CN111404433B - 一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：1)通过采样得到电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，然后通过坐标变换得到d、q坐标系下的电流i_dr、i_qr；通过旋转变压器获取电机的转子位置角θ和机械转速ω_r；2)提取转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ，并将导数信息dT_e/dβ作为积分器的输入，产生d轴电流的给定值i_dref，在给定转矩T_eref下，得到q轴电流的给定值i_qref；将PI控制器的输出加上前馈解耦项，得到d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref；3)采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路PWM脉冲触发信号，控制两电平电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

Description

一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种基于虚拟互补方波信号注入的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

背景技术

内置式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构紧凑、功率密度高的特点，被广泛应用于电动汽车驱动系统当中。对于内置式永磁同步电机，为了充分利用磁阻转矩，常常采用最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制方法。最大转矩电流比工作点的确定依赖电机参数。然而内置式永磁同步电机的参数受环境、磁链饱和以及交叉耦合的影响，呈现出高度的非线性特点。如何削弱电机参数对MTPA点确定的影响成为了研究内容的关键。在电流矢量幅值一定时，存在一个最优电流角，使电机输出转矩最大，此角度称为MTPA角，由数学关系可知，此时转矩对电流角的导数为零。因此，转矩对电流角的导数为零是电机工作在最大转矩电流比状态的一个特征。如何提取出转矩对电流角的导数信息成为了实现电机最大转矩电流比的关键。基于虚拟信号注入的MTPA控制方法是一种现有的广泛应用的最大转矩电流比控制方法，目前常用的虚拟信号注入法的控制方法主要有两种：1)基于虚拟正弦波信号注入的MTPA控制方法，2)基于虚拟单一方波信号注入的MTPA控制方法。基于虚拟正弦信号注入的MTPA控制方法是通过对检测得到的电流角叠加一正弦信号，然后通过低通、带通滤波器获取得到转矩对电流角的导数信息，将该信息通过与给定值零作差，然后通过PI控制器来调节d轴电流给定值，最终转矩对电流角的导数为零，也即电机实现了最大转矩电流比控制。然而较多滤波器的使用，使控制系统的动态性能受到一定影响。基于虚拟单一方波信号注入的MTPA控制方法是通过对检测得到的电流角叠加一方波信号，将叠加后的信号减去转矩值后的剩余部分认为是转矩对电流角的导数信息。该控制方法减少了滤波器的使用，控制系统的快速性得到提高。然而由于转矩是关于电流角的三角函数，剩余部分认为是转矩对电流角的导数信息是不准确的，因此难以获得准确的最大转矩电流比工作点。

因此，如何准确获取转矩对电流角的导数信息成为了实现基于虚拟信号注入法的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制的关键。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能够准确提取出转矩对电流角导数信息的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：

1)通过采样得到电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，然后通过坐标变换得到d、q坐标系下的电流i_dr、i_qr；通过安装在电机上的旋转变压器获取电机的转子位置角θ和机械转速ω_r；

2)定义电机的转矩给定值为T_eref，电机的实际转矩为T_e；提取转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ，并将导数信息dT_e/dβ作为积分器的输入，产生d轴电流的给定值i_dref，在给定转矩T_eref下，得到q轴电流的给定值i_qref；将d轴电流给定值i_dref减去d轴电流i_dr得到d轴电流误差值，将q轴电流给定值i_qref减去q轴电流i_qr得到q轴电流误差值，将d轴电流误差值和q轴电流误差值分别作为PI控制器的输入，将PI控制器的输出加上前馈解耦项，得到d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref；

3)将步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref作为电压空间矢量脉宽调制方法的输入，采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路PWM脉冲触发信号，控制两电平电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

进一步的，步骤2)中q轴电流的给定值i_qref通过以下公式来产生：

式中，L_d、L_q为在d-q坐标系下电机电感值；λ_f为永磁体磁链；n_p为电机极对数。

进一步的，步骤2)中所述的转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ的提取如下：

电机的d、q轴电流i_d、i_q与电流角β存在如下关系

式中，I_s为定子电流幅值，i_d、i_q分别为电机的实际d、q轴电流i_dr和i_qr经过低通滤波器滤波后的电流值；

又有

由上述两式可得

通过上述方式即可得到准确的转矩对电流角的导数信息。

进一步的，转矩对d、q轴电流的偏导信息的提取如下：

(401)将d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref，加入上死区补偿分别得到v_{d_com}和v_{q_com}，将v_{d_com}、v_{q_com}以及d轴电流i_dr和q轴电流i_qr作为低通滤波器的输入量，然后得到低通滤波器的输出量v_d、v_q、i_d以及i_q；利用滤波器的输出量，通过如下公式可得电机实际转矩值T_e：

式中，R为电机定子电阻值，ω_e为电机电角速度；

(402)定义适当幅值和频率的互补方波信号Δi₁(t)和Δi₂(t)分别为

式中，A为适当大小的值，t为时间，N为任意正实数，T_s为系统的控制周期；

将上述形式的方波信号叠加在通过步骤(401)得到的i_q、i_d后，可得i_q和i_d注入方波信号后的转矩方程，如下所示

式中，T_e ^h(i_d,i_q+Δi₁(t))、T_e ^h(i_d,i_q+Δi₂(t))、T_e ^h(i_d+Δi₁(t),i_q)以及T_e ^h(i_d+Δi₂(t),i_q)分别为叠加方波信号后的电机实际转矩信号；

