CN112202379A - 基于变步长搜索的mtpa曲线标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及应用该系统的标定方法，系统由三相逆变器、空间矢量脉宽调制单元、光电编码器、三相静止‑两相静止坐标变换单元、两相静止‑两相旋转坐标变换单元、两相旋转‑两相静止坐标变换单元、速度调节器、电流调节器以及自调节寻优策略单元组成。本发明在恒转矩的情况下，通过变步长搜索法搜索出当前最小定子电流，并通过修改不同负载转矩及重复实验标定的方式最终完成了对MTPA曲线的标定。本发明不仅搜索过程直接、迅速，作业效率提升显著，而且在最大限度上简化了标定工作的流程，减轻了研究人员与试验人员的负担。

Description

基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及标定方法

技术领域

本发明为一种电机最大转矩电流比的控制系统及相应的方法，具体涉及一种适用于永磁同步电机的MTPA曲线标定系统及相应的方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnetic Synchronous Machine， PMSM)、又称他励发电机，是近年来新兴的一种电机设备，具有体积小、功率因数高、效率高、调速范围宽、运行可靠、易维护等诸多优点，因此被广泛应用于电动汽车、伺服控制、家用电器等对性能要求较高的领域。

为了更好地利用电机的电磁转矩、提高电机的输出转矩， PMSM驱动系统通常会采用最大转矩电流比控制。如今在各车厂采用的最大转矩电流比控制方法中，运用较多的就是基于MTPA最优控制曲线的查表法。重点就是需要离线获得电机的最优控制曲线，因此需要对电机的最优控制曲线进行标定。传统的MTPA曲线标定工作中使用的搜索法需要实时测量电机的输出转矩输出到测功机，并通过测功机的控制来调节当前测功机的负载转矩大小。但是在实际的操作中，研究人员与试验人员发现，这样的操作方式会使得标定工作复杂化，严重影响了工作效率。

综上所述，如何基于上述研究现状，提出一种全新的、更为高效的永磁同步电机MTPA曲线标定系统及标定方法，以克服现有技术中所存在的不足，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及标定方法，具体如下。

一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，与永磁同步电机相匹配，包括三相逆变器、空间矢量脉宽调制单元、光电编码器、三相静止-两相静止坐标变换单元、两相静止-两相旋转坐标变换单元、两相旋转-两相静止坐标变换单元、速度调节器、电流调节器以及自调节寻优策略单元；

所述电流传感器的信号采集端与所述永磁同步电机的输入端电性连接，所述电流传感器的电流信号输出端与所述三相静止-两相静止坐标变换单元的电流信号输入端电性连接；

所述三相静止-两相静止坐标变换单元的信号输出端与所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输入端电性连接；

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接；

所述光电编码器的信号采集端与所述永磁同步电机的输出端电性连接，所述光电编码器的信号输出端与所述速度调节器的信号输入端电性连接；

所述速度调节器的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接；

所述自调节寻优策略单元的电压信号输出端与所述电流调节器的电压信号输入端电性连接；

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的电压信号输出端与所述空间矢量脉宽调制单元的电压信号输入端电性连接；

所述空间矢量脉宽调制单元中功率开关管的状态信号输出端均与所述三相逆变器的功率开关管状态信号输入端电性连接，所述三相逆变器的三相电压输出端分别与所述永磁同步电机的三相电压输入端对应连接。

优选地，所述速度调节器及所述电流调节器二者均为比例积分控制器。

优选地，所述空间矢量脉宽调制单元中包含有六个所述功率开关管。

一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定方法，使用如上所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，包括如下步骤：

S1、利用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，随后所述电流传感器将A相定子电流信号i_a及B相定子电流信号i_b输入三相静止-两相静止坐标变换单元中得到α轴电流i_α、β轴电流i_β；

S2、所述三相静止-两相静止坐标变换单元将得到的α轴电流i_α、β轴电流i_β输入两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到d轴电流i_d、q 轴电流i_q；

S3、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的d轴电流i_d、 q轴电流i_q输入自调节寻优策略单元中；

S4、利用光电编码器采集所述永磁同步电机的转速，随后所述光电编码器计算出电机转速ω_e，再将电机的给定转速值ω_eref减去电机转速ω_e，将差值输入速度调节器中得到q轴电流参考值i_qref；

S5、所述速度调节器将得到的q轴电流参考值i_qref输入所述自调节寻优策略单元中，所述自调节寻优策略单元执行寻优流程、得到d 轴电流参考值i_dref；

S6、所述自调节寻优策略单元计算d轴电流参考值i_dref与d轴电流i_d的差值并将结果输入电流调节器中得到d轴给定电压U_d，所述自调节寻优策略单元计算q轴电流参考值i_qref与q轴电流i_q的差值并将结果输入电流调节器中得到q轴给定电压U_q；

