CN113364378A - 一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统 - Google Patents

一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统 Download PDF

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CN113364378A CN202110565218.1A CN202110565218A CN113364378A CN 113364378 A CN113364378 A CN 113364378A CN 202110565218 A CN202110565218 A CN 202110565218A CN 113364378 A CN113364378 A CN 113364378A
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Abstract

本发明公开了一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，包括电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流矢量弱磁修正模块、电流矢量功率补偿修正模块和电流矢量修正模块。本发明的调节方向永远是弱磁向，不会出现反复调节造成的失稳；本发明通过引入dq电流同时修正，可以将抗电压饱和的压力分摊至dq电流，避免因单轴电流调节过多而导致输出转矩偏差过大；本发明在保证系统受控不失稳的传统弱磁目标的同时，保证了扭矩的精度。

Description

一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统。
背景技术
在车用内置式永磁同步电机（IPMSM）控制系统中，由于实际应用场景中被控对象—IPMSM不可避免地出现变化而使得控制程序中预先固化的控制参数失效，导致电机高速运行弱磁不足引起电压饱和，危及电机驱动系统的稳定性。
内嵌式永磁同步电机具有功率密度大，运行范围宽和效率高的特点而被广泛用于电动汽车的驱动电机；其转矩方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 878323DEST_PATH_IMAGE002
为电机的电磁转矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为电机磁极对数；
Figure 467567DEST_PATH_IMAGE004
为转子永磁体磁通；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为q轴电流，
Figure 168676DEST_PATH_IMAGE006
为d轴电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为d轴电感；
Figure 235989DEST_PATH_IMAGE008
为q轴电感；在IPMSM正常驱动过程中，
Figure 4356DEST_PATH_IMAGE002
>0,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
>0,
Figure 498922DEST_PATH_IMAGE006
<0,
Figure 484065DEST_PATH_IMAGE010
<
Figure 151806DEST_PATH_IMAGE008
。
由上式可以看出，转矩与电流成正相关，但不同的dq轴电流组合会对应不同的转矩，每个固定的电流幅值下都会有一组特定的dq电流组合使电机在该电流下能输出最大的转矩。由于磁场饱和，在电流大于某个范围后dq轴电感
Figure 23947DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 233956DEST_PATH_IMAGE008
随着电流的变化而变化，变化范围最大可达200%之多。这些参数的变化使得在线求解每个电流下的最优dq电流组合变得十分困难甚至不可行。因此在车用电机控制中，一般通过实验的方法测试标定得到每个转矩对应的最优电流组合。全转矩范围内的所有这样的电流组合连成的线叫做IPMSM的最大转矩电流比（MTPA）曲线。
此外，车用IPMSM的运行依赖由逆变器将动力电池的母线转换为三相交流电，这就意味着电机端电压受到直流母线的约束；IPMSM的电压方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（2）
其中，
Figure 660389DEST_PATH_IMAGE012
为电机d轴电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为电机q轴电压；
Figure 584351DEST_PATH_IMAGE014
为定子电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为电机的电角速度。
在高速稳态下，电机端电压
Figure 779840DEST_PATH_IMAGE016
的幅值近似为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（3）
当电机转速升高时，电机端电压升高，当期超过母线电压能提供的交流电压幅值时就需要进行弱磁控制，而当前母线下能提供的最大交流电压为电压限制
Figure 632521DEST_PATH_IMAGE018
，表达式一般为：
Figure 342988DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为母线电压，
