CN109768751B - 一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法，包括：根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式；根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式；根据电流和最大转矩电流比角的关系式，将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式；根据永磁同步电机的参考转矩和转矩与最大转矩电流比角的关系式得到参考最大转矩电流比角；根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值；根据d、q轴电流参考值控制永磁同步电机。本发明的控制方法能够实现对电机的简便、快速和精准控制，且具有优良动态及稳态性能，普适性和实用性强。

Description

一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机传动控制领域，特别是指一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法。

背景技术

永磁同步电机由于高功率密度，高效节能得到广泛的深入的研究与广泛的应用，采用最大转矩电流比(MTPA)方法可以更节能，可以在输出相同转矩下具有最小的电流幅值，从而提高系统效率并实现节能。所以MTPA对于PMSM非常重要。很多学者对MTPA进行深入的研究，有大量的研究成果，很多方法实现MTPA，但是这些方法或多或少有一些缺陷。主要有：

1)查表法LUT，该法是根据电机的运行状况，如电机速度，电流值，及母线电压的大小实时查表，而且通常与弱磁一起制定表格，所以该方法优点是参数鲁棒性高，动态性能高，但是缺点很明显，制表的工作量非常大；

2)信号注入的方法，主要原理向电机注入电流，根据转矩的脉动提取最佳MTPA工作点；

3)搜索算法，动态响应慢，易发散；

4)解析法：根据电机模型和参数进行计算，优点动态响应快，缺点是参数鲁棒性差，计算量大，容易带来计算误差。

因此，基于现有技术的以上缺陷，亟待出现一种新型的最大转矩电流比控制方案，能够解决上述缺陷，实现对电机的最大转矩电流比控制的简便、快速和精准。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种简便、快速和精准的最大转矩电流比控制方法。

基于上述目的，特别地，本发明提供的用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法包括：

根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式；

根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式；

根据电流和最大转矩电流比角的关系式，将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式；

根据永磁同步电机的参考转矩和转矩和最大转矩电流比角的关系式得到参考最大转矩电流比角；

根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值；

根据d、q轴电流参考值控制永磁同步电机。

可选地，根据d、q轴电流参考值控制永磁同步电机包括：将永磁同步电机的反馈电流经过坐标变换后与d、q轴电流参考值比较得到误差，经过PI调节器得到参考电压；将参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，再经过PWM调制后得到逆变器六路开关信号实现对永磁同步电机的控制。

可选地，永磁同步电机的参考转矩根据永磁同步电机的额定转速和反馈转速的误差，并通过PI调节器得到。

可选地，根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式包括：

或

可选地，根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式包括：当满足最大转矩电流比时，转矩和最大转矩电流比角的关系式为：

求解得到满足转矩输出的最小电流幅值和最大转矩电流比角的关系式为：

可选地，根据电流和最大转矩电流比角的关系式，将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式包括：将电流与最大转矩电流比角的关系式代入转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式：

和

令T_x＝T_eA₀，通过数值计算得到不同永磁同步电机的T_x的范围为[-4，4]，并采用曲线拟合的方法得到最大转矩电流比角和T_x的关系为：当T_x的范围为[-4，-1.995]时，θ＝2.07·sin(0.1212·T_x-4.096)；当T_x的范围为[-1.995，0]时，θ＝1.96·sin(0.2251·T_x-2.213)；当T_x＞0时，将-T_x带入上式得到θ后再关于π对称。

可选地，当L_d＝L_q时，A₀＝₀，可得

进一步可得i_d＝0。上述控制方法适用于表贴式永磁电机。

可选地，根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值包括：根据速度环得到的转矩对应到最大转矩电流比角，进而获得d、q轴电流参考值为：i_q ^*＝I_s ^*sin(θ)和i_d ^*＝I_s ^*cos(θ)。

可选地，得到i_q ^*、i_q ^*后，和经过坐标变换后的电机反馈电流i_q、i_q作比较，得到电流误差信号，经过PI调节器得到d、q轴参考电压U_d ^*、U_q ^*，且将参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系根据关系式：

得到。

从上面所述可以看出，本发明提供的用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法利用MTPA角与转矩的唯一对应关系，可以通过参考转矩准确的得到电流矢量的角度信息，从而计算出d、q轴电流，方法简洁高效。并且，本发明的控制方法相对于传统方案：和制表法相比，无需制表，减少了工作量；和信号注入法相比，不需要信号注入，提高了动态响应和收敛性能；与解析法相比，有效减少了计算量。此外，本控制方法因为提出的最大转矩电流比控制适用于表贴式和内嵌式永磁同步电机，提供了一个简洁高效的统一的控制方法，提高了控制方法的普适性和实用性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的控制方法的示意性流程图；

