i_q。

进一步地，根据恒功率控制计算得到的表格具体为：当电动汽车在高速运行时，根据可知，当电机达到峰值功率时，若继续加速，只能降低转矩，此时采取恒功率控制，即电机运行时保持功率不变；利用fsolve函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据统计做成表格；其编程如下：

x＝fsolve(@(x)myfun)；

式中，@(x)myfun为

较佳的，实际应用中，当温度升高、电枢磁场发生变化时，永磁磁链值很容易发生变化。并且在逆变器驱动电机的情况下，由于逆变器输出PWM波中含有大量高次谐波，这些高次谐波会产生大量的损耗，从而引起永磁体温升加剧，最终可能会导致永磁体高温退磁。电机在实际运行时，磁链在±75℃下的变化范围可以达到±5％。当磁链发生变化时，制作的电流指令表格数据无法更新，由可知，会导致电机实际输出转矩与目标转矩产生误差。电动汽车一般在中等车速运行，为了使实际输出转矩与目标转矩相匹配，当磁链的变化比较小时，利用拉格朗日中值定理：f(x+Δx)＝f(x)+f'(x)Δx求出磁链变化后的所需电流。在恒转矩控制和恒功率控制阶段，采用电压反馈控制策略对dq轴电流进行补偿。

步骤S3中，对指令电流i_d和i_q的补偿具体包括以下步骤：

步骤S31：为了使修正后的电流更加接近精确解，本发明采用磁链变化前后的电压差值来估算磁链的变化量，采用磁链变化前后的电压差值来估算磁链的变化量，即对磁链变化前电压U₁与磁链变化后的电压U₂之差用PI调节器控制，得到估算的磁链变化量其中，变化前后的电压计算如下：

式中，U_d为d轴电压，U_q为q轴电压；在忽略电阻压降时，d轴电压与q轴电压计算如下式：

步骤S32：在恒转矩弱磁控制和恒功率控制时，此时的定子电压达到U_lim，结合公式(3)、(5)求出电流i_d和i_q关于的导数：

步骤S33：当磁链发生变化时，补偿后的电流求解采用下式：

根据指令转矩和电机的当前转速信号直接查询指令电流i_d和i_q，当考虑磁链变化时，指令电流与补偿电流相加得到全新的电流值

较佳的，补偿后的电流与实际反馈的直交轴电流经过比较后、通过电流环内PI调节器分别得到直交轴相电压U_d和U_q。这两个相电压再通过坐标系转化为定子相电压矢量，这时采用电压空间矢量技术来产生PWM信号控制逆变器，从而实现电机的闭环控制。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明能够解决电动汽车永磁同步电机控制问题，在原有查表法的基础上，采用电压反馈控制策略对dq轴电流进行补偿，从而提高电机的控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例的指令电流表的制作流程示意图。

图2为本发明实施例的查表及弱磁框图。

图3、图4以及图5均为本发明实施例的转矩变化示意图。

图中，1为dq轴电流指令表，2为q轴电流比较器，3为磁链变化后的电压，4为磁链变化前电压，5为两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换器，6为PWM产生模块，7为永磁同步电机，8为三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换器，9为两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换器，10为d轴电流比较器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1以及图2所示，本实施例提供了一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据电动汽车的驱动特性，计算指令电流表；

步骤S2：根据转矩指令和电机的当前转速信号直接查询已经制作完成的电流表，从而获得指令电流i_d和i_q；

步骤S3：将指令电流i_d和i_q经过补偿后分别与实际反馈的直交轴电流分量构成两个电流闭环控制，分别输出直轴电压U_d和交轴电压U_q，再将d-q坐标系变化为两相静止α-β坐标系得到U_α、U_β；

步骤S4：采用两电平空间矢量调制算法(SVPWM)得到U_a、U_b、U_c，从而达到控制电机实现恒转矩、恒功率运行的目的。

在本实施例中，步骤S1具体为将根据MPTA控制、恒转矩弱磁控制、恒功率控制计算得到的表格汇总到一起，得到电机运行完整的指令电流表格。

在本实施例中，根据MPTA控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S111：当电机在基速下运行，且电机定子电压U小于极限电压U_lim,此时采用最大转矩电流比控制(MTPA)，即在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流使定子电流最小；

在稳态工况下，永磁同步电机定子电压为：

式中，R₁表示定子电阻；

当电机高速运转时，定子电阻压降比较小，在忽略电阻压降时，永磁同步电机定子电压为：

式中，U_lim为极限电压，即定子相电压峰值，U_d为逆变器直流侧电压；ω_e表示电机的电角速度,L_d、L_q分别表示电机的d轴和q轴的励磁电感，表示电机的磁链；由公式(1)可以看出，在保证定子电流不变的情况下，定子电压会随着电机转速的提高而上升，最后达到电压的极限值U_lim；

