CN110474584A - 一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，包括1：根据直流母线电压计算最大输出电压；2：给定期望的转矩指令，得到MTPA下的d轴电流指令值；3：利用电压外环控制器得到修正的d轴电流指令值；4：利用转矩公式得到q轴电流指令值；5：计算d，q轴新的前馈电压值，用于下个周期的计算；6：计算前馈电压相角值；7：利用q轴电流调节器得到补偿的前馈电压相角值；8：利用d轴电流调节器得到补偿的永磁体磁链，用于下个周期的计算；9：利用转矩闭环调节器得到补偿的q轴电感，用于下个周期的计算；10：将最大输出电压和补偿的前馈电压相角值输入脉冲发生模块，驱动永磁同步电机运行，实现对永磁同步电机的控制。

Description

一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略

技术领域

本发明涉及牵引电机控制领域，具体说是一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略。

背景技术

在大功率牵引传动系统中，为了降低逆变器的开关频率，充分利用直流母线电压，永磁同步电机在进入弱磁区后通常运行于方波工况，方波下的三相电压波形如图1所示。方波下电机电压幅值固定不可调，只能对电压相角进行控制，传统的基于双电流调节器的矢量控制会出现两电流调节器的冲突以及饱和现象，难以应用于方波工况。因此，需要针对方波工况提出合适的控制策略。

目前，永磁电机在方波下常用的控制策略为电流开环控制策略，即去掉传统矢量控制中的双电流调节器，如图2所示，完全通过前馈电压方程计算得到电压指令。但该方法由于缺少了电流环，电流动态响应速度慢，并且无法对电流轨迹进行规划以规避不稳定点；同时由于电压指令完全由前馈计算而来，对参数的敏感性极高，当实际系统参数发生变化后，难以完成精准控制。第201710409028.4号中国发明专利公开了一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，通过在方波下加入单电流环提高转矩的动态响应速度，但是该方法针对异步电机，对于永磁电机并不能完全适用。

发明内容

针对现有技术中电流动态响应速度慢以及参数敏感性高的问题，在传统方波控制策略基础上，本发明提出了一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略。主要目的有以下两点：

1.实现方波下d，q轴电流闭环控制，从而提高d，q轴电流的动态响应速度，实现对电流轨迹的规划从而避免不稳定工作点；

2.对电压相角值，q轴电感以及永磁体磁链进行在线实时补偿，降低系统参数敏感性，实现方波工况下永磁同步电机的高性能控制。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，包括以下步骤：

步骤1：根据直流母线电压u_dc计算得到逆变器的最大输出电压u_smax；

步骤2：给定期望的转矩指令利用MTPA曲线得到MTPA下的d轴电流指令值i_d,mtpa；

步骤3：利用上一个计算周期得到的d，q轴前馈电压值计算得到前馈电压幅值将与最大输出电压u_smax做差，差值作为电压外环控制器的输入，输出为步骤2中得到的d轴电流指令值i_d,mtpa的补偿量△i_d，将通过电压外环调节得到的△i_d加到i_d,mtpa上，从而得到修正的d轴电流指令值

步骤4：利用转矩公式，由修正的d轴电流指令值计算得到q轴电流指令值

步骤5：根据得到的d，q轴电流指令值计算出d，q轴新的前馈电压值并更新用于下个计算周期中步骤3的计算；

步骤6：用步骤5中计算得到的d，q轴新的前馈电压值计算得到前馈电压相角值η^fw；

步骤7：通过三相电流实际值i_a，i_b，i_c和转子位置θ，计算得到同步旋转坐标系下d，q轴电流反馈值i_d和i_q；

将步骤4得到的q轴电流指令值与q轴电流反馈值i_q做差，输入q轴电流调节器对q轴电流进行闭环控制，q轴电流调节器输出为前馈电压相角值的补偿量△η，将其补偿到步骤6中计算得到的前馈电压相角值η^fw上，得到经过补偿的前馈电压相角值η_u；实现对q轴电流指令值的无静差跟踪，同时补偿了控制中数字延时对控制性能的影响；

步骤8：将步骤3中得到的d轴电流指令值与d轴电流反馈值i_d做差，差值输入d轴电流调节器，d轴电流调节器的输出为永磁体磁链的补偿量△ψ_f，将其补偿到永磁体磁链ψ_f上，得到补偿后的永磁体磁链将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算；

步骤9：通过功率模型观测电机实际转矩T_e；转矩指令与实际转矩T_e的差值作为转矩闭环调节器的输入，转矩闭环调节器的输出为q轴电感的补偿量△L_q，将其补偿到q轴电感L_q上，得到补偿后的q轴电感将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算；

