CN112468043B - 一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法，其中方法包括:接收转矩指令，根据所述转矩指令中的转矩值以及预置的数据表，得到转矩值对应的电压矢量角；根据电压矢量角和基波相电压幅值得到d轴和q轴方向的控制电压；根据控制电压转子位置角，得到A、B、C各相的相电压；根据各相电压的正负极性判断各桥臂的开关管的开关状态并确定开关状态持续时间；根据上述开关状态和持续时间，控制各桥臂中开关管的开启和关闭，从而实现电机的输出转矩控制。上述技术方案克服了现有电流闭环控制方法的缺点，可以输出更高峰值转矩，提升了弱磁区的转矩输出，在高转速区不受电流闭环带宽限制，并提升了电机的动态性能。

Description

一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法。
背景技术
永磁同步电机由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。对永磁电机进行最优控制并提升高速段峰值性能有着重要意义，因而研究永磁电机的弱磁扩速等问题，无论是从控制角度还是本体结构的合理设计选取的角度，一直是国内外学者研究解决的热点。
根据图1示出的现有的电机电流闭环控制结构框图，其中，控制输出电压由电流闭环PI(Proportional-Integral，比例积分)控制器确定，门控信号由PWM生成，受电压利用率的限制，在进入弱磁区间，电机峰值输出能力与控制器输出电压有关，而更高的电压利用率会使电流闭环控制进入饱和区间，从而导致电流闭环控制失控，所以在系统稳定性和最大输出能力之间要取一个平衡。电流闭环闭环控制标定调制比控制在0.907左右(定义输出最大线电压时的调制比为1，此时相电压最大基波幅值为2/pi*Vdc)，高于0.907 则进入过调制区间。
现有电流闭环可以近似看作一个一阶惯性系统，当电机转速升高，电频率随之升高。而一阶控制系统受到最大带宽的影响，动态性能会随着电流频率上升而变差，尤其是当电机转速较高时，电流闭环PI调节在动态调节时，也容易出现超调和震荡等现象。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明实施例提供了一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法，所述控制方法包括如下的步骤:
接收转矩指令，根据所述转矩指令中的转矩值以及预置的数据表或预置的公式，结合所述永磁同步电机的当前转速和为所述永磁同步电机供电的电池的直流母线电压，得到对应的所述永磁同步电机的电压矢量角α；其中，所述数据表为记载电压矢量角和转矩值对应关系的数据表，所述公式能够表征电压矢量角和转矩值之间关系，所述电压矢量角α为所述永磁同步电机中电压矢量与所述永磁同步电机的d轴之间的夹角；
根据所述电压矢量角α和基波相电压幅值得到所述永磁同步电机d轴和q轴方向的控制电压Vd和Vq；
根据所述控制电压Vd、Vq和所述永磁同步电机的转子位置角θ，利用坐标变换得到A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc；
根据所述相电压Va、Vb和Vc的正负，确定电机控制电路各桥臂中的开关管的状态，若Va大于0，则A相上桥臂为全开，下桥臂为全关，若Va小于0，则A相上桥臂为全关，下桥臂为全开；对B、C两相以相同方式确定；
根据所述转子位置角θ和电压矢量角α得到A相电压的相位角r，r＝θ+α， r的范围在0到2π之间，当r等于π/2和3π/2时，A相的相电压值会穿越0 点，此时需要同时反转A相上桥臂和下桥臂的开关状态，并得到状态反转时间；由于B相和C相依次滞后A相120°和240°，按照与A相相同的方式，确定出B相和C相对应开关管的状态反转时间；
根据确定的A、B、C三相开关管状态和状态反转时间，控制所述电机控制电路各桥臂中开关管的开启和关闭，从而使得所述永磁同步电机按照所述转矩指令输出相应的转矩值。
可选地，所述预置的数据表和预置的公式是通过如下的步骤获得的：
将所述永磁同步电机置于测功机台架上，当所述永磁同步电机在不同直流母线电压和不同转速时，依次手动调整电压矢量角，记录利用转矩传感器得到的与所述电压矢量角对应的转矩值，并建立包括转速、直流母线电压、电压矢量角与转矩值对应关系的数据表；然后，根据所述数据表对所述电压矢量角度和转矩值的数值关系进行拟合，获得所述表征电压矢量角度和转矩值之间关系的公式。
可选地，所述预置的电压矢量角度和转矩值对应关系的数据表的获得的步骤进一步具体包括：选取不同的直流母线电压值，选取范围为200-500V，选取转速范围为0-16000rpm，转速间隔为1000rmp。
可选地，在获得数据表后通过线性插值法和/或合理边界值确定法，对所述数据表进行校准。
可选地，所述根据所述电压矢量角α和基波相电压幅值得到所述永磁同步电机d轴和q轴方向的控制电压Vd和Vq具体包括：