以T_e ^h(i_d,i_q+Δi₁(t))为例，其在点(i_d、i_q)附近做周期性变化，可在点(i_d、i_q)处进行二元泰勒级数展开

由数学公式可知

上式不含i_q项，因此其二阶及以上偏导均为0，故展开的二元泰勒级数表达式可表示为

同理可得到i_q注入Δi₂(t)的转矩表达式

将上述两式相加并减去电机实际转矩值T_e得

依照同样的方式，得到

进一步的，转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式应避免电机参数的影响，具体如下：

(501)当电机参数已知时，将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式代入公式：

可得到所需转矩T_e对i_d和i_q的偏导信息；由于偏导求取过程中需要交、直轴电感L_d、L_q，永磁体磁链λ_f信息，为避免参数变化对偏导信息求取的影响，将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式做如下变换

(502)将步骤(501)中涉及公式带入转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式可得

由于在MTPA阶段，相比q轴电感变化来说，d轴电感L_d变化较小，且小的Δi₁(t)和Δi₂(t)能够弱化d轴电感变化对偏导信息获取带来的影响。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.与现有的沿电流角直接注入一个方波信号方法的不同，本发明是通过对电机的d、q轴电流分别注入一对互补的方波信号，来提取出转矩对d、q轴电流的偏导信息，然后利用全微分方程间接得到转矩对电流角的导数信息，该方法避免了传统方法中高阶导数项对提取偏导信息准确性的影响，提取的导数信息的准确性大大提高，从而实现了准确的最大转矩电流比控制。

2.本发明通过对电机的d、q轴电流分别注入一对互补的方波信号，来提取出转矩对d、q轴的偏导信息，然后利用全微分方程得到转矩对电流角的导数信息，避免了现有的基于正弦信号注入发中较多滤波器的使用，使整个控制系统的快速性得到提高。

3.本发明的基于虚拟互补方波信号注入的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，实现简单，能够准确的提取出转矩对电流角的导数信息，实现不仅能够准确地实现内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制，而且提高了控制系统的快速性。

附图说明

图1是本发明基于虚拟互补方波信号注入的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法的系统框图。

图2是本发明转矩对电流角的导数信息提取框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于虚拟互补方波信号注入的内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括如下步骤：

1)首先通过采样得到电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，然后通过坐标变换得到d、q坐标系下的电流i_dr、i_qr；通过安装在电机上的旋转变压器来获取电机的转子位置角θ和机械转速ω_r。

2)将提取的dT_e/dβ信息作为积分器的输入，来产生d轴电流的给定值i_dref，在给定转矩T_eref下，q轴电流的给定值i_qref通过以下公式来产生：

式中，L_d、L_q为在d-q坐标系下电机电感值；λ_f为永磁体磁链；n_p为电机极对数。

将d轴电流给定值i_dref减去d轴电流i_dr得到d轴电流误差值，将q轴电流给定值i_qref减去q轴电流i_qr得到q轴电流误差值，将d轴电流误差值和q轴电流误差值分别作为PI控制器的输入，通过如下公式得到前馈解耦项：

v_dff＝-ω_eL_qi_q

v_qff＝ω_e(L_di_d+λ_f)

式中，v_dff为d轴分量的前馈解耦项，v_qff为q轴分量的前馈解耦项。

将前馈解耦项和PI控制器的输出项相加，得到d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref。

3)将步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref作为电压空间矢量脉宽调制方法的输入，采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路PWM脉冲触发信号，控制两电平电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

如图2所示，本发明的转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ的提取方法，包括如下步骤：

(1)将获取得到的d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref，加入上死区补偿分别得到v_{d_com}和v_{q_com}，将v_{d_com}、v_{q_com}以及步骤1中得到d轴电流i_dr和q轴电流i_qr作为低通滤波器的输入量，经过滤波后，得到低通滤波器的输出量v_d、v_q、i_d以及i_q。利用滤波器的输出量，通过如下公式可得转矩值T_e：

式中，R为电机定子电阻值，ω_e为电机电角速度。

(2)定义适当幅值和频率的互补方波信号Δi₁(t)和Δi₂(t)分别为

式中，A为适当大小的值，t为时间，N为任意正实数，T_s为系统的控制周期。

将上述所述形式的方波信号叠加在通过(1)得到的i_q、i_d后，可得i_q和i_d注入方波信号后的转矩方程，如下所示

式中，T_e ^h(i_d,i_q+Δi₁(t))、T_e ^h(i_d,i_q+Δi₂(t))、T_e ^h(i_d+Δi₁(t),i_q)以及T_e ^h(i_d+Δi₂(t),i_q)分别为叠加方波信号后的电机实际转矩信号。

