CN113179069A - 最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机mtpa控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，改进常规MTPA算法，将定子电流幅值作为速度环输出，并通过转矩角控制交、直轴电流的值。借鉴光伏组件MPPT思想，引入了最大转矩点跟踪算法：通过转矩估算模型，固定定子电流，以扰动观测法改变转矩角，计算转矩增量，跟踪最大转矩点，实现单位电流的最大转矩输出。相比传统MTPA方法，本方法减小了对电流检测精度的要求，并且对温度、电机运行工况引起的电机参数变化不敏感，提高控制性能。

Description

最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法
技术领域
本发明属于交流电机传动技术领域，涉及一种内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，特别是涉及实现最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制的方法。
背景技术
内嵌式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)的永磁体安装在转子内部受到极靴保护，这样的结构使得IPMSM转子力学结构更牢固，同时有更高的凸极率和更小的气隙，其转子磁路结构不对称所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，相比表贴式PMSM更适合弱磁调速，因而得到日益广泛的研究和应用。
高性能的IPMSM变频调速和伺服驱动系统通常采用矢量控制方法，在矢量控制方法中，最大转矩电流比控制(maximum torque per ampere,MTPA)是IPMSM使用较多的一种电流控制策略，具有电流利用率高、高效节能的优点。
MTPA控制比id＝0控制复杂，是因为MTPA控制基于电机参数，转矩与电流交直轴分量之间存在复杂的非线性关系，而且电机参数存在时变，控制性能还受磁场饱和、定子齿槽等不确定因素影响。常用的控制方法是由电机dq轴数学模型，数值计算转矩与电流分量、以及电流分量之间关系表达式，主要有两种：转矩与电流分量关系、电流分量之间关系。
IPMSM控制系统在实际应用中，不可避免地面临电机参数变化和不确定性因素：转子铁心饱和导致气隙磁通畸变，电感参数，特别是Lq，是定子电流幅值和相位角的函数；转子钕铁硼磁体的磁通密度受温度变化影响，定子绕组电阻随温度变化；dq轴电流环不完全解耦影响转矩响应特性；电机模型和实际电机之间的参数误差会降低MTPA控制性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，改进常规MTPA算法，速度环输出为定子电流幅值给定，由转矩角控制交直轴电流给定，实时修正MTPA轨迹，借鉴光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power pointtracking,MPPT)思想，构建转矩估算模型、跟踪最大转矩点，实现单位电流的最大转矩输出。
最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：设置速度环输出为定子电流幅值给定is*，通过定子电流矢量Vs与d轴的夹角即转矩角β计算出直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*，转矩角β由转矩取极值计算得出，转矩角β与电机参数、定子电流幅值关系为：
Figure BDA0003013265850000021
直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*为：
id*＝is*cosβ (2)
iq*＝is*sinβ (3)
其中，Ψf为永磁磁链，Lq为交轴电感，Ld直轴电感，is为定子电流幅值。
步骤2：构建转矩估算模型，忽略定子电阻，稳态时电机转矩模型表达式为：
Te＝1.5P(uqiq+udid)/ωe (2)
其中，Te为电磁转矩，P为电机极对数，iq为交轴电流，id为直轴电流，uq为交轴电压，ud为直轴电压，ωe为电角速度。
在毫秒级时间内忽略稳态负载变化，由电机机械运动方程，得到转矩增量估算模型为：
Figure BDA0003013265850000022
其中，△Te为电磁转矩增量，J为机械转动惯量，ωe为电机转子电角速度。
步骤3：跟踪最大转矩点，在某一定子电流幅值下转矩存在单峰值的最大点，通过修正转矩角β、估算转矩Te，跟踪转矩极值。具体步骤为：
步骤3.1：最大转矩点跟踪过程，定子电流幅值不变，以扰动观测法改变β角，计算电磁转矩增量ΔTe，若ΔTe>0，则跟踪方向正确，否则纠正跟踪方向，直至ΔTe接近0。
步骤3.2：修正β角，在定子电流幅值的±5％范围内，一次跟踪后完成β角修正，若定子电流幅值不超出该范围，不再修正β角，若定子电流幅值超出该范围，再做一次跟踪。
本发明具有以下有益效果：
1、减小对电流检测精度的要求，对温度、电机运行工况引起的电机参数变化不敏感；
2、借鉴光伏组件MPPT思想，引入最大转矩点跟踪的MTPA控制方法，通过转矩估算模型，以扰动观测法，跟踪最大转矩点。
附图说明
图1是实施例中矢量控制内嵌式永磁同步电机MTPA控制系统图。
图2是实施例中MTPA控制定子电流矢量轨迹图。
图3是实施例中β角与MTPA控制定子电流矢量轨迹的关系图。
图4是实施例中最大转矩点跟踪过程定子电流矢量轨迹区间图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
图1为引入了最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制系统，包括内嵌式永磁同步电机IPMSM，三相电压源型逆变器，空间矢量PWM调制单元，电流检测与变换单元，直轴电流调节器，交轴电流调节器，转速调节器，和MTPA跟踪模型。该控制系统的使用方法为：
步骤1：改进MTPA控制法，将速度环输出设置为定子电流幅值给定is*，图2为内嵌式永磁同步电机MTPA控制定子电流矢量轨迹。通过定子电流矢量Vs与d轴的夹角即转矩角β计算出直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*，转矩角β由转矩取极值计算得出，转矩角β与电机参数、定子电流幅值关系为：
Figure BDA0003013265850000031
直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*为：
id*＝is*cosβ (2)
iq*＝is*sinβ (3)
其中，Ψf为永磁磁链，Lq为交轴电感，Ld直轴电感，is为定子电流幅值。
步骤2：构建转矩估算模型，忽略定子电阻，稳态时电机转矩模型表达式为：
Te＝1.5P(uqiq+udid)/ωe (2)
其中，Te为电磁转矩，P为电机极对数，iq为交轴电流，id为直轴电流，uq为交轴电压，ud为直轴电压，ωe为电角速度。
在毫秒级时间内忽略稳态负载变化，由电机机械运动方程，得到转矩增量估算模型为：
Figure BDA0003013265850000032
其中，△Te为电磁转矩增量，J为机械转动惯量，ωe为电机转子电角速度。
步骤3：跟踪最大转矩点，在某一定子电流幅值下转矩存在单峰值的最大点，通过修正转矩角β、估算转矩Te，跟踪转矩极值。具体步骤为：
步骤3.1：最大转矩点跟踪过程，定子电流幅值不变，以扰动观测法改变β角，计算电磁转矩增量ΔTe，若ΔTe>0，则跟踪方向正确，否则纠正跟踪方向，直至ΔTe接近0。图3为转矩角β与MTPA控制定子电流矢量轨迹的关系图，图4为最大转矩点跟踪过程定子电流矢量轨迹区间图。
步骤3.2：修正β角，在定子电流幅值的±5％范围内，一次跟踪后完成β角修正，若定子电流幅值不超出该范围，不再修正β角，若定子电流幅值超出该范围，再做一次跟踪。

