CN110492806A - 一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体说是一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法。本发明所述方法在单q轴电流调节器弱磁控制的基础上，增加了一种基于d轴电流和q轴电压的双误差的双参数补偿策略，将三个永磁同步电机参数降维为q轴电感和d轴磁链两个参数；根据电机的电流指令值与响应值之间的偏差以及d轴电压指令值和前馈值之间的偏差来实时补偿电机参数，实现了永磁同步电机在弱磁控制下的转矩精度的提升。

Description

一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体说是一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法。

背景技术

永磁同步电机由于调速范围宽、功率密度高和效率高等优点，在轨道交通、电动汽车等领域得到了广泛的应用。目前，永磁同步电机多采用矢量控制，且需要弱磁以满足宽调速范围的调速需求。然而电机在运行过程中随着其运行工况以及温度的变化，常导致其定子电阻、直交轴电感和永磁体磁链等电气参数发生较大的变化。这些参数对于实现高精度的矢量控制具有重要的意义，但在控制过程中这些参数常常由电机制造厂商提供或者离线测量得到，单一不变的参数显然无法应对电机频繁变化的工况需求。

目前，本技术领域内针对参数变化这一问题主要有查表法、参数在线辨识方法。查表法需要通过实验测定电机在不同温度下多种工况变化时的电机参数，因此需要进行大量重复实验以获得足够的实验数据，实现起来较为复杂。参数在线辨识方法一般需要改变电机的运行工况或者注入额外的扰动信号以实现对多个电气参数的同时辨识，电机实时运行时无法随意改变工况，而弱磁控制下可调量减少同样无法采用信号注入的方法。

专利申请号为CN201610369758.1，名称为《一种大功率表面式永磁同步电机优化控制方法》的专利申请中公开了：利用实时获取的永磁同步电机定子温度值查询定子的温度阻值对照表得到定子绕组电阻值，此外利用模型参考自适应系统法在电机运行时实时辨识电机的永磁体磁链值和定子电感值以实现电流控制的解耦，由于该方案待辨识的参数个数仅有两个，因此无需注入额外的信号，但缺点在于该方法仅可用于表贴式永磁同步电机。

专利申请号为CN201710325076.5，名称为《一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法》的专利申请中公开了：首先测定电机在不同温度下的电机绕组阻值和永磁体磁链值并进行曲线拟合，在电机运行时根据当前测量温度获取实时电阻和磁链值后，再利用电机的数学模型实时计算电机的直交轴电感，该方法同样可以实现电机在弱磁控制下的高精度控制，但是需要事先做大量的温升实验。

发明内容

针对永磁同步电机现有的弱磁控制技术由于参数变化导致控制精度下降的问题，本发明提出一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法。该方法可以根据电机的电流指令值与响应值之间的偏差以及d轴电压指令值和前馈值之间的偏差来实时补偿电机参数，提高永磁同步电机弱磁控制下的转矩输出精度。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种永磁同步电机弱磁控制方法，采用了如下的弱磁控制策略：

1)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；

2)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电压限幅值的差值，通过电压PI控制器对d轴电流指令值进行调节；

3)根据电压限幅值和电压矢量相角计算得到d电压指令值和q轴电压指令值。

一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，具体包括以下步骤：

步骤1，采集永磁同步电机的三相绕组电流值，并相继作克拉克变换和帕克变换得到永磁同步电机在两相旋转换坐标系下的d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q；

步骤2，根据永磁同步电机d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f和q轴电感补偿值△L_q ^cmp、d轴磁链补偿值△ψ_d ^cmp计算得到永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk；

其中，上述d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f为电机参数初始值，可以由电机厂家给定或者通过现有技术离线测量得到。△L_d ^cmp和△ψ_d ^cmp的值在每一次计算中通过后续步骤5和6进行更新，初值设置为零；

根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk；

步骤3，利用当前时刻的电压限幅值u_max和前馈电压指令幅值u_s,fdwk之间的误差经过电压PI调节器调节后，得到d轴电流指令值i^* _d；

将转矩指令值T_e ^*、补偿后的d轴磁链值q轴电感值L_d ^cmp和d轴电流指令值i^* _d，根据转矩计算公式计算得到q轴电流指令值i^* _q；

步骤4，根据q轴电流指令值i^* _q和q轴电流实际值i_q之间的误差作为q轴电流PI调节器的输入，调节得到弱磁控制下的电压矢量角θ；并根据电压矢量角θ和电压限幅值u_max计算得到d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q；