图2为本发明一个实施例的控制方法的示意性控制框图；

图3为本发明一个实施例的永磁同步电机及系统的示意性参数表；

图4为本发明一个实施例的最大转矩电流比角函数拟合曲线的示意图；

图5为本发明一个实施例的MTPA算法验证仿真示意图；

图6为本发明另一个实施例的MTPA算法验证仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明一个实施例的控制方法的示意性流程图，图2为本发明一个实施例的控制方法的示意性流程图。如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法，该方法包括以下步骤：

S200：根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式；

S300：根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式；

S400：根据电流和最大转矩电流比角的关系式，将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式；

S500：根据永磁同步电机的参考转矩和转矩与最大转矩电流比角的关系式得到参考最大转矩电流比角；

S600：根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值；

S700：根据所述d、q轴电流参考值控制所述永磁同步电机。

也就是说，根据最大转矩电流比的定义，要在确定的电流幅值下，使产生的转矩最大。本实施例为了使产生的转矩最大，需要合理的d，q轴电流分配。d，q轴电流分配可以根据电流矢量的角度确定。如果电机参数确定，每一个转矩值会对应一个唯一的最大转矩电流比角(MTPA角)，也就是说在一定转矩范围内，所有的转矩值与MTPA角会有一个函数对应关系。由于MTPA角与转矩值是一一对应的，其对应的函数可逆，所以基于求出该函数的逆函数，就可以根据转矩值求出对应的MTPA。由于该计算方式是通用的，故本实施例的控制方法对于不同参数的永磁同步电机都适用。

基于此，本实施例的控制方法能够带来以下益处：利用MTPA角与转矩的唯一对应关系，可以通过参考转矩准确的得到电流矢量的角度信息，从而计算出d、q轴电流，方法简洁高效；相对传统方案，与制表法相比，无需制表，减少了工作量；和信号注入法相比，不需要信号注入，提高了动态响应和收敛性能；与解析法相比，有效减少了计算量；提出的最大转矩电流比控制适用于不同参数的永磁同步电机，提供了一个简洁高效的统一的控制方法。

在本发明的一些实施例中，该控制方法中根据d、q轴电流参考值控制永磁同步电机可包括以下步骤：将永磁同步电机的反馈电流经过坐标变换后与d、q轴电流参考值比较得到误差，经过PI调节器得到参考电压；将参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，再经过PWM调制后得到逆变器六路开关信号实现对永磁同步电机的控制。

在本发明的一些实施例中，该控制方法中永磁同步电机的参考转矩根据永磁同步电机的额定转速和反馈转速的误差，并通过PI调节器得到。结合上述实施例及图2，也就是说，本实施例通过电机反馈转速与额定转速的误差，经过一个PI控制器，得到转矩的给定参考值。在上述实施例提出的MTPA控制方法中，将转矩与角度相对应，通过永磁同步电机的数学模型，得到电流和转矩的关系。当转矩取得极大值时，求得电流和最大转矩电流比(MTPA)角的关系式，再将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，进一步得到转矩和MTPA角(θ)的对应关系式，从而利用参考转矩T_e ^*得到角度θ，然后将电流矢量分解到d、q轴，得到d、q轴电流参考值。将电流参考值和经过坐标变换后的电机反馈电流作比较，经过一个PI控制器，得到参考电压信号，经过坐标变换，将两相旋转坐标系下的电压转化到两相静止坐标系下，再经过PWM调制后得到逆变器六路开关信号实现对电机的控制。

在本发明的一些实施例中，根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式可包括：

或

在上述以以下实施例中，T_e为转矩，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，i_d、i_q为d、q轴电流，L_d、L_q为d、q轴电感，I_s为电流幅值，θ为电流幅值和d轴之间的夹角。

在本发明的一些实施例中，根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式可以包括以下步骤：当满足最大转矩电流比时，转矩和最大转矩电流比角的关系式为：

求解得到满足转矩输出的电流和最大转矩电流比角的关系式为：

图3为本发明一个实施例的永磁同步电机及系统的示意性参数表，图4为本发明一个实施例的最大转矩电流比角函数拟合曲线的示意图。结合图3和图4所示，在本发明的一些实施例中，根据电流和最大转矩电流比角的关系式，将永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式可包括以下步骤：将电流与最大转矩电流比角的关系式代入转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式：

和

令T_x＝T_eA₀，通过数值计算得到不同永磁同步电机的T_x的范围为[-4，4]，并采用曲线拟合的方法得到最大转矩电流比角和T_x的关系为：当T_x的范围为[-4，-1.995]时，θ＝2.07·sin(0.1212·T_x-4.096)；当T_x的范围为[-1.995，0]时，θ＝1.96·sin(0.2251·T_x-2.213)；当T_x＞0时，将-T_x带入上式得到θ后再关于π对称。也就是说，将参数带入本实施例求得的关系式，可以得到T_eA₀的范围是[-4，4]，且对于其他参数的电机，经数值计算表明均在该范围。并且，MTPA角与转矩值存在一一对应的关系，也就是函数是可逆的，所以只要求出其逆函数，就可以根据转矩值求出对应的MTPA角。图4中T_x＝T_eA₀，角度随T_x变化而变化。在本实施例的一些实施方式中，当L_d＝L_q时，A₀＝0，可得

