CN110545057B - 基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法 - Google Patents

基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法 Download PDF

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CN110545057B CN201910739248.2A CN201910739248A CN110545057B CN 110545057 B CN110545057 B CN 110545057B CN 201910739248 A CN201910739248 A CN 201910739248A CN 110545057 B CN110545057 B CN 110545057B
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Abstract

本发明涉及一种基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，包括：S1.计算得到d轴电流和q轴电流；S2.通过转矩指令计算得到d轴电流指令；S3.经过电流环PI调节器分别得到
Figure DDA0002163347710000011
与
Figure DDA0002163347710000012
S4.计算
Figure DDA0002163347710000013
与
Figure DDA0002163347710000014
并分别与
Figure DDA0002163347710000015
与
Figure DDA0002163347710000016
求和得到
Figure DDA0002163347710000017
与
Figure DDA0002163347710000018
S5.
Figure DDA0002163347710000019
与
Figure DDA00021633477100000110
Figure DDA00021633477100000111
输入到空间矢量调制模块，得到6路脉冲，作用于电压型逆变器控制电机；S6.对q轴电感和d轴磁链进行补偿；补偿之后的q轴电感和d轴磁链用于下一个计算周期中步骤S2和步骤S4的计算；步骤S1‑S6往复循环即通过对电机参数的补偿实现精确控制电机输出转矩。

Description

基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种在轨道交通牵引系统中基于前馈电压补偿的永磁同步电机在基速以下参数补偿方法。
背景技术
永磁同步电机具有高功率密度，高功率因数，高效率，体积小等优点，在轨道交通牵引系统有着极其广泛的应用。永磁同步电机最主要的控制方法为基于同步旋转坐标系(d-q轴)的矢量控制，适用于全速度范围内的运行工况。
永磁同步电机最核心的控制对象为转矩，为了保证转矩指令的准确发出，需要准确的电机参数。为了获得较为准确的电机参数，目前主要采用的方法为在线参数辨识方法，例如利用递推最小二乘法或扩展卡尔曼滤波法辨识永磁体磁链、d轴电感和q轴电感。这一类方法可能需要额外的信号注入，增加了控制的复杂性，同时辨识过程相对复杂，对于转矩指令准确发出这一目标的保证不够直接。
第201811287928.7号中国发明专利公开了一种通过前馈补偿控制模块对电机参数(永磁体磁链、d轴电感和q轴电感)的变化情况进行在线修正的方法，如图1所示。其基本原理为参数不准会导致d-q轴的调节器输出电压与前馈电压之间出现差值，直接利用该差值对参数进行补偿并重新计算MTPA下的定子电流角。其具体做法为输入信号(d-q轴调节器输出电压、d-q轴前馈电压、d-q轴电流、转速和电机初始参数)经过数学运算得到MTPA下的定子电流角，定子电流角与电流幅值经过合成得到d-q轴电流指令，d-q轴电流指令经过前馈解耦控制得到d-q轴电压指令、前馈电压，并将其重新代入数学运算进行在线修正，动态响应较快。然而这种方法要求控制中必须存在转速外环，通过转速外环调节得到电流幅值才能与计算得到的定子电流角进行d-q轴电流合成，在只有转矩内环的控制方法中并不适用，并且采用公式直接计算在小转矩工况会导致较大的计算误差，计算公式较为复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有良好转矩控制精度的基于前馈电压补偿的永磁同步电机在基速以下参数补偿方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，包括如下步骤：
S1.通过电压电流采样电路得到直流母线电压Udc和三相电流ia、ib、ic，通过旋转变压器解码电路得到转子位置角θ；
再将三相电流由三相静止坐标系变换为两相同步旋转坐标系，得到d轴电流id和q轴电流iq，变换矩阵为：
Figure BDA0002163347690000021
由转子位置角θ计算得到电机转速ωs；
S2.电机控制方法采用只包含电流内环的以转矩为直接控制目标的矢量控制，控制指令给定为转矩指令
Figure BDA0002163347690000022
该转矩指令通过电机特性曲线计算得到d轴电流指令
Figure BDA0002163347690000023
由转矩指令
Figure BDA0002163347690000024
和d轴电流指令
Figure BDA0002163347690000025
计算得到q轴电流指令
Figure BDA0002163347690000026
S3.将步骤S2中得到的电流指令
Figure BDA0002163347690000027
和
Figure BDA0002163347690000028
分别与步骤S1得到的d轴电流id与q轴电流iq做差，所得差值经过电流环PI调节器分别得到PI调节器输出电压
Figure BDA0002163347690000029
与
Figure BDA00021633476900000210
S4.利用步骤S2中得到的电流指令
Figure BDA0002163347690000031
和
Figure BDA0002163347690000032
计算电压前馈值
Figure BDA0002163347690000033
与