S7、所述电流调节器将得到的d轴给定电压U_d、q轴给定电压U_q输入所述两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到α轴给定电压U_α、β轴给定电压U_β；

S8、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的α轴给定电压 U_α、β轴给定电压U_β输入空间矢量脉宽调制单元中得到功率开关管控制信号；

S9、所述空间矢量脉宽调制单元将得到的功率开关管控制信号输入三相逆变器中并得到所述永磁同步电机的三相同步电压，最终完成 MTPA曲线标定。

优选地，S5中所述自调节寻优策略单元执行寻优流程，包括如下步骤：

S51、设定所述永磁同步电机的给定转速和负载大小，对所述永磁同步电机进行速度闭环控制、使所述永磁同步电机运行到给定转速；

S52、控制所述永磁同步电机在i_d＝0的条件下运行至稳态，记录此时定子电流i_s的值、记为i_s(0)，以电机额定电流I_N的1％的大小、即 -I_N/100的大小作为步长Δi_d，开始执行后续操作；

S53、设定d轴电流的参考值变化步长Δi_d，将d轴电流i_d增大一个步长；

S54、等待所述永磁同步电机运行至稳态，记录当前定子电流并记为i_s(k)，判断定子电流i_s(k)与扰动前的定子电流i_s(k-1)的大小，随后计算二者的差值、记为Δi_s(k)，Δi_s(k)＝i_s(k)-i_s(k-1)；

S55、若前两个时刻的Δi_s符号相反，则更新步长Δi_d为上一时刻步长的-1/2，否则无操作、直接进入下一步骤；

S56、利用当前步长Δi_d增大d轴电流i_d，等待所述永磁同步电机运行到稳态；

S57、判断当前步长Δi_d与所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长的关系，若当前步长Δi_d大于等于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则跳转至S54；若当前步长Δi_d小于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则结束流程。

优选地，S52中所述定子电流i_s为d轴电流i_d与q轴电流i_q二者的平方和，计算公式为

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所提出的一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及标定方法，在恒转矩的情况下，通过变步长搜索法搜索出当前最小定子电流，并通过修改不同负载转矩及重复实验标定的方式最终完成了对MTPA曲线的标定。本发明在使用时不仅搜索过程直接、迅速，作业效率提升显著，而且在最大限度上简化了标定工作的流程，减轻了研究人员与试验人员的负担。

同时，本发明的方法流程清晰、步骤简单、可重复性强，具有一定的普适性特征，具有十分广阔的应用前景和极高的使用价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中PI控制器的原理框图；

图3为本发明中自调节寻优策略单元的流程图；

图4为本发明中电机恒转矩曲线图；

图5为本发明中恒转矩下id与is的关系示意图。

具体实施方式

本发明揭示了一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及标定方法。本发明的具体方案如下。

一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，与永磁同步电机相匹配，包括三相逆变器、空间矢量脉宽调制单元、光电编码器、三相静止-两相静止坐标变换单元、两相静止-两相旋转坐标变换单元、两相旋转-两相静止坐标变换单元、速度调节器、电流调节器以及自调节寻优策略单元。

所述电流传感器的信号采集端与所述永磁同步电机的输入端电性连接，所述电流传感器的电流信号输出端与所述三相静止-两相静止坐标变换单元的电流信号输入端电性连接。

所述三相静止-两相静止坐标变换单元的信号输出端与所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输入端电性连接。

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接。

所述光电编码器的信号采集端与所述永磁同步电机的输出端电性连接，所述光电编码器的信号输出端与所述速度调节器的信号输入端电性连接。

所述速度调节器的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接。

所述自调节寻优策略单元的电压信号输出端与所述电流调节器的电压信号输入端电性连接。

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的电压信号输出端与所述空间矢量脉宽调制单元的电压信号输入端电性连接。

所述空间矢量脉宽调制单元中功率开关管的状态信号输出端均与所述三相逆变器的功率开关管状态信号输入端电性连接，所述三相逆变器的三相电压输出端分别与所述永磁同步电机的三相电压输入端对应连接。

如图1所示，在本实施例中，所述速度调节器及所述电流调节器二者均为比例积分(PI)控制器，可以使电机完成闭环运行，运行在给定的转速下，方便获得不同负载转矩系下的dq轴电流值，PI调节器的具体细节如图2所示。

此外，在本实施例中，所述空间矢量脉宽调制单元中包含有六个所述功率开关管。

一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定方法，使用如上所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，包括如下步骤：

S1、利用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，随后所述电流传感器将A相定子电流信号i_a及B相定子电流信号i_b输入三相静止-两相静止坐标变换单元中得到α轴电流i_α、β轴电流i_β。

S2、所述三相静止-两相静止坐标变换单元将得到的α轴电流i_α、β轴电流i_β输入两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到d轴电流i_d、q 轴电流i_q。