Figure 539483DEST_PATH_IMAGE022
为电机控制系统最大调制比（maximum modulationindex），其取值一般为1附近，最大为1.1027。
为了获得既能满足转矩方程，又能满足电压限制的电流组合，仍然通过实验的手段标定获取不同母线和转速下每个转矩对应的dq电流组合；而后将这些数据制成表格存储在数字控制芯片中，在电机实时运行时通过查表将不同转速和母线电压下的转矩指令转换成对应的dq电流指令。
上述过程能正常工作的前提是，通过对样机实验标定获取的电流组合能够适用于同款每一台电机；而在实际应用中，有以下几个方面会造成这种假设不再成立：
1.电机在批量生产时工艺、物料不可避免的会导致电机的不一致性；
2.电机的旋变偏移量产生偏差时，即使在电流调节器正常工作的情况下，也会导致控制上磁场定向偏差，进而导致电机中的实际dq电流与期望的电流指令不一致；
3.环境温度的变化会对永磁体磁链产生影响，在温度降低时，会使
Figure 386216DEST_PATH_IMAGE004
升高，导致标定得到的dq电流指令不再满足电压限制。
因此，为了增强电驱动控制系统的高速运行区域的鲁棒性，一般都会加入弱磁控制环节。
针对电机控制弱磁问题，专利文献CN101855825B提出了一种较为代表性的解决方案，如图1所示，根据电流调节器输出的电压与电压限制作差得到电压偏差，将该偏差经过比例积分环节（PI）得到电流修正量△Id叠加在d轴电流给定上，并对该修正量做了上限为0的限幅，从而加深弱磁，达到弱磁控制的目的。根据式（3），当
Figure DEST_PATH_IMAGE023
时，加大负向的id，可以降低输出电压，即此种方案是有效的；但是当
Figure 406869DEST_PATH_IMAGE024
时，继续增加负向的id，则会使得
Figure 339052DEST_PATH_IMAGE013
反向增大导致输出电压进一步升高，反而会致使电压饱和现象更为严重；因此，使用该方法时必须要保证
Figure 886708DEST_PATH_IMAGE023
。但是，在车用电机控制中，如果加入此限制，那么电机在高速区域的磁阻转矩就没有被充分利用，牺牲了电机的性能。采用上述方案中在电压饱和时降低id的做法，能够加深弱磁场使电机退出电压饱和状态，但是该方法对输出转矩的影响较大，因为仅仅靠修正id，需要较大的id修正量，dq电流组合发生较大变化，以至对输出转矩造成较大影响。非专利文献（T.M. Jahns, “Flux Weakening Regime Operation of anInterior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans. on Ind.Appl., vol. IA-23, no. 4, pp. 55-63, 1987）提出了一种在弱磁区降低iq的方法，但是仅仅调节单个电流同样面临对输出转矩造成较大影响的问题。暂未发现较好的现有技术能够有效地应对电压饱和问题，又尽可能小的对输出转矩造成影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于机械功率的车用永磁同步电机矢量控制系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，包括电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流矢量弱磁修正模块、电流矢量功率补偿修正模块和电流矢量修正模块；
电流闭环调节模块的输入为电流给定矢量修正模块输出的dq电流指令，经过比例积分控制器后，输出dq电压指令；
调制比偏差计算模块的输入为电流闭环调节模块输出的dq电压指令，经过平方和开方得到期望的调制比MI ref 后，与期望的控制系统最大调制比MI max 作差，再经过低通滤波器后，输出调制比偏差△MI；
电流矢量弱磁修正模块的输入为调制比偏差计算模块输出的调制比偏差，经过比例积分补偿器后，输出弱磁补偿电流矢量；
电流矢量功率补偿修正模块的输入为所需机械功率与传感器实时测得的机械功率之差△P，经过比例积分调节，输出机械功率补偿电流矢量；
电流矢量修正模块的输入为电流矢量功率补偿修正模块输出的机械功率补偿电流矢量，和电流矢量弱磁修正模块输出的弱磁补偿电流矢量，对两者进行矢量求和得到总的补偿电流矢量；基于预设的电流矢量，计算出矢量补偿后的dq电流指令。
进一步地，所述电流闭环调节模块中，通过dq电流指令idref、iqref与dq电流反馈的偏差分别经过比例积分控制器得到dq电压指令。
进一步地，所述调制比偏差计算模块中，MI max 与MI ref 之差△MI 0为：
△MI 0=MI ref - MI max
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，v d_ref 、v q_ref 为dq电压指令，V dc 为母线电压。
进一步地，所述电流矢量弱磁修正模块中：
弱磁补偿电流的大小|△i fw |为：
Figure 306057DEST_PATH_IMAGE026
其中，k p 、k i 为比例积分补偿器的比例系数、积分系数；
弱磁补偿电流的方向为预设电流点(i dset ,i qset )到电机特征电流点(i ch ,0)的连线方向；其中，电机特征电流
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，λ pm 为永磁同步电机永磁体磁链，L d 为永磁同步电机d轴电感。
进一步地，所述电流矢量功率补偿修正模块中，机械功率补偿电流的大小|△i Pm |为：
Figure 15387DEST_PATH_IMAGE028
△P= P ref - P M
P ref = T ref ×ω
其中，P ref 为所需机械功率，P M 为实时机械功率；kpP、kiP为电流矢量功率补偿修正模块中比例积分的比例系数、积分系数；T ref 为给定扭矩，ω为电机的电角速度。
