CN111371363B - 基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于信号注入的最大转矩电流比控制方法，包括：a、在d轴给定电流idref和q轴给定电流iqref中分别注入正弦波电流信号idh和iqh，idref的初始值为0，iqref由速度控制器给出；b、计算与注入的正弦波电流信号idh、iqh的频率、相位相同的转矩谐波的幅值ΔTd、ΔTq；c、根据正弦波电流信号idh的幅值ΔId、正弦波电流信号iqh的幅值ΔIq、幅值ΔTd、ΔTq及q轴给定电流iqref，通过计算获得d轴给定电流idref，用计算获得的d轴给定电流idref更新步骤a中的idref；d、循环执行步骤a至步骤c。本发明还公开了一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制装置。采用上述技术方案后，在不使用电机参数的情况下实现了最大转矩电流比控制。

Description

基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及电机矢量控制技术。
背景技术
永磁同步电机的应用广泛，具有效率高、功率密度高、功率因数高等优点。输出相同转矩的情况下，最大转矩电流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)控制可以使永磁同步电机的电流最小，从而保证电机铜损最小，达到进一步提高电机效率的目的。
最大转矩电流比控制通常需要电机参数信息，根据电机参数计算出MTPA曲线，也就是dq轴电流的关系曲线，根据MTPA曲线就可以实现最大转矩电流比控制。在实际应用中，由于温度、磁场饱和等因素的影响，电机参数可能会发生变化，从而导致计算出的MTPA曲线不准确，无法实现最大转矩电流比控制。基于信号注入的最大转矩电流比控制方法可以不使用电机参数，从而可以避免电机参数变化对MTPA曲线的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法及其装置，其能够在不使用电机参数的情况下，实现最大转矩电流比控制。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：
a、在d轴给定电流idref中注入正弦波电流信号idh，在q轴给定电流iqref中注入正弦波电流信号iqh，d轴给定电流idref的初始值为0，q轴给定电流iqref由速度控制器给出；
b、计算与注入的正弦波电流信号idh的频率、相位相同的转矩谐波的幅值ΔTd，并计算与注入的正弦波电流信号iqh的频率、相位相同的转矩谐波的幅值ΔTq；
c、根据正弦波电流信号idh的幅值ΔId、正弦波电流信号iqh的幅值ΔIq、幅值ΔTd、幅值ΔTq以及q轴给定电流iqref，通过计算获得d轴给定电流idref，用计算获得的d轴给定电流idref更新步骤a中的d轴给定电流idref；
d、循环执行步骤a至步骤c。
本发明还提供了一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行如前述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法。
本发明通过向q轴给定电流和d给定轴电流注入正弦波电流信号的方式，根据q轴给定电流计算出d给定轴电流，从而在不使用电机参数的情况下实现了最大转矩电流比控制。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
根据本发明一实施例的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：
a、在d轴给定电流idref中注入正弦波电流信号idh，在q轴给定电流iqref中注入正弦波电流信号iqh，d轴给定电流idref的初始值为0，q轴给定电流iqref由速度控制器给出；
b、计算与注入的正弦波电流信号idh的频率、相位相同的转矩谐波分量的幅值ΔTd，并计算与注入的正弦波电流信号iqh的频率、相位相同的转矩谐波分量的幅值ΔTq；
c、根据正弦波电流信号idh的幅值ΔId、正弦波电流信号iqh的幅值ΔIq、幅值ΔTd、幅值ΔTq以及q轴给定电流iqref，通过计算获得d轴给定电流idref，用计算获得的d轴给定电流idref更新步骤a中的d轴给定电流idref；
d、循环执行步骤a至步骤c。
进一步地，正弦波电流信号idh、iqh表示如下：
正弦波电流信号idh的幅值为ΔId，频率为f，相位为正弦波电流信号iqh的幅值为ΔIq，频率为f，相位为/>与/>的差为π/2。
进一步地，d轴给定电流idref通过以下公示计算得到：