所述开关管在全开状态时的基波相电压幅值如下公式(1)所示：
Vm＝(2/π)*Vdc (1)
则可以得到在转子同步坐标系中，d轴和q轴方向的控制电压如下公式 (2)所示：
Vd＝Vm*cos(α)，Vq＝Vm*sin(α) (2)
其中，Vdc是直流母线电压，α是输出电压矢量与d轴之间的电压矢量角。
可选地，所述利用坐标变换得到A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc中的坐标变换为逆帕克变换。
可选地，所述转子位置角θ根据设置在所述永磁同步电机上的旋转变压器测量获得，根据延迟时间和/或电机的转速进行补偿。
可选地，所述电机控制电路为三相PWM逆变器电路。
可选地，所述直流母线电压保持设定的最大值输出，A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc保持最大值或最小值输出。
本发明的优点及有益效果是：
本发明提出的永磁同步电机电压开环控制方法，相比现有技术中的电流闭环方法，控制框图更简单，不受电压利用率的限制可以输出更高的峰值转矩，从而扩展电机恒转矩区域，并显著提升弱磁区的峰值转矩。在高转速区间不受电流闭环带宽限制，动态性能也有所提升。
且上述控制方法中电压矢量角以及转矩标定方法简单，标定测试人员易掌握和实现，无电压利用率的限制，在标定过程中也不会失控；同时电压矢量角度和转矩的对应关系线性度较好，实测转矩随着电压矢量角单调递增，从而减少了标定难度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为现有技术中电机电流闭环控制模式的框图；
图2为本发明的一个实施例中电压开环控制模式的框图；
图3为永磁同步电机的控制电路的等效电路图；
图4为本发明的一个实施例中直流母线电压Vdc和各相电压Va、Vb、Vc的示意图；
图5为本发明的一个实施例中在固定转速和直流母线电压下的标定转矩输出与电压矢量角之间的关系图；
图6为本发明的一个实施例中全转速范围内转矩输出与电压矢量角的关系图；
图7为现有电流闭环控制方式和本发明电压开环控制方式在峰值能力输出的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的技术构思在于：由于电机的电压矢量角与转矩具有对应关系，确定了转矩值就可以确定电压矢量角，因此，在直流母线电压一定的情况下，根据电压矢量角就可以实现对电机控制电路的开关管通断控制，从而实现给定转矩的输出，从而实现了一种对永磁同步电机的无需反馈的电压开环控制模式。
根据图2示出的本发明的一个实施例中电压开环控制框图，该基于电压开环的永磁同步电机转矩控制方法包括如下的步骤：
S1，永磁同步电机的控制器在接收转矩指令后，根据所述转矩指令中的转矩值以及预置的电压矢量角和转矩值对应关系的数据表或者表征电压矢量角和转矩值之间关系的公式，结合所述永磁同步电机的当前转速和直流母线电压，得到对应的电压矢量角α。
其中，所述预置的电压矢量角和转矩值对应关系的数据表或者表征电压矢量角和转矩值之间关系的公式是通过如下的步骤获得的：将所述永磁同步电机置于测功机台架上，记录所述永磁同步电机在不同直流母线电压和不同转速时，依次调整电压矢量角，利用转矩传感器得到的与所述电压矢量角对应的转矩值，并建立包括转速、直流母线电压、电压矢量角与转矩值对应关系的数据表，并根据所述数据表对所述电压矢量角度和转矩值的数值关系进行拟合获得所述表征电压矢量角度和转矩值之间关系的公式。
优选地，所述预置的电压矢量角度和转矩值对应关系的数据表的获得的步骤具体包括：选取不同的直流母线电压值，选取范围为200-500V，选取转速范围为0-16000rpm，转速间隔为1000rmp。
具体操作时，参见图5所示，在一个固定的转速和固定的直流母线电压的情况下，调整电压矢量角，使电机输出转矩(转矩)从0开始增大到最大，然后记录上述数值到数据表。标定完一个转速后，使转矩恢复到0，升速到下一个转速点，重复标定步骤，得到全转速范围下的转速和电压矢量角的对应关系，从而获得如图6所示的全转速范围的对应关系。
在一个优选的实施方式中，还包括在获得数据表后通过线性插值法，并且根据确定的合理边界值，对所述数据表进行校准的步骤。
S2，根据所述电压矢量角α和基波相电压幅值得到所述永磁同步电机d 轴和q轴方向的控制电压Vd和Vq。
优选地，在固定电机电池的母线电压情况下，在电机控制电路中桥臂全开时，电机能够获得的基波相电压幅值如下公式(1)所示：
Vm＝(2/π)*Vdc (1)
则在转子同步坐标系中，可以获得电机d轴和q轴的控制电压如下公式 (2)所示：
Vd＝Vm*cos(α)，Vq＝Vm*sin(α) (2)
其中，Vdc(Udc)是直流母线电压，α是输出电压矢量与d轴之间的电压矢量角，也即上述的电压矢量角。
S3，根据所述控制电压Vd、Vq和所述永磁同步电机的转子位置角θ，利用坐标变换得到A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc。需要指出的上述坐标变换算法优选为逆帕克坐标变换算法。
