CN111585492B - 永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，所述方法包括以下步骤：根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积；根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置；根据所述位置确定电流修正策略。本发明的一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，用于提供一种对处理器要求低、移植性好、占用计算资源少且实时精确调整永磁同步电机最大转矩电流比控制的方法、系统、介质及装置。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高等优点，近年来随着高性能永磁材料的不断研究与应用，在航空航天、医疗器械、新能源电动汽车领域得到了广泛的应用。内置式永磁同步电机由于永磁体内埋于转子，导致转子磁路不对称，可充分利用磁阻转矩来提高内置式永磁同步电机的带载能力。最大转矩电流比(MTPA)控制是在输出电磁转矩相同的条件下使定子电流幅值最小，因此能减小铜耗，提高运行效率。
MTPA控制方法中有公式法、查表法、曲线拟合法等。上述几种MTPA控制在实现过程中存在缺陷，主要有：
(1)公式法在实际控制过程中存在复杂的计算公式，需依赖精确的电机参数，况且电机在运行过程中参数会不可避免地发生改变，且对处理器要求较高，所以纯粹的公式法应用受到限制。
(2)查表法前期需要进行大量仿真和实验测试，归纳出参数表，因此制表过程比较费时，且移植性较差。
(3)曲线拟合法的运行效果会受拟合函数阶次的影响，阶次越高拟合效果越好，但会占用计算资源。
因此，针对现有技术的缺陷，亟待出现一种新型的MTPA控制方案，解决现有的MTPA控制方法中对处理器要求高、移植性差、占用计算资源多的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，用于解决现有技术中现有的MTPA控制方法中对处理器要求高、移植性差、占用计算资源多的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积；根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置；根据所述位置确定电流修正策略。
于本发明的一实施例中，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。
于本发明的一实施例中，所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置为：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方，其中V表示所述数量积；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上。
于本发明的一实施例中，所述根据所述位置确定电流修正策略包括：所述电流修正策略为：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度；当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
为实现上述目的，本发明还提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，包括：数量积获得模块、位置确定模块和修正策略确定模块；所述数量积获得模块用于根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积；所述位置确定模块用于根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置；所述修正策略确定模块用于根据所述位置确定电流修正策略。
于本发明的一实施例中，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。
于本发明的一实施例中，所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置为：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方，其中V表示所述数量积；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上。
于本发明的一实施例中，所述根据所述位置确定电流修正策略包括：所述电流修正策略为：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度；当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一上述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
为实现上述目的，本发明还提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制装置，包括：处理器和存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述永磁同步电机最大转矩电流比控制装置执行任一上述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
如上所述，本发明的一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，具有以下有益效果：，通过电流下降梯度与向左的恒转矩方向实时判断电机是否运行在MTPA轨迹控制点，若偏离MTPA轨迹控制点则对交、直轴电流修正，否则无需修正。当电机所带负载发生改变时，该算法能够自动调整到当前负载所对应的MTPA轨迹运行点，不受运行工况的影响，具有良好的动态响应特性。本发明的控制方法和公式法相比，有效减少了计算量，提高了运行速度；与查表法相比，无需预先制表，减少了工作量。
附图说明
图1a显示为本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法于一实施例中的流程图；
图1b显示为本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法于一实施例中的交、直轴电流与定子电流矢量的关系图；
图1c显示为本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法于一实施例中的永磁同步电机运行点示意图；
图2显示为本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制系统于一实施例中的结构示意图；
图3显示为本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制装置于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
21 数量积获得模块
22 位置确定模块
23 修正策略确定模块
31 处理器
32 存储器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，用于提供一种移植性好、占用计算资源少且实时精确调整直轴电流的方法、系统、介质及装置。通过求取向左的恒转矩方向以及电流下降梯度，进而根据向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积确定当前永磁同步电机运行点的位置，根据永磁同步电机运行点的位置确定交、直轴电流修正策略，以取代复杂的查表法和虚拟信号注入法等控制方式，提高带载能力和动态响应特性。
如图1a所示，于一实施例中，本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：
步骤S11、根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积。
具体地，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。交轴电流id、直轴电流iq与定子电流矢量is的关系图如图1b所示。
具体地，根据永磁同步电机数学模型中的转矩方程得到恒转矩曲线的法向量：
已知向左的恒转矩方向正交于恒转矩曲线的法向量，则向左的恒转矩方向表示为：
采用梯度下降法表示电流递减方向，设代价函数为
F＝is 2＝iq 2+id 2 (3)
则电流下降梯度为
根据向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积V确定电机运行点的位置，数量积V表示为
步骤S12、根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置。