Claims (3)

1.最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤1：设置速度环输出为定子电流幅值给定is*，通过定子电流矢量Vs与d轴的夹角即转矩角β计算出直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*，转矩角β由转矩取极值计算得出，转矩角β与电机参数、定子电流幅值关系为：
Figure FDA0003013265840000011
直轴电流给定id*和交轴电流给定iq*为：
id*＝is*cosβ (2)
iq*＝is*sinβ (3)
其中，Ψf为永磁磁链，Lq为交轴电感，Ld直轴电感，is为定子电流幅值；
步骤2：构建转矩估算模型，忽略定子电阻，稳态时电机转矩模型表达式为：
Te＝1.5P(uqiq+udid)/ωe (2)
其中，Te为电磁转矩，P为电机极对数，iq为交轴电流，id为直轴电流，uq为交轴电压，ud为直轴电压，ωe为电角速度；
在毫秒级时间内忽略稳态负载变化，由电机机械运动方程，得到转矩增量估算模型为：
Figure FDA0003013265840000012
其中，△Te为电磁转矩增量，J为机械转动惯量，ωe为电机转子电角速度；
步骤3、跟踪最大转矩点，在某一定子电流幅值下转矩存在单峰值的最大点，通过修正转矩角β、估算转矩Te，跟踪转矩极值。
2.如权利要求1所述最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，其特征在于：步骤3最大转矩点跟踪过程中，保持定子电流幅值不变，以扰动观测法改变转矩角β，计算电磁转矩增量ΔTe，若ΔTe>0，则跟踪方向正确，否则纠正跟踪方向，直至ΔTe接近0，结束跟踪。
3.如权利要求1或2所述最大转矩点跟踪的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法，其特征在于：在定子电流幅值的±5％范围内，完成一次跟踪后修正转矩角β；若定子电流幅值在±5％范围内，不再修正β角，若定子电流幅值超出该范围，再做一次跟踪。
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