以T_e ^h(i_d,i_q+Δi₁(t))为例，其在点(i_d、i_q)附近做周期性变化，故可在点(i_d、i_q)处进行二元泰勒级数展开

由数学公式可知

上式不含i_q项，因此其二阶及以上偏导均为0，故展开的二元泰勒级数表达式可以表示为

同理可得到i_q注入Δi₂(t)的转矩表达式

将上述两式相加并减去T_e可得

依照同样的方式，可以得到

当电机参数已知时，将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式代入上述两个公式即可得到所需偏导信息。然而由于偏导求取过程中需要交、直轴电感、永磁体磁链信息，为了避免参数变化对偏导信息求取的影响，需要将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式做如下如下变换

上式带入转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式可得

虽然仍包含d轴电感项，但是在MTPA阶段，相比q轴电感变化来说，d轴电感变化较小，并且小的Δi₁(t)和Δi₂(t)能够弱化d轴电感变化对偏导信息获取带来的影响。

(3)d、q轴电流与电流角β存在如下关系

式中，I_s为定子电流幅值。

又有

由上述两式可得

通过上述方式即可得到准确的转矩对电流角的导数信息。

综上所述，本发明方法通过对电机的d、q轴电流分别注入一对互补的方波信号，来提取出转矩对d、q轴的偏导信息，然后利用全微分方程得到转矩对电流角的导数信息，进而实现内置式永磁同步电机的最大转矩电流比控制方法。该控制方法不需要过多的滤波器，因此控制系统具有较好的动态性能。同时导数信息的提取更为准确。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过采样得到电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，然后通过坐标变换得到d、q坐标系下的电流i_dr、i_qr；通过安装在电机上的旋转变压器获取电机的转子位置角θ和机械转速ω_r；

2)定义电机的转矩给定值为T_eref，电机的实际转矩为T_e；提取转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ，并将导数信息dT_e/dβ作为积分器的输入，产生d轴电流的给定值i_dref，在给定转矩T_eref下，得到q轴电流的给定值i_qref；将d轴电流给定值i_dref减去d轴电流i_dr得到d轴电流误差值，将q轴电流给定值i_qref减去q轴电流i_qr得到q轴电流误差值，将d轴电流误差值和q轴电流误差值分别作为PI控制器的输入，将PI控制器的输出加上前馈解耦项，得到d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref；所述的转矩对电流角的导数信息dT_e/dβ的提取如下：

电机的d、q轴电流i_d、i_q与电流角β存在如下关系

式中，I_s为定子电流幅值，i_d、i_q分别为电机的实际d、q轴电流i_dr和i_qr经过低通滤波器滤波后的电流值；

又有

由上述两式可得

通过上述方式即可得到准确的转矩对电流角的导数信息；

转矩对d、q轴电流的偏导信息的提取如下：

(401)将d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref，加入上死区补偿分别得到v_{d_com}和v_{q_com}，将v_{d_com}、v_{q_com}以及d轴电流i_dr和q轴电流i_qr作为低通滤波器的输入量，然后得到低通滤波器的输出量v_d、v_q、i_d以及i_q；利用滤波器的输出量，通过如下公式可得电机实际转矩值T_e：

式中，R为电机定子电阻值，ω_e为电机电角速度；

(402)定义适当幅值和频率的互补方波信号Δi₁(t)和Δi₂(t)分别为

式中，A为适当大小的值，t为时间，N为任意正实数，T_s为系统的控制周期；

将上述形式的方波信号叠加在通过步骤(401)得到的i_q、i_d后，可得i_q和i_d注入方波信号后的转矩方程，如下所示

式中，以及/>分别为叠加方波信号后的电机实际转矩信号；

以为例，其在点(i_d、i_q)附近做周期性变化，可在点(i_d、i_q)处进行二元泰勒级数展开

由数学公式可知

上式不含i_q项，因此其二阶及以上偏导均为0，故展开的二元泰勒级数表达式可表示为

同理可得到i_q注入Δi₂(t)的转矩表达式

将上述两式相加并减去电机实际转矩值T_e得

依照同样的方式，得到

3)将步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的d轴定子电压参考值v_dref和q轴定子电压参考值v_qref作为电压空间矢量脉宽调制方法的输入，采用电压空间矢量脉宽调制方法得到6路PWM脉冲触发信号，控制两电平电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

2.根据权利要求1所述一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤2)中q轴电流的给定值i_qref通过以下公式来产生：

式中，L_d、L_q为在d-q坐标系下电机电感值；λ_f为永磁体磁链；n_p为电机极对数。

3.根据权利要求1所述一种内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式应避免电机参数的影响，具体如下：

(501)当电机参数已知时，将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式代入权利要求1中得到的公式：

可得到所需转矩T_e对i_d和i_q的偏导信息；由于偏导求取过程中需要交、直轴电感L_d、L_q，永磁体磁链λ_f信息，为避免参数变化对偏导信息求取的影响，将转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式做如下变换

(502)将步骤(501)中涉及公式带入转矩T_e表达式和注入方波信号的转矩表达式可得

由于在MTPA阶段，相比q轴电感变化来说，d轴电感L_d变化较小，且小的Δi₁(t)和Δi₂(t)能够弱化d轴电感变化对偏导信息获取带来的影响。