CN112910326B - 一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。步骤1：当电机的参数为非线性函数时，确定磁链的辨识；步骤2：确定工作点处磁链变化的导数的辨识；步骤3：基于步骤2的工作点处磁链变化的导数形成的MTPA控制率；步骤4：基于步骤3的MTPA控制率得到电流的指令值。本发明通过采用新型的MTPA策略的控制条件，结合在线参数辨识方法，解决了MTPA工作点难以在线计算的难题，无需预先标定，且方法不受环境温度影响。

Description

一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机驱动控制领域；具体涉及一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
背景技术
目前内插式永磁同步电机多采用最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略，由于电机电参数受电机工作状态机环境温度的影响，具有波动性，因此MTPA工作曲线难以直接计算，需要通过大量测试工作标定MTPA工作曲线，工作量较大。另外预先标定的曲线无法对电机工作温度进行补偿，实际使用时仍存在一定偏差。
发明内容
本发明提供了一种于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，通过采用新型的MTPA策略的控制条件，结合在线参数辨识方法，解决了MTPA工作点难以在线计算的难题，无需预先标定，且方法不受环境温度影响。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：当电机的参数为非线性函数时，确定磁链的辨识；
步骤2：确定工作点处磁链变化的导数的辨识；
步骤3：基于步骤2的工作点处磁链变化的导数形成的MTPA控制率；
步骤4：基于步骤3的MTPA控制率得到电流的指令值。
本发明的有益效果是：实现了MTPA控制最优工作点的在线计算，无需对电机进行转矩标定工作，节省的系统调试时间；同时，这种方法不受参数变化的影响，提高了系统的稳定性。
附图说明
附图1本发明与现有技术Ld与Ldd定义的差别示意图。
附图2本发明MTPA策略流程图。
附图3本发明所提算法和实际MTPA电流曲线示意图。
附图4电机空载状态下实际的dq轴电流。
附图5电机的电流动态响应波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
实施例1
一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：当电机的参数为非线性函数时，确定磁链的辨识；
步骤2：确定工作点处磁链变化的导数的辨识；
步骤3：基于步骤2的工作点处磁链变化的导数形成的MTPA控制率；
步骤4：基于步骤3的MTPA控制率得到电流的指令值。
进一步的，所述步骤1中电机的参数为非线性函数具体为，
电机的参数Ψd、Ψq为id、iq的非线性函数，永磁体磁链Ψf难以精确辨识，不在单独计算，以提高系统的精度；电机模型为，
Figure BDA0002910286900000021
式中，Ψd、Ψq为电机在dq坐标系下的磁链，ud、uq、id、iq为电机在dq坐标系下的电压与电流；
电机电流的计算公式为，
Figure BDA0002910286900000022
最大转矩电流比MTPA的控制条件为，在相同的转矩输出条件下，寻找最小的is值。
利用拉格朗日函数计算满足式最大转矩电流比MTPA的参数条件，构造用的拉格朗日函数为，
Figure BDA0002910286900000023
式中，Te0为目标输出转矩，λ为构造拉格朗日函数引入的系数；
求解公式(3)的偏导数为，
Figure BDA0002910286900000031
令
Figure BDA0002910286900000032
式(5)简化为，
Figure BDA0002910286900000033
最大转矩电流比MTPA的条件表示为，
Figure BDA0002910286900000034
从式(7)可知，若要达成最大转矩电流比MTPA条件，需要辨识的参数共六个，分别是电机在dq坐标系下的磁链Ψd和Ψq；工作点处磁链变化的导数Ldd、Lqq、Lqd和Ldq；
一般来说，Lqd、Ldq的值较小，因此，为了简化，当Lqd＝Ldq＝0，式(7)变为
Figure BDA0002910286900000035