进一步地，所述电流矢量修正模块中，计算dq电流指令i dref 、i qref ：
i dref =i dset +△i dPm +△i dfm
i qref =i qset +△i qPm +△i qfm
其中，i dset 、i qset 为补偿之前电流预设值在dq轴上的大小；△i dPm 、△i qPm 为机械功率补偿电流的dq分量；△i dfw 、△i qfw 为弱磁补偿电流的dq分量。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的调节方向永远是弱磁向，不会出现反复调节造成的失稳；
（2）本发明通过引入dq电流同时修正，可以将抗电压饱和的压力分摊至dq电流，避免因单轴电流调节过多而导致输出转矩偏差过大；
（3）本发明在保证系统受控不失稳的传统弱磁目标的同时，保证了扭矩的精度。
附图说明
图1是一种弱磁控制现有技术的拓扑结构框图；
图2是本发明整体拓扑结构框图；
图3是调制比偏差计算环节。
具体实施方式
本发明在保证驱动系统安全的同时，尽可能减小弱磁控制环节对驱动系统输出转矩的影响。为达到上述目的，如图2所示，本发明一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，包括：
1、电流闭环调节模块：该部分为本发明的依赖模块，其作用是通过dq电流指令idref、iqref与dq电流反馈的偏差分别经过比例积分PI控制器得到dq电压指令vdqref。
2、调制比偏差计算模块：如图3所示，MI ref 由电流闭环调节模块输出的dq电压指令平方和开方得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
其中，vd_ref、vq_ref为vdqref的dq分量，V dc 为母线电压；然后由期望的控制系统最大调制比MI max 与期望的调制比MI ref 作差得到△MI 0：
△MI 0=MI ref - MI max
再经过低通滤波器（LPF）得到调制比偏差△MI；其中，低通滤波器的作用在于去除dq电流闭环调节模块中的高频噪声，使输出弱磁控制装置平滑输出电流修正量，防止电机转矩有较大的波动。
3、电流矢量弱磁修正模块：本模块为本发明的核心部分。以调制比偏差计算模块的输出△MI为输入，经过比例积分PI补偿器后，输出量为弱磁补偿电流矢量
Figure 123283DEST_PATH_IMAGE030
，矢量表达为(△i dfw ,△i qfw )，其幅值记为|△i fw |：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
△i dfw =|△i fw |cosθ fw
△i qfw =|△i fw |sinθ fw
Figure 192739DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中，kp、ki为电流矢量弱磁修正模块中比例积分的比例系数、积分系数；弱磁补偿电流矢量
Figure 482906DEST_PATH_IMAGE034
的方向为预设电流点(i dset ,i qset )到电机特征电流点(i ch ,0)的连线方向；i ch 为电机特征电流；θ fw 为
Figure 376519DEST_PATH_IMAGE034
运行的角度；i d 、i q 为实测电流值的dq分量，均为采样值；λ pm 为永磁同步电机永磁体磁链，L d 为永磁同步电机d轴电感；△i dfw 、△i qfw 为
Figure 283295DEST_PATH_IMAGE034
的dq分量。
4、电流矢量功率补偿修正模块：在弱磁补偿电流矢量补偿的影响下，会影响到实际扭矩和机械功率的输出，为了保证仍能达到预期的机械功率输出，需要加入机械功率补偿电流矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，矢量表达为(△i dPm ,△i qPm )，其幅值记为|△i Pm |。
通过给定扭矩T ref 计算所需机械功率Pref：
P ref = T ref ×ω
其中，ω为电机的电角速度。
将所需机械功率Pref与实时测量的机械功率P M 做差得到△P：
△P= P ref - P M
P M = T×ω
其中，T由扭矩传感器测得的实时扭矩。
再经过比例积分PI补偿器后，输出
Figure 376016DEST_PATH_IMAGE035
：
Figure 566695DEST_PATH_IMAGE036
△i dPm =|△i Pm |cosθ
△i qPm =|△i Pm |sinθ
其中，kpP、kiP为电流矢量功率补偿修正模块中比例积分的比例系数、积分系数；
Figure 883407DEST_PATH_IMAGE038
为当前实际电流运行的角度，△i dPm 、△i qPm 为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的dq分量。
5、电流矢量修正模块：将电流矢量功率补偿修正模块输出的机械功率补偿电流矢量
Figure 231474DEST_PATH_IMAGE039
，叠加电流矢量弱磁修正模块输出的弱磁补偿电流矢量
Figure 924623DEST_PATH_IMAGE040
，得到总的补偿电流矢量，对预设电流进行修正。计算矢量补偿后的dq电流指令i dref 、i qref ：
△i dtotal =△i dPm +△i dfm
△i qtotal =△i qPm +△i qfm
i dref =i dset +△i dtotal
i qref =i qset +△i qtotal
其中，i dset 、i qset 为补偿之前电流预设值在dq轴上的大小；△i dtotal 、△i qtotal 为总的补偿电流的dq分量。