将公式(1)进行变形，得到电压极限椭圆公式：

电磁转矩方程为：

式中，n_p表示电机的极对数；

交流永磁同步电机运行时，定子电流应该限制在允许范围内，限制方程为：

式中，I_lim为极限电流值；通过数学分析可知，当满足电流约束关系时，定子电流矢量在id-iq参考平面上的轨迹是以坐标原点为圆心，以极限电流为半径的圆，称之为电流极限圆。电机在运行时电流极限圆限制电流矢量不能超过其边界。

由电磁转矩方程和定子电流方程可知：当T_e一定时，可以调节i_d、i_q使i_s达到最小，这就是最大转矩电流比控制(MTPA)。即在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流使定子电流最小。

步骤S112：为了求出电流的最小值，减少复杂的公式推导，用MATLAB中fmincon()函数进行优化计算，同时得到对应的dq轴电流；其中fmincon是用于求解非线性多元函数最小值的matlab函数。其编程如下：

[x,fval]＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；fun为目标函数，即公式(4)；nonlcon为非线性约束函数，即公式(3)；x0表示电流初值；

步骤S113：电动汽车的转矩要求范围一般在0-300N·m，转速范围一般在0-13000r/min。为加快计算速度，节约程序空间，在利用matlab计算时，取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S111至步骤S112，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q,；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

在本实施例中，根据恒转矩弱磁控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S121：当电机定子电压U≥U_lim时，电机运行受到电压与电流的共同限制，此时需要恒转矩控制，即保持转矩稳定不变；利用fmincin函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据做成表格；其公式与编程如下：

[x,fval]＝fmincon(@fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@myfun)；

function[c,ceq]＝myfun；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；@fun为公式(4)，@myfun为非线性不等式c和等式ceq,c为公式(5)，ceq为公式(3)，myfun为matlab编写函数的函数名；

步骤S122：取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S121，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q,；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

由公式(1)可以计算出当前电流对应的电压，若U＜U_lim，则按照MTPA计算出当前转矩下的dq轴的电流i_d和i_q。反之按照恒转矩弱磁计算出当前转矩下的dq轴的电流i_d和i_q。

在本实施例中，根据恒功率控制计算得到的表格具体为：当电动汽车在高速运行时，根据可知，当电机达到峰值功率时，若继续加速，只能降低转矩，此时采取恒功率控制，即电机运行时保持功率不变；利用fsolve函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据统计做成表格；其编程如下：

x＝fsolve(@(x)myfun)；

式中，@(x)myfun为

较佳的，实际应用中，当温度升高、电枢磁场发生变化时，永磁磁链值很容易发生变化。并且在逆变器驱动电机的情况下，由于逆变器输出PWM波中含有大量高次谐波，这些高次谐波会产生大量的损耗，从而引起永磁体温升加剧，最终可能会导致永磁体高温退磁。电机在实际运行时，磁链在±75℃下的变化范围可以达到±5％。当磁链发生变化时，制作的电流指令表格数据无法更新，由可知，会导致电机实际输出转矩与目标转矩产生误差。电动汽车一般在中等车速运行，为了使实际输出转矩与目标转矩相匹配，当磁链的变化比较小时，利用拉格朗日中值定理：f(x+Δx)＝f(x)+f'(x)Δx求出磁链变化后的所需电流。在恒转矩控制和恒功率控制阶段，采用电压反馈控制策略对dq轴电流进行补偿。

步骤S3中，对指令电流i_d和i_q的补偿具体包括以下步骤：

步骤S31：为了使修正后的电流更加接近精确解，本发明采用磁链变化前后的电压差值来估算磁链的变化量，采用磁链变化前后的电压差值来估算磁链的变化量，即对磁链变化前电压U₁与磁链变化后的电压U₂之差用PI调节器控制，得到估算的磁链变化量其中，变化前后的电压计算如下：

式中，U_d为d轴电压，U_q为q轴电压；在忽略电阻压降时，d轴电压与q轴电压计算如下式：

步骤S32：在恒转矩弱磁控制和恒功率控制时，此时的定子电压达到U_lim，结合公式(3)、(5)求出电流i_d和i_q关于的导数：

步骤S33：当磁链发生变化时，补偿后的电流求解采用下式：

根据指令转矩和电机的当前转速信号直接查询指令电流i_d和i_q，当考虑磁链变化时，指令电流与补偿电流相加得到全新的电流值

较佳的，在本实施例中，补偿后的电流与实际反馈的直交轴电流经过比较后、通过电流环内PI调节器分别得到直交轴相电压U_d和U_q。这两个相电压再通过坐标系转化为定子相电压矢量，这时采用电压空间矢量技术来产生PWM信号控制逆变器，从而实现电机的闭环控制。