具体地，所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置为：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比(MTPA)轨迹的上方，其中V表示所述数量积，例如附图1c所示的m点，说明运行点需沿向左的恒转矩方向移动，即增大直轴电流id；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方，例如附图1c所示的p点，说明所述运行点需沿向右的恒转矩方向移动，即减小直轴电流id；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上，例如附图1c所示的n点，无需修正。通过求取向左的恒转矩方向以及电流下降梯度，进而根据向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积确定当前永磁同步电机运行点的位置，根据永磁同步电机运行点的位置确定交、直轴电流修正策略，以取代复杂的查表法和虚拟信号注入法等控制方式，提高带载能力和动态响应特性。
步骤S13、根据所述位置确定电流修正策略。
具体地，所述根据所述位置确定电流修正策略包括：所述电流修正策略为：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度。
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
即，根据电机运行点的位置确定电流修正策略为：
其中
为调节精度，其值设置为
交轴电流给定值为：
根据永磁同步电机运行点的位置确定电流修正策略，以取代复杂的查表法和虚拟信号注入法等控制方式，提高带载能力和动态响应特性。
如图2所示，于一实施例中，本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，包括：数量积获得模块21、位置确定模块22和修正策略确定模块23。
所述数量积获得模块21用于根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积。
所述位置确定模块22用于根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置。
所述修正策略确定模块23用于根据所述位置确定电流修正策略。
于本发明的一实施例中，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。
于本发明的一实施例中，所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置为：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方，其中V表示所述数量积；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上。
于本发明的一实施例中，所述根据所述位置确定电流修正策略包括：所述电流修正策略为：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度；当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
需要说明的是，数量积获得模块21、位置确定模块22和修正策略确定模块23的结构和原理与上述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。
需要说明的是，应理解以上系统的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
于本发明一实施例中，本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一所述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
如图3所示，于一实施例中，本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制装置包括：处理器31和存储器32；所述存储器32用于存储计算机程序；所述处理器31与所述存储器32相连，用于执行所述存储器32存储的计算机程序，以使所述永磁同步电机最大转矩电流比控制装置执行任一所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
具体地，所述存储器32包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
优选地，所述处理器31可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述，本发明永磁同步电机最大转矩电流比控制方法、系统、介质及装置，对处理器要求低、移植性好、占用计算资源少且实时精确调整永磁同步电机最大转矩电流比控制的方法、系统、介质及装置。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种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：
根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积；
根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置；所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置的实现方法包括：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方，其中V表示所述数量积；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上；
根据所述位置确定电流修正策略；所述根据所述位置确定电流修正策略的实现方法包括：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度；当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。
3.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，其特征在于，包括：数量积获得模块、位置确定模块和修正策略确定模块；
所述数量积获得模块用于根据永磁同步电机的数学模型得到向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积；
所述位置确定模块用于根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置；所述根据所述数量积确定当前永磁同步电机的运行点的位置的实现方法包括：当V>0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方，其中V表示所述数量积；当V<0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方；当V＝0时，所述永磁同步电机运行点位于最大转矩电流比轨迹上；
所述修正策略确定模块用于根据所述位置确定电流修正策略；所述根据所述位置确定电流修正策略的实现方法包括：
其中
为第k次修正的定子绕组d轴电流分量，
为d轴电流调节精度；当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上方时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的上时，
当电机运行点位于最大转矩电流比轨迹的下方时，
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，其特征在于，所述向左的恒转矩方向与电流下降梯度的数量积为：
其中，V表示所述数量积；
Te为永磁同步电机转矩；
F为电流代价函数；pn表示永磁同步电机的极对数；Ld和Lq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电感的d轴和q轴分量；id和iq分别表示d-q旋转坐标系下定子绕组电流的直轴和交轴分量；ψf表示转子磁链。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行，以实现权利要求1至2中任一项所述永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
6.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制装置，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述永磁同步电机最大转矩电流比控制装置执行权利要求1至2中任一项所述的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
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2020
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