Figure BDA0002163347690000034
将
Figure BDA0002163347690000035
与
Figure BDA0002163347690000036
分别与步骤S3中得到的PI调节器输出电压
Figure BDA0002163347690000037
与
Figure BDA0002163347690000038
求和作为电机电压指令
Figure BDA0002163347690000039
与
Figure BDA00021633476900000310
S5.步骤S4中计算得到的
Figure BDA00021633476900000311
与
Figure BDA00021633476900000312
输入到空间矢量调制SVPWM模块，得到6路PWM脉冲，该脉冲最终作用于电压型逆变器从而控制电机；
S6.将PI调节器输出电压
Figure BDA00021633476900000313
与
Figure BDA00021633476900000314
分别作为两个参数补偿器的输入，两个参数补偿器的输出分别得到对q轴电感Lq和d轴磁链ψd的补偿量△Lq和△ψd；经过补偿之后更新的q轴电感和d轴磁链用于下一个计算周期中步骤S2中电流指令的计算和步骤S4中电压前馈值的计算；
步骤S1-S6往复循环即可通过对电机参数的补偿，从而实现精确控制电机输出转矩的目标。
步骤S1中，由转子位置角θ计算得到电机转速ωs的计算公式为：
Figure BDA00021633476900000315
步骤S2中，电流指令
Figure BDA00021633476900000316
的计算公式如下：
Figure BDA00021633476900000317
式中Np为电机极对数，
Figure BDA00021633476900000318
为永磁体磁链，
Figure BDA00021633476900000319
为d轴磁链的估计值，
Figure BDA00021633476900000320
为q轴电感的估计值，二者的值分别为上一个周期补偿之后的d轴磁链和q轴电感；第一个周期中，
Figure BDA00021633476900000321
和
Figure BDA00021633476900000322
的初始值
Figure BDA00021633476900000323
和ψ
Figure BDA0002163347690000041
由外部输入给定。
步骤S4中，
Figure BDA0002163347690000042
与
Figure BDA0002163347690000043
的计算公式为：
Figure BDA0002163347690000044
其中，Rs为定子电阻值，其压降忽略；Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψd为d轴磁链；带符号‘^’的参数为该参数的估计值。
步骤S6中，补偿之后的q轴电感和d轴磁链表示为：
Figure BDA0002163347690000045
其中
Figure BDA0002163347690000046
和
Figure BDA0002163347690000047
分别为
Figure BDA0002163347690000048
和
Figure BDA0002163347690000049
的初始值。
本发明的基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，以保证转矩指令的准确发出为目标，解决了现有在线参数辨识方法需要额外注入信号、计算过程复杂，或者需要转速外环、计算误差大等问题。具有如下有益效果：
(1)本发明的基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，在调节器输出中进行前馈电压补偿的基础上，通过d-q轴电压差值分别对q轴电感Lq和d轴磁链ψd进行补偿，补偿后的电机参数直接参与电流指令的计算，保证了转矩指令的准确发出。无需转速外环，电流分配方式不局限于MTPA方式，适用于电机基速以下的运行工况。
(2)补偿方式采用PI调节器，显著减小了直接计算带来的计算误差。当电机实际参数发生变化时，该算法能保证控制中补偿后的电机参数与实际参数的始终一致，不受电机工况和电机本身参数变化的影响。
(3)本发明与现有发明相比，以保证转矩指令的准确发出为前提，目的明确。无需额外的信号注入，减少了控制的复杂性。
附图说明
本发明有如下附图：
图1现有技术中通过前馈补偿控制模块对电机参数的变化情况进行在线修正的方法。
图2本发明基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法的整体控制框图。
图3基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法的补偿部分控制框图。
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2、3所示，本发明基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，具体步骤如下：
S1.通过电压电流采样电路得到直流母线电压Udc和三相电流ia、ib、ic，通过旋转变压器解码电路得到转子位置角θ；
再将三相电流由三相静止坐标系变换为两相同步旋转坐标系，得到d轴电流id和q轴电流iq，变换矩阵为：
Figure BDA0002163347690000051
由转子位置角θ计算得到电机转速ωs，计算公式为：
Figure BDA0002163347690000061
S2.电机控制方法采用只包含电流内环的以转矩为直接控制目标的矢量控制，控制指令给定为转矩指令Te *。在轨道交通牵引系统中，厂家一般提供包含
Figure BDA0002163347690000062
与
Figure BDA0002163347690000063
关系的电机特性曲线，由该电机特性曲线计算得到d轴电流指令
Figure BDA0002163347690000064
由转矩指令
Figure BDA0002163347690000065
和d轴电流指令
Figure BDA0002163347690000066
计算得到q轴电流指令
Figure BDA0002163347690000067
计算公式如下：