S3、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的d轴电流i_d、 q轴电流i_q输入自调节寻优策略单元中。

S4、利用光电编码器采集所述永磁同步电机输入端的输出信号，随后所述光电编码器计算出电机转速ω_e，再将电机的给定转速值ω_eref减去电机转速ω_e，将差值输入速度调节器中得到q轴电流参考值i_qref。

S5、所述速度调节器将得到的q轴电流参考值i_qref输入所述自调节寻优策略单元中，随后所述自调节寻优策略单元执行寻优流程、得到d轴电流参考值i_dref。

S6、所述自调节寻优策略单元计算d轴电流参考值i_dred与d轴电流i_d的差值并将结果输入电流调节器中得到d轴给定电压U_d，所述自调节寻优策略单元计算q轴电流参考值i_qref与q轴电流i_q的差值并将结果输入电流调节器中得到q轴给定电压U_q。

S7、所述电流调节器将得到的d轴给定电压U_d、q轴给定电压U_q输入所述两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到α轴给定电压U_α、β轴给定电压U_β。

S8、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的α轴给定电压 U_α、β轴给定电压U_β输入空间矢量脉宽调制单元中得到功率开关管控制信号。

S9、所述空间矢量脉宽调制单元将得到的功率开关管控制信号输入三相逆变器中并得到所述永磁同步电机的三相同步电压，最终完成 MTPA曲线标定。

如图3所示，S5中所述自调节寻优策略单元执行寻优流程，包括如下步骤：

S51、设定所述永磁同步电机的给定转速和负载大小，对所述永磁同步电机进行速度闭环控制、使所述永磁同步电机运行到给定转速。

S52、控制所述永磁同步电机在i_d＝0的条件下运行至稳态，记录此时定子电流i_s的值、记为i_s(0)，以电机额定电流I_N的1％的大小、即 -I_N/100的大小作为步长Δi_d，开始执行后续操作。

此处所述定子电流i_s为d轴电流i_d与q轴电流i_q二者的平方和，计算公式为

S53、设定d轴电流的参考值变化步长Δi_d，将d轴电流i_d增大一个步长。

S54、等待所述永磁同步电机运行至稳态，记录当前定子电流并记为i_s(k)，判断定子电流i_s(k)与扰动前的定子电流i_s(k-1)的大小，随后计算二者的差值、记为Δi_s(k)，Δi_s(k)＝i_s(k)-i_s(k-1)。

S55、若前两个时刻的Δi_s符号相反，则更新步长Δi_d为上一时刻步长的-1/2，否则无操作、直接进入下一步骤。

S56、利用当前步长Δi_d增大d轴电流i_d，等待所述永磁同步电机运行到稳态。

S57、判断当前步长Δi_d与所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长的关系，若当前步长Δi_d大于等于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则跳转至S54。若当前步长Δi_d小于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则结束流程。

在本发明中，所用到的永磁同步电机基本理论如下：

最大转矩电流比控制，又名定子电流最小控制，即电机在转矩一定的情况下使用最小定子电流。从图4可以看出，令最优电流角γMTPA对应的d轴电流为i_dMTPA、定子电流为i_sMTPA，恒转矩条件下，当电机的d轴电流比i_dMTPA大时，i_s比i_sMTPA大。当电机的d 轴电流比i_dMTPA小时，i_s也比i_sMTPA大，所以此恒转矩状态下，只需要确认电机的定子电流是当前情况下的最小值，就可以确认此时电机工作在MTPA状态，而无需知道电机当前的电磁转矩的确切数值，同时也不会受到电感参数变化的干扰。

在恒转矩条件下，内置式永磁同步电机的d轴电流i_d与定子电流i_s的关系可以表示为图5。从图5中可以看出，恒转矩条件下，获取电机最小定子电流i_sMTPA的问题，即是一个在i_d小于零的区间内搜索最优d轴电流给定值i_dMTPA的问题。

综上所述，本发明所提出的一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统及标定方法，在恒转矩的情况下，通过变步长搜索法搜索出当前最小定子电流，并通过修改不同负载转矩及重复实验标定的方式最终完成了对MTPA曲线的标定。本发明在使用时不仅搜索过程直接、迅速，作业效率提升显著，而且在最大限度上简化了标定工作的流程，减轻了研究人员与试验人员的负担。

同时，本发明的整体方法流程清晰、步骤简单、可重复性强，具有一定的普适性特征，具有十分广阔的应用前景和极高的使用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，与永磁同步电机相匹配，其特征在于：包括三相逆变器、空间矢量脉宽调制单元、光电编码器、三相静止-两相静止坐标变换单元、两相静止-两相旋转坐标变换单元、两相旋转-两相静止坐标变换单元、速度调节器、电流调节器以及自调节寻优策略单元；

