CN109861608A - 一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的mtpa方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法。充分考虑电机运行中的励磁参数变化情况和交叉饱和效应的影响，以较少的参数构建得到新的具有更高精度的转矩估算方程；采取方波信号注入，并直接利用求平均值乘以2的方式进行信号幅值提取，得到较为精确的MTPA工作点，且具有更高的鲁棒性和响应速度。

Description

一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法

技术领域

本发明属电机控制技术领域，具体涉及一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法。

背景技术

目前我国飞机交流电源系统大多采用多级式无刷同步电机作为发电机，该多级式无刷同步电机主要由主电机、旋转整流器、励磁机和副励磁机(永磁机)构成。随着大型飞机的迅猛发展，起动/发电一体化在现代航空技术中的地位越来越重要，而最大转矩电流比(MTPA)控制技术是该领域的一个研究热点。现有的最大转矩电流比控制方法主要有：查表法、公式法和在线搜寻方法。

查表法需要通过实验或者仿真等方式提前找到电机的MTPA点，然后再通过查表的方式，使得电机工作在MTPA点，这种方法需要消耗大量资源以及时间去提前寻找MTPA点，而且容易受到加工误差以及加工材料合格度的影响。公式法需要得到准确的电机电感值，然后通过求导的方式使电机转矩对于电流角的偏微分为0来得到MTPA解，这种方法由于忽略了电感值对于电流角变化的偏微分项，导致即使有精准的电感参数，也无法得到精准的MTPA解。在线搜寻方法，是在电机运行中，通过高频信号注入的方法，实时获得下一拍的转矩变化情况，然后让电机稳定工作在MTPA点，这种方法需要额外注入高频电流信号，会导致电机抖动，同时带来额外损耗。

虚拟信号注入方法是在线搜寻方法的一种，其主要特点是重新构建转矩方程，然后在此方程数学模型上注入高频信号，通过闭环控制使得其转矩对电流角的一阶偏微分为0，进而得到MTPA解，这样就能避免高频信号注入所带来的抖动以及额外损耗。目前，虚拟信号注入方法的研究还处于起步阶段，现有的虚拟信号注入方法中所构建的转矩方程有两种形式，要么完全忽略电机内部参数，误差较大；要么引入了直轴电感L_d，其准确度有所提高，但是其所适用的范围仅在L_d变化不大的状态下，同时未考虑交叉饱和效应，并不适用于参数变化剧烈的多级式起动/发电机中。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法。充分考虑电机运行中的励磁参数变化情况和交叉饱和效应的影响，以较少的参数构建新的转矩估算模型，得到较为精确的MTPA工作点，具有更高的鲁棒性。

一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用电磁场有限元软件计算得到电机的电感值，再利用Park坐标变换计算得电机的定子直轴电感L_d，定子交轴电感L_q，定子交叉耦合电感L_dq；

步骤2：注入高频方波信号h，并按如下公式计算得到高频信号注入后的转矩：

其中，为直轴磁链，为交轴磁链，P为极对数，U_d为直轴电压，U_q为交轴电压，R为定子电阻，ω_r为转子转速，i_d为高频信号注入前的直轴电流，i_q为高频信号注入前的交轴电流，为高频信号注入后的直轴电流，为高频信号注入后的交轴电流；

步骤3：按下式计算得到转矩对电流角的一阶偏微分信号：

其中，为高频信号注入前的转矩；

步骤4：求转矩对电流角的一阶偏微分信号最后一个控制周期的平均值并乘以2，得到其幅值，再利用闭环调节使得该幅值保持为零，即可让电机工作于MTPA点，MTPA运行时的交轴电流i_{q_MTPA}与直轴电流i_{d_MTPA}分别为：

i_{q_MTPA}＝Is*sin(β_MTPA) (3)

i_{d_MTPA}＝Is*cos(β_MTPA) (4)

其中，I_S为电流矢量，β_MTPA为MTPA工作点的电流角。

本发明的有益效果是：由于所构建的转矩方程中引入了定子直轴电感L_d、定子交轴电感L_q和定子交叉耦合电感L_dq，使得转矩估算更为准确；由于采取方波信号注入，转矩对电流角的一阶偏微分信号也为方波，直接利用求平均值乘以2的方式进行幅值提取，更为简单快速，且不会带来任何延时环节，响应更为迅速。

附图说明

图1是本发明的一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法的基本流程图

图2是本发明的系统控制框图

图3是本发明的虚拟信号控制框图

图4是采用不同方法计算得到的转矩值结果对比

图5是本发明方法搜寻MTPA工作点与实验方法的结果对比

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明提供了一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法，具体过程如下：

首先，利用电磁场有限元软件计算得到电机的电感值，再利用Park坐标变换计算得电机的定子直轴电感L_d，定子交轴电感L_q，定子交叉耦合电感L_dq，转子直轴交叉耦合电感M_dF，转子交轴交叉耦合电感M_qF。