Figure BDA0002163347690000068
式中Np为电机极对数，
Figure BDA0002163347690000069
为永磁体磁链，
Figure BDA00021633476900000610
为d轴磁链的估计值，
Figure BDA00021633476900000611
为q轴电感的估计值，二者的值分别为上一个周期补偿之后的d轴磁链和q轴电感。第一个周期中，
Figure BDA00021633476900000612
和
Figure BDA00021633476900000613
的初始值
Figure BDA00021633476900000614
和
Figure BDA00021633476900000615
由外部输入给定。
S3.将步骤S2中得到的电流指令
Figure BDA00021633476900000616
和
Figure BDA00021633476900000617
分别与步骤S1得到的d轴电流id与q轴电流iq做差，所得差值经过电流环PI调节器分别得到PI调节器输出电压
Figure BDA00021633476900000618
与
Figure BDA00021633476900000619
实现过程如附图2所示。
S4.利用步骤S2中得到的电流指令
Figure BDA00021633476900000620
和
Figure BDA00021633476900000621
计算电压前馈值
Figure BDA00021633476900000622
与
Figure BDA00021633476900000623
计算公式如下式所示。
Figure BDA00021633476900000624
其中，Rs为定子电阻值，其压降可以忽略。Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψd为d轴磁链。符号‘^’表示估计值。
将
Figure BDA00021633476900000625
与
Figure BDA00021633476900000626
分别与步骤S3中得到的PI调节器输出电压
Figure BDA00021633476900000627
与
Figure BDA00021633476900000628
求和作为电机电压指令
Figure BDA00021633476900000629
与
Figure BDA00021633476900000630
即
Figure BDA0002163347690000071
S5.步骤S4中计算得到的
Figure BDA0002163347690000072
与
Figure BDA0002163347690000073
输入到空间矢量调制SVPWM模块，得到6路PWM脉冲，该脉冲最终作用于电压型逆变器从而控制电机。
S6.永磁同步电机在稳态下的数学模型可以表示为：
Figure BDA0002163347690000074
其中ud为d轴电压实际值，uq为q轴电压实际值，Rs，Lq，Ld分别表示电机定子电阻，q轴和d轴电感真实值。同时假设转子位置测量准确，忽略逆变器死区以及管压降的影响，则电机电压指令等于实际电压，即
Figure BDA0002163347690000075
将公式(4)代入到公式(5)中，并与公式(6)一起代入到公式(7)中，定子电阻的压降所占比例很低，可以忽略。则得到：
Figure BDA0002163347690000076
上式中将估算电机参数
Figure BDA0002163347690000077
和
Figure BDA0002163347690000078
分别表示为：
Figure BDA0002163347690000079
△Lq和△ψd分别表示q轴电感和d轴磁链的补偿量(估计误差)。
由于电流调节器的存在，电机实际电流能够实现对指令值的无静差跟踪，即在稳态下有：
Figure BDA0002163347690000081
根据(8)和(10)式可以发现，如果估算电机参数
Figure BDA0002163347690000082
与
Figure BDA0002163347690000083
与实际值相等，即△Lq＝△ψd＝0，则稳态下通过步骤S3得到的
Figure BDA0002163347690000084
与
Figure BDA0002163347690000085
的值应该都为零。换言之，如果估算电机参数
Figure BDA0002163347690000086
与
Figure BDA0002163347690000087
的估计误差不为零，则q轴电感估计误差△Lq会导致d轴PI调节器输出电压
Figure BDA0002163347690000088
不为零，d轴磁链误差△ψd会导致q轴电压差△uq或者q轴PI调节器输出电压
Figure BDA0002163347690000089
不为零。
由于△Lq对
Figure BDA00021633476900000810
的影响是单调线性的，△ψd对
Figure BDA00021633476900000811
的影响同样是单调线性的，并且只有当△Lq＝△ψd＝0时，
Figure BDA00021633476900000812
和
Figure BDA00021633476900000813
才为零。因此可以通过调节
Figure BDA00021633476900000814
来补偿q轴电感估计误差△Lq，通过调节
Figure BDA00021633476900000815
来补偿d轴磁链估计误差△ψd。
实现方式为将PI调节器输出电压
Figure BDA00021633476900000816
与
Figure BDA00021633476900000817
分别作为两个参数补偿器的输入，两个参数补偿器的输出分别得到对q轴电感Lq和d轴磁链ψd的补偿量△Lq和△ψd，如附图3所示。
补偿之后的q轴电感和d轴磁链表示为：
Figure BDA00021633476900000818
其中
Figure BDA00021633476900000819
和
Figure BDA00021633476900000820
分别为
Figure BDA00021633476900000821
和
Figure BDA00021633476900000822
的初始值。经过补偿之后更新的参数用于下一个计算周期中，步骤S2中电流指令