步骤10：将最大输出电压u_smax和步骤7中经过补偿的前馈电压相角值η_u输入到脉冲发生模块发出逆变器驱动脉冲，驱动永磁同步电机运行，实现对永磁同步电机的控制。

步骤1中，最大输出电压u_smax的计算公式如下：

步骤3中，前馈电压幅值的计算公式如下：

在首个计算周期的初始值通过q轴电感的初始值L_q和永磁体磁链的初始值ψ_f计算得到；

△i_d的计算公式如下：

公式(3)中K_Pu和K_Iu分别为电压外环控制器的比例系数和积分系数；修正的d轴电流指令值的计算公式如下：

步骤4中，q轴电流指令值的计算公式如下：

式中N_P为永磁同步电机的极对数，L_d为永磁同步电机的d轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的q轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的永磁体磁链；和在首个计算周期的初始值L_q和ψ_f通过外部输入预先设定。

步骤5中，d，q轴新的前馈电压值的计算公式如下：

式中ω为电机角速度。

步骤6中，前馈电压相角值η^fw的计算公式如下：

步骤7中，d，q轴电流反馈值i_d和i_q的计算公式如下：

前馈电压相角值的补偿量△η的计算公式如下：

式中K_Pq，K_Iq分别为q轴电流环的比例系数和积分系数；

补偿的前馈电压相角值η_u的计算公式如下：

η_u＝η^fw+△η (10)

对η^fw进行补偿之后，电机电压指令表示为：

其中“*”代表乘号。

步骤8中，永磁体磁链的补偿量△ψ_f的计算公式如下：

其中K_Pd，K_Id分别为d轴电流环的比例系数和积分系数；

补偿后的永磁体磁链的计算公式如下：

其中ψ_f为永磁体磁链的初始值，通过外部输入预先设定。

步骤9中，实际转矩T_e通过公式(14)计算而来：

其中中P_e为电机电磁功率，具体计算公式如下：

P_e＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c (15)

公中i_a，i_b，i_c为采样得到的三相电流；u_a，u_b，u_c为三相电压，计算公式如下：

步骤9中，q轴电感的补偿量△L_q的计算公式如下：

式中K_PT，K_IT分别为转矩闭环的比例系数和积分系数；经过补偿的q轴电感的计算公式如下：

Lq为q轴电感的初始值，通过外部输入预先设定。

本发明的有益效果：

本发明针对大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制，分别通过q轴电流调节器，d轴电流调节器和转矩闭环调节器三个闭环调节器实现了对电压相角值，永磁体磁链，q轴电感的在线补偿和校正，可以保证任意电机参数不准以及控制中存在数字延时对电机输出转矩的精确控制。特别适用于轨道交通牵引传动系统等需要对电机输出转矩进行直接控制的场合。

附图说明

本发明有如下附图：

图1方波下的三相电压波形图。

图2传统的永磁同步电机方波控制策略框图。

图3本发明的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，本发明所述的一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，包括如下步骤：

一.电流和电压指令生成环节；

步骤1：通过AD采样可得到直流侧母线电压u_dc，图1为方波下三相逆变器输出的三相电压波形，此时逆变器输出基波电压幅值达到最大，最大输出电压u_smax如公式(1)所示：

步骤2：给定期望的转矩指令利用永磁电机MTPA(即最大转矩电流比)曲线计算得到MTPA下的d轴电流指令值i_d,mtpa；

步骤3：利用上一个计算周期得到的d，q轴前馈电压值计算得到前馈电压幅值如下式所示：

在首个计算周期的初始值通过q轴电感的初始值L_q和永磁体磁链的初始值ψ_f计算得到。

将与最大输出电压u_smax做差，差值作为电压外环控制器的输入，输出为步骤2中得到的d轴电流指令值i_d,mtpa的补偿量△i_d。

公式(3)中K_Pu和K_Iu分别为电压外环控制器的比例系数和积分系数。如果前馈电压幅值大于u_smax，则继续进行调节，直到二者相等,通过该闭环调节可以保证前馈电压幅值始终保持为u_smax。将得到的△i_d加到i_d,mtpa上，从而得到实际用于方波控制的修正的d轴电流指令值

步骤4：利用转矩公式和d轴电流指令值计算得到q轴电流指令值

公式(5)中N_P为永磁同步电机的极对数，L_d为永磁同步电机的d轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的q轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的永磁体磁链；和在首个计算周期的初始值L_q和ψ_f通过外部输入预先设定。