辨识的量简化为四个，电机在dq坐标系下的磁链Ψd、Ψq和工作点处磁链变化的导数Ldd、Lqq；其中，Ψd、Ψq通过电压积分获得，需要辨识的量为Ldd、Lqq。
进一步的，所述步骤1中磁链的辨识具体为，
磁链与电压的关系为，
Figure BDA0002910286900000036
式中，其中uα、uβ是电机电压在静止坐标系下的分量，ψα、ψβ是磁链电机磁链在静止坐标系下的分量。
从式(9)可知，磁链通过积分器实现辨识，但积分器存在直流偏置问题，不能直接采用，一般采用二阶广义积分器(Second-Order Generalized Integrator，SOGI)形式或者高通滤波器代替，这里采用二阶广义积分器SOGI完成积分，SOGI传递函数为，
Figure BDA0002910286900000041
式中，s为拉普拉斯变换的复变量。
注意，在ω＝0的情况下，采用积分器原理辨识磁链的方法将失效，输出一直为0；实际应用中，当速度低到一定程度，辨识精度迅速衰减；
磁链在静止坐标系下的估计值为，
Figure BDA0002910286900000042
式中，
Figure BDA0002910286900000043
是磁链估计值，Uα(s)、Uβ(s)为电机电压传递函数；
转坐标系下的磁链估计值为，
Figure BDA0002910286900000044
式中，θ为电机的电角度。
进一步的，所述步骤2工作点处磁链变化的导数的辨识具体为，
Ldd与Lqq与传统电机参数Ld、Lq定义不同，具体差别如图1所示；
Ldd与Lqq是电机工作点处磁链变化的导数，利用小信号分析法计算，在电机工作点处注入一个小幅值的正弦信号，此时，可近似看做在工作点处Ldd与Lqq是不变的，工作点处Ldd与Lqq做线性化处理；
相电机注入高频谐波为，
Figure BDA0002910286900000045
式中，idh、iqh为向电机dq轴注入的小信号，t为时间，Ih为注入信号的幅值，ωh为注入信号额频率。
利用小信号分析方法，当Ih足够小时，在电流工作点的磁链波动为一个线性模型；
Figure BDA0002910286900000051
将式(14)代入到式(1)，得稳态下电机电压方程为，
Figure BDA0002910286900000052
式中，ud0、uq0、id0、iq0为电机电压、电流的基波分量，udh、uqh是电压信号的高频分量。
电压高频分量可以分解为
Figure BDA0002910286900000053
Figure BDA0002910286900000054
参数辨识公式为
Figure BDA0002910286900000055
注入谐波的控制策略采用谐振控制方式，控制器传递函数为
Figure BDA0002910286900000056
进一步的，所述步骤3具体为，获得Ldd和Lqq参数后，需要形成MTPA控制策略的控制率，采用积分控制实现MTPA控制；
首先，电机iq指令与电机转矩具有强相关性，因此，电机速度调节器的输出指令直接给iq电流调节器；电机iq电流指令确定后，电机id电流指令根据iq值和辨识参数确定；令
Figure BDA0002910286900000061
其中，iq,dc为q轴电流的直流分量，id,dc为d轴电流的直流分量；
当F＝0时，电机实现MTPA控制，利用积分控制器实现id电流控制；将计算的F值作为积分控制器的输入，积分控制器输出即是id电流的指令值。
实施例2
利用一台750W的永磁同步电机进行了相关实验，先通过实际测试，获得电机实际的MTPA电流曲线，作为对照；再利用本专利所提算法获得另一组MTPA电流曲线，通过比对发现，本发明所提算法和实际MTPA电流曲线较为接近如图3所示。
图4为电机空载状态下实际的dq轴电流，从图中可以看出，电机电流中包含了注入的小幅值的正弦信号。
图5为电机的电流动态响应波形，iq从0A变化到10A，再减小到0A，id则根据本专利所提算法，进行了相应的电流变化。

Claims (4)

1.一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：当电机的参数为非线性函数时，确定磁链的辨识；
步骤2：确定工作点处磁链变化的导数的辨识；
步骤3：基于步骤2的工作点处磁链变化的导数形成MTPA控制率；
步骤4：基于步骤3的MTPA控制率得到电流的指令值；
所述步骤1中电机的参数为非线性函数具体为，
电机的参数Ψd、Ψq为id、iq的非线性函数，电机模型为，
Figure FDA0003299505360000011