S4，根据图2，结合图3示出的永磁同步电机的控制电路的等效图，所述电机的控制电路为三相PWM逆变器电路。根据所述相电压Va、Vb和Vc的正负，确定电机控制电路各桥臂中的开关管的状态，若Va大于0，则A 相上桥臂为全开，下桥臂为全关，若Va小于0，则A相上桥臂为全关，下桥臂为全开；对B、C两相以相同方式确定。
S5，根据所述转子位置角θ和电压矢量角α得到A相电压的相位角r， r＝θ+α，r的范围在0到2π之间，当r等于π/2和3π/2时，A相的相电压值会穿越0点，此时需要同时反转A相上桥臂和下桥臂的开关状态，并得到状态反转时间；由于B相和C相依次滞后A相120°和240°，按照与A相相同的方式，确定出B相和C相对应开关管的状态反转时间。
获得的结果可参见图4所示的各电压之间的关系示意图，其中Van为A 相电压与两个电源中点的电压值，以此类推。在电机运行和控制过程中，所述直流母线电压保持设定的最大值输出，A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc保持最大值或最小值输出。
S6，根据确定的A、B、C三相开关管状态和状态反转时间，控制所述电机控制电路各桥臂中开关管的开启和关闭，从而使得所述永磁同步电机按照所述转矩指令输出相应的转矩值。
需要指出的是，上述的转子位置角θ根据设置在所述永磁同步电机上的旋转变压器测量获得，并且优选根据延迟时间以及电机的转速等相关因素进行补偿。
综上，上述实施例公开的电压开环控制方法，三相输出电压的基本幅度可以达到最大值，因此，永磁同步电机可以输出更大的电磁转矩，以增加系统的功率密度。最重要的是，在这种控制模式下，开关频率达到最小值，即等于永磁同步电机的电气频率，而控制器的功率损耗最低，更进一步，电压开环控制模式是标量控制模式，完全不同于空间矢量控制。
其次，上述电压开环模式根据转矩指令控制输出电压矢量角，电压利用率可以提高到最大，调制比可以达到1，且弱磁区峰值输出性能会有较大的提升。
再次，电压开环控制作为开环控制系统，不受电流闭环带宽的限制，在较高的电频率下，电压指令给定后不会发生震荡，从而得到更好的动态性能。
下面通过实施例1-3进行进一步地说明。
实施例1
如图2所示，在本发明实施例1中，一种永磁同步电机电压开环控制方法，转矩指令可以通过控制电压矢量角来实现。
如图5所示，标定转矩和电压相位矢量角的二维表格还应进行校准，校准方法可以是线性插值，并设置合理的边界值，
以实际项目为例，测功机台架标定精进电动科技股份有限公司200kW永磁同步电机，利用上述的方法，标定电压矢量角和转矩在不同转速、电压下的对应关系。
先固定直流母线电压例如350Vdc，转速范围为0到16000rpm，转速间隔可以取1000rpm，固定一个转速，调整电压矢量角变化，使电机输出转矩从0开始增加到最大。记录转矩与电压矢量角的一一对应关系。标定完一个转速后，使转矩恢复到0Nm，升速到下一个转速点，重复标定步骤，得到全转速范围下的转速和电压矢量角对应关系。如图6所示。
变更标定电压各取最低工作电压例如250Vdc，再次重复上述标定步骤，完成当前电压下全转速范围的标定。之后提升电压到最高工作电压例如470V，重复上述标定步骤。
至此，得到全电压范围，全转速范围内的转矩与电压矢量角的对应关系。
在电压开环控制中利用这个关系，通过接收到的转矩指令，查表求出电压矢量角，进行后续电压开环控制算法。
实施例2
测试电流闭环控制模式和电压开环模式在峰值能力输出的结果：
还是选取精进电动科技股份有限公司的200kW永磁同步电机进行标定来对比输出性能。
可以利用电流闭环标定转矩电流MAP的方法对电流闭环模式的性能进行标定，此时要保证标定环境与电压开环法标定环境一致，例如控制器水温和流量，电机冷却油温和流量等。确定两次标定前后电机反电动势一致。
现有的电流闭环控制和电压开环控制都标定完成后，选取额定电压，比较两者转矩外特性和功率外特性的数据。
如图7，通过对比可以看出电压开环模式在峰值能力输出方面要显著高于电流闭环控制模式，电压开环控制可以扩展恒转矩区域，并显著提高弱磁区转矩能力。
实施例3
测试电流闭环控制模式和电压开环模式在动态阶跃测试情况。
使用电压开环控制可以显著提高电机的输出性能，但是动态响应情况是否受到影响需要验证，在不同工况下比较了电流闭环控制模式和电压开环模式动态阶跃的时间以及电流变化波形。为此，分别比较电流闭环控制模式和电压开环模式的电流响应。
测试电机依然选取精进电动科技股份有限公司的200kW永磁同步电机，测试环境设置与实施例2保持一致。
测试方法为固定测功机陪测转速，分别用两种控制模式给予峰值阶跃转矩指令，使用示波器记录电流波形，分析电流上升到峰值电流95％的时间以及从峰值电流下降到0Arms的时间。
测试转速选取6500rpm到14500rpm，转速间隔为1000rpm。由于电流闭环动态性能受PI参数影响较大，测试过程中需要根据电流大小和转速来调节PI，同时根据电流的超调量和震荡情况修正参数。相比于电流闭环控制繁琐的Pi调节，电压开环控制不需要调节任何PI参数，更便于测试人员进行测试。