步骤5：根据已得到的d，q轴电流指令值计算出d，q轴新的前馈电压值

公式(6)中ω为电机角速度；将计算得到的d，q轴前馈电压值 分别赋值给用于下一个计算周期步骤3中前馈电压幅值的计算。

步骤6：用d，q轴新的前馈电压值计算得到前馈电压相角值η^fw：

二.q轴电流闭环调节

步骤7：通过AD采样采集三相电流实际值i_a，i_b，i_c，通过位置传感器测量得到转子位置θ，通过下面的公式可以得到同步旋转坐标系下d，q轴电流反馈值i_d和i_q。

公式(5)得到的q轴电流指令值与上式计算得到的q轴电流反馈值做差，差值作为q轴电流调节器的输入，调节器输出得到前馈电压相角值的补偿量△η，△η的表达式如公式(9)所示：

公式(9)中K_Pq，K_Iq分别为q轴电流环的比例系数和积分系数；

将△η补偿到公式(7)得到的前馈电压相角值η^fw上，得到经过补偿的前馈电压相角值η_u，公式如下：

η_u＝η^fw+△η (10)

对η^fw进行补偿之后，电机电压指令表示为：

其中“*”代表乘号。

三.d轴电流闭环调节

步骤8：将公式(4)得到的d轴电流指令值与通过(8)式计算得到的d轴电流反馈值做差，差值作为d轴电流调节器的输入，d轴电流调节器的输出为永磁体磁链的补偿量△ψ_f，△ψ_f的表达式为：

其中K_Pd，K_Id分别为d轴电流环的比例系数和积分系数；将△ψ_f补偿到永磁体磁链ψ_f上，得到补偿后的永磁体磁链实现对d轴电流指令值的无静差跟踪，同时实现对永磁体磁链的在线补偿。

补偿后的永磁体磁链的表达式为：

其中ψ_f为永磁体磁链的初始值，通过外部输入预先设定。将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算。

四、转矩闭环调节

步骤9：通过功率模型观测电机实际转矩T_e，实际转矩T_e通过公式(14)计算而来：

其中中P_e为电机电磁功率，具体计算公式如下：

P_e＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c (15)

公中i_a，i_b，i_c为采样得到的三相电流；u_a，u_b，u_c为三相电压。由于在方波工况下一个基波周期开关管只有一次开关动作，因此每个调制周期所发的脉冲占空比不是1即为0，可以通过读取输出脉冲电平高低来得到电压瞬时值。如下式所示：

将转矩指令与计算得到的实际转矩T_e做差，差值作为转矩闭环调节器的输入，转矩闭环调节器的输出为q轴电感的补偿量△L_q，将其补偿到q轴电感L_q上，得到补偿后的q轴电感实现对q轴电感的在线实时校正；△L_q的表达式如下：

式中K_PT，K_IT分别为转矩闭环的比例系数和积分系数；经过补偿的q轴电感的表达式为：

Lq为q轴电感的初始值，通过外部输入预先设定。将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算。

步骤10：将最大输出电压u_smax和公式(10)所示的经过补偿的前馈电压相角值η_u输入到脉冲发生模块发出逆变器驱动脉冲，驱动永磁同步电机运行，实现对永磁同步电机的控制。整体控制策略框图如图3所示。

本发明所采用的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，在通过开环计算前馈电压的基础上，同时加入了三个闭环，既保证了d，q轴电流的快速跟踪，又在方波下实现了对永磁同步电机的q轴电感，转子永磁体磁链和控制中数字延时的在线实时补偿，极大地提高了系统的参数鲁棒性能，即便当参数发生变化时，也可以保证转矩的准确发挥，实现方波下的高性能控制。特别适用于轨道交通牵引传动系统等需要对电机输出转矩直接进行控制的场合。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机在方波下的控制策略，其特征在于，采用了如下的弱磁控制方法：

1)根据逆变器直流母线电压确定逆变器的最大输出电压幅值U_smax；

2)根据d轴电流指令值、q轴电流指令值、电机参数计算d轴前馈电压值和q轴前馈电压值；

3)根据d轴前馈电压值和q轴前馈电压值计算得到前馈电压指令幅值；根据前馈电压指令幅值与最大输出电压幅值的差值，通过电压PI控制器对d轴电流指令值进行调节；

4)根据最大输出电压幅值和电压矢量相角计算得到d轴电压指令值和q轴电压指令值，并输入调制环节发出控制脉冲。

2.一种大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据直流母线电压u_dc计算得到逆变器的最大输出电压u_smax；