其中，Lp2为低通滤波器的函数。
幅值ΔTd和幅值ΔTq可通过以下公式计算：
其中，f为正弦波电流信号idh、iqh的频率，t为时间，Te为电机的电磁转矩，为正弦波电流信号idh的相位，/>为正弦波电流信号iqh的相位。电磁转矩可以通过传感器获得，也可以根据电压、电流等信息计算得到。
幅值ΔTd和幅值ΔTq还可通过以下公式计算：
其中，Lp1为低通滤波器的函数，f为正弦波电流信号idh、iqh的频率，t为时间，Te为电机的电磁转矩，为正弦波电流信号idh的相位，/>为正弦波电流信号iqh的相位。
进一步地，根据本发明一实施例的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法的步骤还包括：
将q轴给定电流iqref与正弦波电流信号iqh求和，求和的结果与电机的实际q轴电流iq进行比较，比较后的差值输入电流控制器，得到q轴参考电压uq，将d轴给定电流idref与正弦波电流信号idh求和，求和的结果与电机的实际d轴电流id进行比较，比较后的差值输入电流控制器，得到d轴参考电压ud；将d轴参考电压ud和q轴参考电压uq进行变换和调制，得到控制逆变器的三相PWM控制信号，用三相PWM控制信号控制逆变器，驱动电机。
在本实施例中，将d轴参考电压ud和q轴参考电压uq进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的α轴给定电压uα和β轴给定电压uβ；根据α轴给定电压uα和β轴给定电压uβ，通过空间矢量调制产生PWM信号控制逆变器，驱动电机。
图1示出了根据本发明一实施例的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法的控制框图。如图1所示，q轴给定电流iqref由速度控制器计算得到，d轴给定电流idref由本发明提出的d轴给定电流计算方法得到(d轴给定电流的初始值为0)。将电机的实际转速ω与给定转速ω*进行比较，比较后的差值送入速度控制器得到q轴给定电流iqref。速度控制器可采用PI控制器，由PI控制器对电机的实际转速ω与给定转速ω*之间的差值进行PI运算。为了实现无静差控制，本实施例中，电流控制器选用比例谐振控制器。电压输出模块将电流控制器输出的d轴参考电压ud和q轴参考电压uq转换为驱动电机运行的三相电压，以驱动电机。电流采样及变换模块采集电机的三相电流信息，并将三相电流转换为实际d轴电流id和实际q轴电流iq。
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合一具体的应用实例进行说明。本应用实例中使用了电压型变频器对永磁同步电机进行控制来实现本发明的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法。
该具体应用实例的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法包括以下步骤：
步骤a、在d轴给定电流idref和q轴给定电流iqref中分别注入正弦波信号idh和idh，将d轴给定电流idref与正弦波电流信号idh求和的结果及q轴给定电流iqref与正弦波电流信号iqh求和的结果分别与实际d轴电流id和实际q轴电流iq进行比较，然后通过电流控制器得到d轴参考电压ud和q轴参考电压uq；将d轴参考电压ud和q轴参考电压uq进行变换和调制，得到控制逆变器的三相PWM控制信号，用该三相PWM控制信号控制逆变器，驱动电机，其中，d轴给定电流idref的初始值为0，q轴给定电流iqref由速度控制器计算得到；
步骤b、分别计算与注入的正弦波电流信号idh和iqh的频率、相位相同的转矩谐波分量的幅值ΔTd和ΔTq：
首先，获得电机的电磁转矩Te。本应用实例中，电磁转矩通过转矩传感器获得；
然后，根据电磁转矩Te分别计算幅值ΔTd和幅值ΔTq。本应用实例中，幅值ΔTd和幅值ΔTq由下式进行计算得到：
上式中，Lp1为低通滤波器的函数，此处可以使用一阶低通滤波器，该一阶低通滤波器传递函数如下：
ωc1为一阶低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯算子。本应用实例中，取ωc1＝2π；
步骤c、根据正弦波电流信号idh的幅值ΔId、正弦波电流信号iqh的幅值ΔIq、与注入的正弦波电流信号的频率、相位相同的转矩谐波分量的幅值ΔTd和ΔTq以及q轴给定电流iqref，计算d轴给定电流idref，用计算获得的d轴给定电流idref更新步骤a中的d轴给定电流idref，d轴给定电流idref的计算公式如下：
步骤d、循环执行步骤a至步骤c，实现在线电机最大转矩电流比控制。