然后，考虑交叉饱和电感的影响，构建新的转矩方程如下：

T^e＝1.5P[i_qM_dFi_f-i_dM_qFi_f+(L_d-L_q)i_di_q+L_dq(i_q ²-i_d ²)] (5)

其中，T^e表示电磁转矩，P为极对数，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i_f为励磁电流。

为了使方法的鲁棒性更强，本发明利用直轴磁链和交轴磁链将转矩方程(5)中的转子直轴交叉耦合电感M_dF和转子交轴交叉耦合电感M_qF项消除掉。其中，U_d为直轴电压，U_q为交轴电压，R为定子电阻，ω_r为转子转速。这样可以减少两个参数的使用，解决多级式起动/发电机起动阶段变励磁磁场所带来的影响。

注入高频方波信号h，则高频信号注入后的转矩方程为：

其中，T^h表示高频信号注入后的转矩，为高频信号注入后的直轴电流，为高频信号注入后的交轴电流。

假定高频信号注入前电机工作电流角为β，数学的注入高频方波信号h后，转矩方程由T(β)变为T(β+h)，然后通过一阶麦克劳林公式，将T(β+h)在β展开，即：

忽略二阶及其以上的高阶部分，得到转矩对电流角的一阶偏微分表达式为：

其中，T(β+h)＝T^h，T(β)采用传统转矩计算公式，即：

由于信号h为方波，转矩对电流角的一阶偏微分信号也是方波，在方波信号h为0电平的时刻，其值为0，当方波信号h不为0的时候，其值为方波的波顶。

求最后一个控制周期的平均值并乘以2，得到其幅值，再利用系统闭环调节使得其数值一直为零，从而让电机工作于MTPA点，MTPA运行时的交轴电流i_{q_MTPA}与直轴电流i_{d_MTPA}分别为：

i_{q_MTPA}＝Is*sin(β_MTPA) (10)

i_{d_MTPA}＝Is*cos(β_MTPA) (11)

其中，Is为电流矢量，β_MTPA为MTPA工作点的电流角。

图2为本发明的系统控制框图，图3是其中的虚拟信号模块控制框图，其中，转矩估算是最核心的问题。由于传统的转矩方程(9)忽略了交叉饱和效应，但并不完善，无法准确的计算电磁转矩，也就很难得到精确MTPA解。而本发明所构建的方程，包含了定子直轴电感L_d，定子交轴电感L_q，定子交叉耦合电感L_dq，转子直轴交叉耦合电感M_dF，转子交轴交叉耦合电感M_qF，可以进行精准地电磁转矩估算。并且，在高频信号注入后，利用直轴磁链和交轴磁链将转矩方程进行了进一步化简，省略掉了转子直轴交叉耦合电感M_dF和转子交轴交叉耦合电感M_qF，减少了模型的参数数量，提高了方法的鲁棒性。

此外，现有的虚拟信号注入方法均为高频正弦信号入，提取转矩对电流角的一阶偏微分信号幅值时需要低通滤波器与高通滤波器配合，这会带来延时，同时，高频正弦信号注入法又不容易准确的提取到目标项。本发明利用方波信号的特点，进行方波信号注入，并采取平均值乘以2的方式提取的幅值，无任何滤波器，计算更为准确、快速、简单。

图4给出了采用不同方法计算得到的转矩结果，分别为：传统转矩计算方法、有限元计算方法、实验方法和本发明方法，可以看出利用本发明方法计算得到结果较传统方法更为准确。比如在60°电流角时，本发明方法计算得到的值为55Nm，实验方法为56Nm，传统方法为50Nm。传统方法的转矩计算结果存在较大误差，从而也会导致MTPA控制结果准确度变差。图5给出了利用本发明方法和实验方法计算得到的MTPA轨迹，结果基本一致。

Claims (1)

1.一种多级式起动/发电机虚拟信号注入的MTPA方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用电磁场有限元软件计算得到电机的电感值，再利用Park坐标变换计算得电机的定子直轴电感L_d，定子交轴电感L_q，定子交叉耦合电感L_dq；

步骤2：注入高频方波信号h，并按如下公式计算得到高频信号注入后的转矩：

其中，为直轴磁链，为交轴磁链，P为极对数，U_d为直轴电压，U_q为交轴电压，R为定子电阻，ω_r为转子转速，i_d为高频信号注入前的直轴电流，i_q为高频信号注入前的交轴电流，为高频信号注入后的直轴电流，为高频信号注入后的交轴电流；

步骤3：按下式计算得到转矩对电流角的一阶偏微分信号：

其中，为高频信号注入前的转矩；

步骤4：求转矩对电流角的一阶偏微分信号最后一个控制周期的平均值并乘以2，得到其幅值，再利用闭环调节使得该幅值保持为零，即可让电机工作于MTPA点，MTPA运行时的交轴电流i_{q_MTPA}与直轴电流i_{d_MTPA}分别为：

i_{q_MTPA}＝Is*sin(β_MTPA) (4)

i_{d_MTPA}＝Is*cos(β_MTPA) (5)

其中，I_S为电流矢量，β_MTPA为MTPA工作点的电流角。