最终测试结果见下表所示。考虑到电流波形超调和震荡等因素，电流闭环控制响应不能太快，而电压开环控制就不受这一影响，在高速下，电压开环控制模式的电流动态响应要优于电流闭环控制。
Figure GDA0002848210540000091
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电压开环的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下的步骤:
接收转矩指令，根据所述转矩指令中的转矩值以及预置的数据表或预置的公式，结合所述永磁同步电机的当前转速和为所述永磁同步电机供电的电池的直流母线电压，得到对应的所述永磁同步电机的电压矢量角α；其中，所述数据表为记载电压矢量角和转矩值对应关系的数据表，所述公式能够表征电压矢量角和转矩值之间关系，所述电压矢量角α为所述永磁同步电机中电压矢量与所述永磁同步电机的d轴之间的夹角；
根据所述电压矢量角α和基波相电压幅值得到所述永磁同步电机d轴和q轴方向的控制电压Vd和Vq；
根据所述控制电压Vd、Vq和所述永磁同步电机的转子位置角θ，利用坐标变换得到A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc；
根据所述相电压Va、Vb和Vc的正负，确定电机控制电路各桥臂中的开关管的状态，若Va大于0，则A相上桥臂为全开，下桥臂为全关，若Va小于0，则A相上桥臂为全关，下桥臂为全开；对B、C两相以相同方式确定；根据所述转子位置角θ和电压矢量角α得到A相电压的相位角r，r＝θ+α，r的范围在0到2π之间，当r等于π/2和3π/2时，A相的相电压值会穿越0点，此时需要同时反转A相上桥臂和下桥臂的开关状态，并得到状态反转时间；由于B相和C相依次滞后A相120°和240°，按照与A相相同的方式，确定出B相和C相对应开关管的状态反转时间；
根据确定的A、B、C三相开关管状态和状态反转时间，控制所述电机控制电路各桥臂中开关管的开启和关闭，从而使得所述永磁同步电机按照所述转矩指令输出相应的转矩值；
所述开关管在全开状态时的基波相电压幅值如下公式(1)所示：
Vm＝(2/π)*Vdc (1)
其中，Vdc是直流母线电压。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预置的数据表和预置的公式是通过如下的步骤获得的：
将所述永磁同步电机置于测功机台架上，当所述永磁同步电机在不同直流母线电压和不同转速时，依次手动调整电压矢量角，记录利用转矩传感器得到的与所述电压矢量角对应的转矩值，并建立包括转速、直流母线电压、电压矢量角与转矩值对应关系的数据表；然后，根据所述数据表对所述电压矢量角度和转矩值的数值关系进行拟合，获得所述表征电压矢量角和转矩值之间关系的公式。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述预置的电压矢量角度和转矩值对应关系的数据表的获得的步骤进一步具体包括：选取不同的直流母线电压值，选取范围为200-500V，选取转速范围为0-16000rpm，转速间隔为1000rmp。
4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，在获得数据表后通过线性插值法和/或合理边界值确定法，对所述数据表进行校准。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述电压矢量角α和基波相电压幅值得到所述永磁同步电机d轴和q轴方向的控制电压Vd和Vq具体包括：
则可以得到在转子同步坐标系中，d轴和q轴方向的控制电压如下公式(2)所示：
Vd＝Vm*cos(α)，Vq＝Vm*sin(α) (2)。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用坐标变换得到A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc中的坐标变换为逆帕克变换。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述转子位置角θ根据设置在所述永磁同步电机上的旋转变压器测量获得，根据延迟时间和/或电机的转速进行补偿。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电机控制电路为三相PWM逆变器电路。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述直流母线电压保持设定的最大值输出，A、B、C各相的相电压Va、Vb和Vc保持最大值或最小值输出。
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