上述的d轴给定电流idref的推导过程如下。
当电流幅值一定时，通过调整d轴电流id，可以使电机的电磁转矩达到最大，就实现了最大转矩电流比控制。此时转矩对id的导数为零，如下式所示。
考虑到转矩是d轴电流id和q轴电流iq的函数，根据链式法则，可以得到下式，
设定子电流的幅值为Is，那么，
Is 2＝id 2+iq 2
上式两边对id进行求导，然后整理可得，
根据(1)-(3)式，整理得到：
因此d轴给定电流idref可以采用下式计算得到：
为了降低采样误差等对结果的影响，可以使用低通滤波器对结果进行低通滤波，就得到了下式，其中Lp2为低通滤波器的函数。
当注入的正弦波电流信号idh、iqh的幅值较小(例如，不大于电机额定电流的5％)时，有如下关系成立：
结合上面两式，从而得到d轴给定电流idref的计算公式，即：
本发明还提供了一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行如前述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法。
本发明不仅适用于永磁同步电机，也适用于同步磁阻电机。

Claims (9)

1.基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在d轴给定电流idref中注入正弦波电流信号idh，在q轴给定电流iqref中注入正弦波电流信号iqh，d轴给定电流idref的初始值为0，q轴给定电流iqref由速度控制器给出；
b、计算与注入的正弦波电流信号idh的频率、相位相同的转矩谐波的幅值ΔTd，并计算与注入的正弦波电流信号iqh的频率、相位相同的转矩谐波的幅值ΔTq；
c、根据正弦波电流信号idh的幅值ΔId、正弦波电流信号iqh的幅值ΔIq、幅值ΔTd、幅值ΔTq以及q轴给定电流iqref，通过计算获得d轴给定电流idref，用计算获得的d轴给定电流idref更新步骤a中的d轴给定电流idref；d轴给定电流idref通过以下公示计算得到：
其中，Lp2为低通滤波器的函数；
d、循环执行步骤a至步骤c。
2.根据权利要求1所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，幅值ΔTd和幅值ΔTq通过以下公式计算：
其中，f为正弦波电流信号idh、iqh的频率，t为时间，Te为电机的电磁转矩，为正弦波电流信号idh的相位，/>为正弦波电流信号iqh的相位。
3.根据权利要求1所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，幅值ΔTd和幅值ΔTq通过以下公式计算：
其中，Lp1为低通滤波器的函数，f为正弦波电流信号idh、iqh的频率，t为时间，Te为电机的电磁转矩，为正弦波电流信号idh的相位，/>为正弦波电流信号iqh的相位。
4.根据权利要求1所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，将电机的实际转速ω与给定转速ω*进行比较，比较后的差值送入速度控制器，由速度控制器计算得到q轴给定电流iqref。
5.根据权利要求4所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述的速度控制器为PI控制器。
6.根据权利要求1所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述电机为永磁同步电机或同步磁阻电机。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述的步骤a包括：
将q轴给定电流iqref与正弦波电流信号iqh求和，求和的结果与电机的实际q轴电流iq进行比较，比较后的差值输入电流控制器，得到q轴参考电压uq，将d轴给定电流idref与正弦波电流信号idh求和，求和的结果与电机的实际d轴电流id进行比较，比较后的差值输入电流控制器，得到d轴参考电压ud；
将d轴参考电压ud和q轴参考电压uq进行变换和调制，得到控制逆变器的三相PWM控制信号。
8.根据权利要求7所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述电流控制器为比例谐振控制器。
9.一种基于信号注入的电机最大转矩电流比控制装置，其特征在于,包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1至8中任何一项所述的基于信号注入的电机最大转矩电流比控制方法。
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