步骤2：给定期望的转矩指令利用MTPA曲线得到MTPA下的d轴电流指令值i_d,mtpa；

步骤3：利用上一个计算周期得到的d，q轴前馈电压值计算得到前馈电压幅值将与最大输出电压u_smax做差，差值作为电压外环控制器的输入，输出为步骤2中得到的d轴电流指令值i_d,mtpa的补偿量△i_d，将通过电压外环调节得到的△i_d加到i_d,mtpa上，从而得到修正的d轴电流指令值

步骤4：利用转矩公式，由修正的d轴电流指令值计算得到q轴电流指令值

步骤5：根据得到的d，q轴电流指令值计算出d，q轴新的前馈电压值并更新用于下个计算周期中步骤3的计算；

步骤6：用步骤5中计算得到的d，q轴新的前馈电压值计算得到前馈电压相角值η^fw；

步骤7：通过三相电流实际值i_a，i_b，i_c和转子位置θ，计算得到同步旋转坐标系下d，q轴电流反馈值i_d和i_q；

将步骤4得到的q轴电流指令值与q轴电流反馈值i_q做差，输入q轴电流调节器对q轴电流进行闭环控制，q轴电流调节器输出为前馈电压相角值的补偿量△η，将其补偿到步骤6中计算得到的前馈电压相角值η^fw上，得到经过补偿的前馈电压相角值η_u；

步骤8：将步骤3中得到的d轴电流指令值与d轴电流反馈值i_d做差，差值输入d轴电流调节器，d轴电流调节器的输出为永磁体磁链的补偿量△ψ_f，将其补偿到永磁体磁链ψ_f上，得到补偿后的永磁体磁链将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算；

步骤9：通过功率模型观测电机实际转矩T_e；转矩指令与实际转矩T_e的差值作为转矩闭环调节器的输入，转矩闭环调节器的输出为q轴电感的补偿量△L_q，将其补偿到q轴电感L_q上，得到补偿后的q轴电感将赋值给用于下一个计算周期中步骤4和步骤5的计算；

步骤10：将最大输出电压u_smax和步骤7中经过补偿的前馈电压相角值η_u输入到脉冲发生模块发出逆变器驱动脉冲，驱动永磁同步电机运行，实现对永磁同步电机的控制。

3.如权利要求2所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤1中，最大输出电压u_smax的计算公式如下：

4.如权利要求3所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤3中，前馈电压幅值的计算公式如下：

在首个计算周期的初始值通过q轴电感的初始值L_q和永磁体磁链的初始值ψ_f计算得到；

△i_d的计算公式如下：

公式(3)中K_Pu和K_Iu分别为电压外环控制器的比例系数和积分系数；修正的d轴电流指令值的计算公式如下：

5.如权利要求4所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤4中，q轴电流指令值的计算公式如下：

式中N_P为永磁同步电机的极对数，L_d为永磁同步电机的d轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的q轴电感，为：永磁同步电机上一个计算周期经过补偿之后的永磁体磁链；和在首个计算周期的初始值L_q和ψ_f通过外部输入预先设定。

6.如权利要求5所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤5中，d，q轴新的前馈电压值的计算公式如下：

式中ω为电机角速度。

7.如权利要求6所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤6中，前馈电压相角值η^fw的计算公式如下：

8.如权利要求7所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤7中，d，q轴电流反馈值i_d和i_q的计算公式如下：

前馈电压相角值的补偿量△η的计算公式如下：

式中K_Pq，K_Iq分别为q轴电流环的比例系数和积分系数；

补偿的前馈电压相角值η_u的计算公式如下：

η_u＝η^fw+△η (10)

对η^fw进行补偿之后，电机电压指令表示为：

其中“*”代表乘号。

9.如权利要求4所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤8中，永磁体磁链的补偿量△ψ_f的计算公式如下：

其中K_Pd，K_Id分别为d轴电流环的比例系数和积分系数；

补偿后的永磁体磁链的计算公式如下：

其中ψ_f为永磁体磁链的初始值，通过外部输入预先设定。

10.如权利要求2所述的大功率永磁同步电机在方波下的高性能控制策略，其特征在于：步骤9中，实际转矩T_e通过公式(14)计算而来：

其中P_e为电机电磁功率，具体计算公式如下：

P_e＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c (15)

公式中i_a，i_b，i_c为采样得到的三相电流；u_a，u_b，u_c为三相电压，计算公式如下：

步骤9中，q轴电感的补偿量△L_q的计算公式如下：

式中K_PT，K_IT分别为转矩闭环的比例系数和积分系数；经过补偿的q轴电感的计算公式如下：

其中，Lq为q轴电感的初始值，通过外部输入预先设定。