具体的，本实施例以一台4对极内置式永磁同步电机为例，电机的额定转速为4800r/min,最大转矩210Nm，d轴电感为108μH,q轴电感为320μH。永磁磁链为0.055Wb，直流母线电压为375V，电流限值为410A。当电机以500rad/s运行时，突然施加150Nm的力矩。当磁链恒为0.055Wb时，电磁转矩的变化如图3所示。当磁链减小10％时，即磁链变为0.495Wb时,电磁转矩的变化如图4所示。当磁链减小10％时，即磁链变为0.495Wb,采用本发明的电压反馈后，电磁转矩的变化如图5所示。

由图3可以看出，当磁链不发生变化时，电机的输出转矩与所需转矩基本一样，说明本发明设计的查表法合理的。在0.06秒时，转矩开始减小，这是因为电机开始恒功率弱磁。由图4可以看出，当磁链减小10％时，电机的输出转矩与期望转矩有一定的误差。由图5可以看出，当采用本发明的方法后，输出转矩与目标转矩基本相同，误差减小很多。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据电动汽车的驱动特性，计算指令电流表；

步骤S2：根据转矩指令和电机的当前转速信号直接查询已经制作完成的电流表，从而获得指令电流i_d和i_q；

步骤S3：将指令电流i_d和i_q经过补偿后分别与实际反馈的直交轴电流分量构成两个电流闭环控制，分别输出直轴电压U_d和交轴电压U_q，再将d-q坐标系变化为两相静止α-β坐标系得到U_α、U_β；

步骤S4：采用两电平空间矢量调制算法得到U_a、U_b、U_c，从而达到控制电机实现恒转矩、恒功率运行的目的。

2.根据权利要求1所述的一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：步骤S1具体为将根据MPTA控制、恒转矩弱磁控制、恒功率控制计算得到的表格汇总到一起，得到电机运行完整的指令电流表格。

3.根据权利要求2所述的一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：根据MPTA控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S111：当电机在基速下运行，且电机定子电压U小于极限电压U_lim,此时采用最大转矩电流比控制，即在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流使定子电流最小；

永磁同步电机定子电压为：

式中，U_lim为极限电压，即定子相电压峰值，U_d为逆变器直流侧电压；ω_e表示电机的电角速度,L_d、L_q分别表示电机的d轴和q轴的励磁电感，表示电机的磁链；

电磁转矩方程为：

式中，n_p表示电机的极对数；

定子电流限制方程为：

式中，I_lim为极限电流值；

步骤S112：用MATLAB中fmincon()函数进行优化计算，同时得到对应的dq轴电流；其编程如下：

[x,fval]＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；fun为目标函数，即公式(4)；nonlcon为非线性约束函数，即公式(3)；x0表示电流初值；

步骤S113：取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S111至步骤S112，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

4.根据权利要求2所述的一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：根据恒转矩弱磁控制计算得到的表格具体包括以下步骤：

步骤S121：当电机定子电压U≥U_lim时，电机运行受到电压与电流的共同限制，此时需要恒转矩控制，即保持转矩稳定不变；利用fmincin函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据做成表格；其公式与编程如下：

[x,fval]＝fmincon(@fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@myfun)；

function[c,ceq]＝myfun；

式中，b,beq,lb和ub为线性不等式约束的上、下界向量,A和Aeq为线性不等式约束和等式约束的系数矩阵矩阵；x为最小值点，即i_d和i_q；fval为目标函数最优值；@fun为公式(4)，@myfun为非线性不等式c和等式ceq，c为公式(5)，ceq为公式(3)，myfun为matlab编写函数的函数名；

步骤S122：取转矩的间隔为1Nm，转速的间隔为50r/min，重复步骤S121，计算出不同转矩、转速所对应的最优i_d和i_q；将计算得到的dq轴的电流i_d和i_q制作成二维表格；其中，小于50r/min精度下的转速通过线性插值来实现。

5.根据权利要求2所述的一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：根据恒功率控制计算得到的表格具体为：当电动汽车在高速运行时，根据可知，当电机达到峰值功率时，若继续加速，只能降低转矩，此时采取恒功率控制，即电机运行时保持功率不变；利用fsolve函数求出不同转速下，各转矩值对应dq轴的电流i_d和i_q，将数据统计做成表格；其编程如下：

x＝fsolve(@(x)myfun)；

式中，@(x)myfun为

6.根据权利要求1所述的一种新型的永磁同步电机查表弱磁控制方法，其特征在于：步骤S3中，对指令电流i_d和i_q的补偿具体包括以下步骤：

步骤S31：采用磁链变化前后的电压差值来估算磁链的变化量，即对磁链变化前电压U₁与磁链变化后的电压U₂之差用PI调节器控制，得到估算的磁链变化量其中，变化前后的电压计算如下：

式中，U_d为d轴电压，U_q为q轴电压；

步骤S32：在恒转矩弱磁控制和恒功率控制时，此时的定子电压达到U_lim，结合公式(3)、(5)求出电流i_d和i_q关于的导数：

步骤S33：当磁链发生变化时，补偿后的电流求解采用下式：