Figure BDA00021633476900000823
与
Figure BDA00021633476900000824
的计算和步骤S4中电压前馈值
Figure BDA00021633476900000825
与
Figure BDA00021633476900000826
的计算。
通过以上步骤的循环运行，可以实现对电机参数的在线实时补偿，最终实现对电机输出转矩的精确控制。本发明特别适用于城市轨道交通车辆、大功率电力机车、高速动车组牵引传动系统等没有速度环，需要对电机输出转矩进行直接控制的场合。
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 (1)

1.一种基于前馈电压补偿的永磁同步电机基速以下参数补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过电压电流采样电路得到直流母线电压Udc和三相电流ia、ib、ic，通过旋转变压器解码电路得到转子位置角θ；
再将三相电流由三相静止坐标系变换为两相同步旋转坐标系，得到d轴电流id和q轴电流iq，变换矩阵为：
Figure FDA0003165688910000011
由转子位置角θ计算得到电机转速ωs；
S2.电机控制方法采用只包含电流内环的以转矩为直接控制目标的矢量控制，控制指令给定为转矩指令
Figure FDA0003165688910000012
该转矩指令通过电机特性曲线计算得到d轴电流指令
Figure FDA0003165688910000013
由转矩指令
Figure FDA0003165688910000014
和d轴电流指令
Figure FDA0003165688910000015
计算得到q轴电流指令
Figure FDA0003165688910000016
S3.将步骤S2中得到的电流指令
Figure FDA0003165688910000017
和
Figure FDA0003165688910000018
分别与步骤S1得到的d轴电流id与q轴电流iq做差，所得差值经过电流环PI调节器分别得到PI调节器输出电压
Figure FDA0003165688910000019
与
Figure FDA00031656889100000110
S4.利用步骤S2中得到的电流指令
Figure FDA00031656889100000111
和
Figure FDA00031656889100000112
计算电压前馈值
Figure FDA00031656889100000113
与
Figure FDA00031656889100000114
将
Figure FDA00031656889100000115
与
Figure FDA00031656889100000116
分别与步骤S3中得到的PI调节器输出电压
Figure FDA00031656889100000117
与
Figure FDA00031656889100000118
求和作为电机电压指令
Figure FDA00031656889100000119
与
Figure FDA00031656889100000122
S5.步骤S4中计算得到的
Figure FDA00031656889100000120
与
Figure FDA00031656889100000121
输入到空间矢量调制SVPWM模块，得到6路PWM脉冲，该脉冲最终作用于电压型逆变器从而控制电机；
S6.将PI调节器输出电压
Figure FDA0003165688910000021
与
Figure FDA0003165688910000022
分别作为两个参数补偿器的输入，参数补偿器采用PI调节器的形式，两个参数补偿器的输出分别得到对q轴电感Lq和d轴磁链ψd的补偿量△Lq和△ψd；经过补偿之后更新的q轴电感和d轴磁链用于下一个计算周期中步骤S2中电流指令的计算和步骤S4中电压前馈值的计算；
步骤S1-S6往复循环，通过对电机参数的补偿，从而实现对电机输出转矩的精确控制；
步骤S1中，由转子位置角θ计算得到电机转速ωs的计算公式为：
Figure FDA0003165688910000023
步骤S2中，电流指令
Figure FDA0003165688910000024
的计算公式如下：
Figure FDA0003165688910000025
式中Np为电机极对数，
Figure FDA0003165688910000026
为永磁体磁链，
Figure FDA0003165688910000027
为d轴磁链的估计值，
Figure FDA0003165688910000028
为q轴电感的估计值，
Figure FDA0003165688910000029
和
Figure FDA00031656889100000210
的值分别为上一个周期补偿之后的d轴磁链和q轴电感；第一个周期中，
Figure FDA00031656889100000211
和
Figure FDA00031656889100000212
的初始值
Figure FDA00031656889100000213
和
Figure FDA00031656889100000214
由外部输入给定；
步骤S4中，
Figure FDA00031656889100000215
与
Figure FDA00031656889100000216
的计算公式为：
Figure FDA00031656889100000217
其中，Rs为定子电阻值，其压降忽略；Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψd为d轴磁链；带符号
Figure FDA00031656889100000218
的参数为估计值；
步骤S6中，补偿之后的q轴电感和d轴磁链表示为：
Figure FDA0003165688910000031
其中
Figure FDA0003165688910000032
和
Figure FDA0003165688910000033
分别为
Figure FDA0003165688910000034
和
Figure FDA0003165688910000035
的初始值。
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