所述电流传感器的信号采集端与所述永磁同步电机的输入端电性连接，所述电流传感器的电流信号输出端与所述三相静止-两相静止坐标变换单元的电流信号输入端电性连接；

所述三相静止-两相静止坐标变换单元的信号输出端与所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输入端电性连接；

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接；

所述光电编码器的信号采集端与所述永磁同步电机的输出端电性连接，所述光电编码器的信号输出端与所述速度调节器的信号输入端电性连接；

所述速度调节器的信号输出端与所述自调节寻优策略单元的信号输入端电性连接；

所述自调节寻优策略单元的电压信号输出端与所述电流调节器的电压信号输入端电性连接；

所述两相静止-两相旋转坐标变换单元的电压信号输出端与所述空间矢量脉宽调制单元的电压信号输入端电性连接；

所述空间矢量脉宽调制单元中功率开关管的状态信号输出端均与所述三相逆变器的功率开关管状态信号输入端电性连接，所述三相逆变器的三相电压输出端分别与所述永磁同步电机的三相电压输入端对应连接。

2.根据权利要求1所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，其特征在于：所述速度调节器及所述电流调节器二者均为比例积分(PI)控制器。

3.根据权利要求1所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，其特征在于：所述空间矢量脉宽调制单元中包含有六个所述功率开关管。

4.一种基于变步长搜索的MTPA曲线标定方法，使用如权利要求1所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，随后所述电流传感器将A相定子电流信号i_a及B相定子电流信号i_b输入三相静止-两相静止坐标变换单元中得到α轴电流i_α、β轴电流i_β；

S2、所述三相静止-两相静止坐标变换单元将得到的α轴电流i_α、β轴电流i_β输入两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到d轴电流i_d、q轴电流i_q；

S3、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的d轴电流i_d、q轴电流i_q输入自调节寻优策略单元中；

S4、利用光电编码器采集所述永磁同步电机的转速，随后所述光电编码器计算出电机转速ω_e，再将电机的给定转速值ω_eref减去电机转速ω_e，将差值输入速度调节器中得到q轴电流参考值i_qref；

S5、所述速度调节器将得到的q轴电流参考值i_qref输入所述自调节寻优策略单元中，所述自调节寻优策略单元执行寻优流程、得到d轴电流参考值i_dref；

S6、所述自调节寻优策略单元计算d轴电流参考值i_dref与d轴电流i_d的差值并将结果输入电流调节器中得到d轴给定电压U_d，所述自调节寻优策略单元计算q轴电流参考值i_qref与q轴电流i_q的差值并将结果输入电流调节器中得到q轴给定电压U_q；

S7、所述电流调节器将得到的d轴给定电压U_d、q轴给定电压U_q输入所述两相静止-两相旋转坐标变换单元中得到α轴给定电压U_α、β轴给定电压U_β；

S8、所述两相静止-两相旋转坐标变换单元将得到的α轴给定电压U_α、β轴给定电压U_β输入空间矢量脉宽调制单元中得到功率开关管控制信号；

S9、所述空间矢量脉宽调制单元将得到的功率开关管控制信号输入三相逆变器中并得到所述永磁同步电机的三相同步电压，最终完成MTPA曲线标定。

5.根据权利要求4所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定方法，其特征在于，S5中所述自调节寻优策略单元执行寻优流程，包括如下步骤：

S51、设定所述永磁同步电机的给定转速和负载大小，对所述永磁同步电机进行速度闭环控制、使所述永磁同步电机运行到给定转速；

S52、控制所述永磁同步电机在i_d＝0的条件下运行至稳态，记录此时定子电流i_S的值、记为i_S(0)，以电机额定电流I_N的1％的大小、即-I_N/100的大小作为步长Δi_d，开始执行后续操作；

S53、设定d轴电流的参考值变化步长Δi_d，将d轴电流i_d增大一个步长；

S54、等待所述永磁同步电机运行至稳态，记录当前定子电流并记为i_S(k)，判断定子电流i_S(k)与扰动前的定子电流i_S(k-1)的大小，随后计算二者的差值、记为Δi_S(k)，Δi_S(k)＝i_S(k)-i_S(k-1)；

S55、若前两个时刻的Δi_S符号相反，则更新步长Δi_d为上一时刻步长的-1/2，否则无操作、直接进入下一步骤；

S56、利用当前步长Δi_d增大d轴电流i_d，等待所述永磁同步电机运行到稳态；

S57、判断当前步长Δi_d与所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长的关系，若当前步长Δi_d大于等于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则跳转至S54；若当前步长Δi_d小于所述自调节寻优策略单元中所设定的最小步长，则结束流程。

6.根据权利要求5所述的基于变步长搜索的MTPA曲线标定方法，其特征在于：S52中所述定子电流i_S为d轴电流i_d与q轴电流i_q二者的平方和，计算公式为

Images