步骤5，利用d轴前馈电压值u_d,fdwk和d轴电压指令值u^* _d之间的误差作为d轴电压PI调节器的输入，其输出为q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp，并将ΔL_q ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤6，将电机d轴电流指令值i^* _d和d轴电流实际值i_d之间的误差作为d轴电流PI调节器的输入，其输出即为d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp，并将Δψ_d ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤7，将q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp与q轴电感值L_q相加得到补偿后的q轴电感值L_q ^cmp，将d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp和d轴磁链计算值ψ_d相加得到补偿后的d轴磁链值ψ_d ^cmp，并将L_q ^cmp和ψ_d ^cmp返回步骤3中，用于下一时刻计算；

步骤8，将两相旋转坐标系下的d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q经过反帕克变换和反克拉克变换后得到的三相静止坐标系下的参考电压值送至SVPWM环节，输出PWM波经由逆变器后作用于永磁同步电机使其正常运行。

在上述技术方案的基础上，步骤2中，所述永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk，计算公式如式(1)所示：

其中，ω_s为电机定子电频率。

在上述技术方案的基础上，步骤2中，根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk，计算的公式如式(2)所示：

在上述技术方案的基础上，步骤3中，所述转矩计算公式如式(3)所示：

其中，T_e ^*为转矩指令值，N_p为电机极对数，ψ_d ^cmp为补偿后的d轴磁链值，L_q ^cmp为q轴电感值。

在上述技术方案的基础上，步骤4中，所述d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q的计算公式如式(4)所示：

在上述技术方案的基础上，步骤7中，所述L_q ^cmp和ψ_d ^cmp的计算公式如式(5)所示：

式(5)中，

本发明具有以下有益效果：

在单q轴电流调节器弱磁控制的基础上，增加了一种基于d轴电流和q轴电压的双误差的双参数补偿策略，将三个永磁同步电机参数降维为q轴电感和d轴磁链两个参数，实现了弱磁控制下转矩精度的提升。

附图说明

本发明有如下附图：

图1永磁同步电机弱磁下在线参数补偿方法流程框图；

图2前馈电压计算环节示意图；

图3电流指令生成环节示意图；

图4电压指令生成环节示意图；

图5参数在线补偿环节示意图。

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1-5所示，本发明提出一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，采集永磁同步电机的三相绕组电流值，并相继作克拉克变换和帕克变换得到永磁同步电机在两相旋转换坐标系下的d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q；

步骤2，根据永磁同步电机d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f和q轴电感补偿值△L_q ^cmp、d轴磁链补偿值△ψ_d ^cmp计算得到永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk；

其中，上述d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f为电机参数初始值，可以由电机厂家给定或者通过现有技术离线测量得到。△L_d ^cmp和△ψ_d ^cmp的值在每一次计算中通过后续步骤5和6进行更新，初值设置为零；

根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk；

步骤3，利用电压限幅值u_max和前馈电压指令幅值u_s,fdwk之间的误差经过电压PI调节器调节后，得到d轴电流指令值i^* _d；

将转矩指令值T_e ^*、补偿后的d轴磁链值ψ_d ^cmp、q轴电感值L_q ^cmp和d轴电流指令值i^* _d，根据转矩计算公式计算得到q轴电流指令值i^* _q；

步骤4，将q轴电流指令值i^* _q和q轴电流实际值i_q之间的误差作为q轴电流PI调节器的输入，调节得到弱磁控制下的电压矢量角θ；并根据电压矢量角θ和电压限幅值u_max计算得到d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q；

步骤5，利用d轴前馈电压值u_d,fdwk和d轴电压指令值u^* _d之间的误差作为d轴电压PI调节器的输入，其输出为q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp，并将ΔL_q ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤6，利用电机d轴电流指令值i^* _d和d轴电流实际值i_d之间的误差作为d轴电流PI调节器的输入，其输出即为d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp，并将Δψ_d ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤7，将q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp与q轴电感值L_q相加得到补偿后的q轴电感值L_q ^cmp，将d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp和d轴磁链计算值ψ_d相加得到补偿后的d轴磁链值ψ_d ^cmp，并将L_q ^cmp和ψ_d ^cmp返回步骤3中，用于下一时刻计算；

步骤8，将两相旋转坐标系下的d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q经过反帕克变换和反克拉克变换后得到的三相静止坐标系下的参考电压值送至SVPWM环节，输出PWM波经由逆变器后作用于永磁同步电机使其正常运行。