式中，Ψd、Ψq为电机在dq坐标系下的磁链，ud、uq、id、iq为电机在dq坐标系下的电压与电流；
电机电流的计算公式为，
Figure FDA0003299505360000012
利用拉格朗日函数计算满足式最大转矩电流比MTPA的参数条件，构造用的拉格朗日函数为，
Figure FDA0003299505360000013
式中，Te0为目标输出转矩，λ为构造拉格朗日函数引入的系数；
求解公式(3)的偏导数为，
Figure FDA0003299505360000014
令
Figure FDA0003299505360000021
式(5)简化为，
Figure FDA0003299505360000022
最大转矩电流比MTPA的条件表示为，
Figure FDA0003299505360000023
从式(7)可知，若要达成最大转矩电流比MTPA条件，需要辨识的参数共六个，分别是电机在dq坐标系下的磁链Ψd和Ψq；工作点处磁链变化的导数Ldd、Lqq、Lqd和Ldq；由于Lqd和Ldq可忽略，因此式(7)变为
Figure FDA0003299505360000024
辨识的量简化为四个，电机在dq坐标系下的磁链Ψd、Ψq和工作点处磁链变化的导数Ldd、Lqq；其中，Ψd、Ψq通过电压积分获得，需要辨识的量为Ldd、Lqq。
2.根据权利要求1所述一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤1中磁链的辨识具体为，
在两相静止坐标系下，磁链与电压的关系为，
Figure FDA0003299505360000025
式中，其中uα、uβ是电机电压在静止坐标系下的分量，ψα、ψβ是电机磁链在静止坐标系下的分量；
这里采用二阶广义积分器SOGI完成积分，SOGI传递函数为，
Figure FDA0003299505360000031
式中，s为拉普拉斯变换的复变量；
磁链在静止坐标系下的估计值为，
Figure FDA0003299505360000032
式中，
Figure FDA0003299505360000033
是磁链估计值，Uα(s)、Uβ(s)为电机电压传递函数；
旋转坐标系下的磁链估计值为，
Figure FDA0003299505360000034
式中，θ为电机的电角度。
3.根据权利要求1所述一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤2工作点处磁链变化的导数的辨识具体为，
Ldd与Lqq是电机工作点处磁链变化的导数，利用小信号分析法计算，在电机工作点处注入一个小幅值的正弦信号，此时，在工作点处Ldd与Lqq是不变的，工作点处Ldd与Lqq做线性化处理；
向电机注入高频谐波为，
Figure FDA0003299505360000035
式中，idh、iqh为向电机dq轴注入的小信号，t为时间，Ih为注入信号的幅值，ωh为注入信号的频率；
利用小信号分析方法，当Ih足够小时，在电流工作点的磁链波动为一个线性模型；
Figure FDA0003299505360000036
将式(14)代入到式(1)，得稳态下电机电压方程为，
Figure FDA0003299505360000037
式中，ud0、uq0、id0、iq0为电机电压、电流的基波分量，udh、uqh是电压信号的高频分量；
电压高频分量分解为
Figure FDA0003299505360000041
Figure FDA0003299505360000042
参数辨识公式为，
Figure FDA0003299505360000043
注入谐波的控制策略采用谐振控制方式，控制器传递函数为
Figure FDA0003299505360000044
4.根据权利要求3所述一种基于参数辨识的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为，获得Ldd和Lqq参数后，需要形成MTPA控制策略的控制率，采用积分控制实现MTPA控制；
电机速度调节器的输出指令直接给iq电流调节器；电机iq电流指令确定后，电机id电流指令根据iq值和辨识参数确定；令
Figure FDA0003299505360000045
其中，iq,dc为q轴电流的直流分量，id,dc为d轴电流的直流分量；
当F＝0时，电机实现MTPA控制，利用积分控制器实现id电流控制；将计算的F值作为积分控制器的输入，积分控制器输出即是id电流的指令值。
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