进一步可得i_d＝0，可见本实施例的方法同样适用于表贴式永磁电机。

在本发明的一些实施例中，根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值包括：根据速度环得到的转矩对应到最大转矩电流比角，进而获得d、q轴电流参考值为：i_q ^*＝I_s ^*sin(θ)和i_d ^*＝I_s ^*cos(θ)。

在本发明的一些实施例中，得到i_q ^*、i_q ^*后，和经过坐标变换后的电机反馈电流i_q、i_q作比较，得到电流误差信号，经过PI调节器得到d、q轴参考电压U_d ^*、U_q ^*。

在本发明的一些实施例中，将参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系可根据关系式：

得到。

图5为本发明一个实施例的MTPA算法验证仿真示意图，图6为本发明另一个实施例的MTPA算法验证仿真示意图。其中，图5为1500rpm转速，负载50Nm时MTPA算法验证仿真图。图中通道1为实际电流幅值，通道2为实际电机电磁转矩，通道3为电流矢量角，通道4为d轴电流给定值。图5为1500rpm转速，负载100Nm的仿真波形，通道信息与图4信息一致。图4和图5中，在1.5s时将电流矢量角逐渐增加，然后再逐渐减小，从图4和图5中可以看出在上述过程中会出现一个角度使得电流幅值最小，此角就是MTPA角。而在3.7s时，将MTPA算法开启，可以明显地看出MTPA算法给出的最优角就是理想的MTPA角。从图4和图5中可以看出在50Nm时，MTPA角是1.78rad，100Nm时MTPA角是1.92rad。因此，本发明的实施例提出的MTPA方法具有优良动态及稳态性能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法，包括：

根据所述永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式；

根据所述电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式；

根据所述电流和最大转矩电流比角的关系式，将所述永磁同步电机的电流方程带入到转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式，包括：

将电流与最大转矩电流比角的关系式代入转矩方程中，得到转矩和最大转矩电流比角的关系式：

和

其中，T_e为转矩，L_d、L_q为d、q轴电感，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，θ为电流幅值和d轴之间的夹角；

根据所述永磁同步电机的参考转矩和所述转矩和最大转矩电流比角的关系式得到参考最大转矩电流比角；

根据电流矢量和所述参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值；

根据所述d、q轴电流参考值控制所述永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述根据d、q轴电流参考值控制永磁同步电机包括：

将所述永磁同步电机的反馈电流经过坐标变换后与所述d、q轴电流参考值比较得到误差，经过PI调节器得到参考电压；

将所述参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，再经过PWM调制后得到逆变器六路开关信号实现对所述永磁同步电机的控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中

所述永磁同步电机的参考转矩根据所述永磁同步电机的额定转速和反馈转速的误差，并通过PI调节器得到。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其中，所述根据永磁同步电机的数学模型得到电流和转矩的关系式包括：

或

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，所述根据电流和转矩的关系式得到当转矩取得极大值时电流和最大转矩电流比角的关系式包括：

当满足最大转矩电流比时，转矩和最大转矩电流比角的关系式为：

求解得到满足转矩输出的电流和最大转矩电流比角的关系式为：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，令T_x＝T_eA₀，通过数值计算得到不同永磁同步电机的T_x的范围为[-4，4]，并采用曲线拟合的方法得到最大转矩电流比角和T_x的关系为：

当T_x的范围为[-4，-1.995]时，θ＝2.07·Sin(0.1212·T_x-4.096)；

当T_x的范围为[-1.995，0]时，θ＝1.96·Sin(0.2251·T_x-2.213)；

当T_x＞0时，将-T_x带入上式得到θ后再关于π对称。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其中，所述根据电流矢量和参考最大转矩电流比角得到d、q轴电流参考值包括：

根据速度环得到的转矩对应到最大转矩电流比角，进而获得d、q轴电流参考值为：

i_q ^*＝I_s ^*sin(θ)和

id^*＝I_s ^*cos(θ)。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其中，当L_d＝L_q时，A₀＝0，进而

进而i_d＝0，所述控制方法适用于表贴式永磁电机。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其中，在得到i_q ^*、i_q ^*后，和经过坐标变换后的电机反馈电流i_q、i_q作比较，得到电流误差信号，经过PI调节器得到d、q轴参考电压U_d ^*、U_q ^*，且

所述将参考电压的坐标由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系根据关系式：

得到。

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