在上述技术方案的基础上，步骤2中，所述永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk，计算公式如式(1)所示：

其中，ω_s为电机定子电频率。

在上述技术方案的基础上，步骤2中，根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk，计算的公式如式(2)所示：

在上述技术方案的基础上，步骤3中，所述转矩计算公式如式(3)所示：

其中，T_e ^*为转矩指令值，N_p为电机极对数，ψ_d ^cmp为补偿后的d轴磁链值，L_q ^cmp为q轴电感值。

在上述技术方案的基础上，步骤4中，所述d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q的计算公式如式(4)所示：

在上述技术方案的基础上，步骤7中，所述L_q ^cmp和ψ_d ^cmp的计算公式如式(5)所示：

式(5)中，

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 (8)

1.一种永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，采用了如下的弱磁控制策略：

1)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；

2)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电压限幅值的差值，通过电压PI控制器对d轴电流指令值进行调节；

3)根据电压限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。

2.一种永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，采集永磁同步电机的三相绕组电流值，并相继作克拉克变换和帕克变换得到永磁同步电机在两相旋转换坐标系下的d轴电流实际值i_d和q轴电流实际值i_q；

步骤2，根据永磁同步电机d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f和q轴电感补偿值△L_q ^cmp、d轴磁链补偿值△ψ_d ^cmp计算得到永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk；

根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk；

步骤3，利用当前时刻的电压限幅值u_max和前馈电压指令幅值u_s,fdwk之间的误差经过电压PI调节器调节后，得到d轴电流指令值i^* _d；

将转矩指令值T_e ^*、补偿后的d轴磁链值q轴电感值L_d ^cmp和d轴电流指令值i^* _d，根据转矩计算公式计算得到q轴电流指令值i^* _q；

步骤4，将q轴电流指令值i^* _q和q轴电流实际值i_q之间的误差作为q轴电流PI调节器的输入，调节得到弱磁控制下的电压矢量角θ；并根据电压矢量角θ和电压限幅值u_max计算得到d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q；

步骤5，利用d轴前馈电压值u_d,fdwk和d轴电压指令值u^* _d之间的误差作为d轴电压PI调节器的输入，其输出为q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp，并将ΔL_q ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤6，利用电机d轴电流指令值i^* _d和d轴电流实际值i_d之间的误差作为d轴电流PI调节器的输入，其输出即为d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp，并将Δψ_d ^cmp返回步骤2中，用于下一时刻的计算；

步骤7，将q轴电感补偿值ΔL_q ^cmp与q轴电感值L_q相加得到补偿后的q轴电感值L_q ^cmp，将d轴磁链补偿值Δψ_d ^cmp和d轴磁链计算值ψ_d相加得到补偿后的d轴磁链值ψ_d ^cmp，并将L_q ^cmp和ψ_d ^cmp返回步骤3中，用于下一时刻计算；

步骤8，将两相旋转坐标系下的d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q经过反帕克变换和反克拉克变换后得到的三相静止坐标系下的参考电压值送至SVPWM环节，输出PWM波经由逆变器后作用于永磁同步电机使其正常运行。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤2中，所述d轴电感值L_d、q轴电感值L_q、永磁体磁链值ψ_f为电机参数初始值，由电机厂家给定；q轴电感补偿值△L_d ^cmp和d轴磁链补偿值△ψ_d ^cmp的初值设置为零。

4.如权利要求3所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤2中，所述永磁同步电机的d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk，计算公式如式(1)所示：

其中，ω_s为电机定子电频率。

5.如权利要求4所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤2中，根据d轴前馈电压值u_d,fdwk和q轴前馈电压值u_q,fdwk计算得到前馈电压指令幅值u_s,fdwk，计算的公式如式(2)所示：

6.如权利要求2所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤3中，所述转矩计算公式如式(3)所示：

其中，T_e ^*为转矩指令值，N_p为电机极对数，ψ_d ^cmp为补偿后的d轴磁链值，L_q ^cmp为q轴电感值。

7.如权利要求6所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤4中，所述d轴电压指令值u^* _d和q轴电压指令值u^* _q的计算公式如式(4)所示：

8.如权利要求2所述的永磁同步电机在弱磁控制下的在线参数补偿方法，其特征在于，步骤7中，所述L_q ^cmp和ψ_d ^cmp的计算公式如式(5)所示：

式(5)中，