Claims (6)

1.一种计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，包括电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流矢量弱磁修正模块、电流矢量功率补偿修正模块和电流矢量修正模块；
电流闭环调节模块的输入为电流给定矢量修正模块输出的dq电流指令，经过比例积分控制器后，输出dq电压指令；
调制比偏差计算模块的输入为电流闭环调节模块输出的dq电压指令，经过平方和开方得到期望的调制比MI ref 后，与期望的控制系统最大调制比MI max 作差，再经过低通滤波器后，输出调制比偏差△MI；
电流矢量弱磁修正模块的输入为调制比偏差计算模块输出的调制比偏差，经过比例积分补偿器后，输出弱磁补偿电流矢量；
电流矢量功率补偿修正模块的输入为所需机械功率与传感器实时测得的机械功率之差△P，经过比例积分调节，输出机械功率补偿电流矢量；
电流矢量修正模块的输入为电流矢量功率补偿修正模块输出的机械功率补偿电流矢量，和电流矢量弱磁修正模块输出的弱磁补偿电流矢量，对两者进行矢量求和得到总的补偿电流矢量；基于预设的电流矢量，计算出矢量补偿后的dq电流指令。
2.如权利要求1所述计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，所述电流闭环调节模块中，通过dq电流指令idref、iqref与dq电流反馈的偏差分别经过比例积分控制器得到dq电压指令。
3.如权利要求2所述计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，所述调制比偏差计算模块中，MI max 与MI ref 之差△MI 0为：
△MI 0=MI ref - MI max
Figure 883969DEST_PATH_IMAGE001
其中，v d_ref 、v q_ref 为dq电压指令，V dc 为母线电压。
4.如权利要求3所述计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，所述电流矢量弱磁修正模块中：
弱磁补偿电流的大小|△i fw |为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，k p 、k i 为比例积分补偿器的比例系数、积分系数；
弱磁补偿电流的方向为预设电流点(i dset ,i qset )到电机特征电流点(i ch ,0)的连线方向；其中，i ch 为电机特征电流。
5.如权利要求4所述计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，所述电流矢量功率补偿修正模块中，机械功率补偿电流的大小|△i Pm |为：
Figure 863426DEST_PATH_IMAGE003
△P= P ref - P M
P ref = T ref ×ω
其中，P ref 为所需机械功率，P M 为实时机械功率；kpP、kiP为电流矢量功率补偿修正模块中比例积分的比例系数、积分系数；T ref 为给定扭矩，ω为电机的电角速度。
6.如权利要求5所述计及定向偏差基于机械功率的电机矢量控制系统，其特征在于，所述电流矢量修正模块中，计算dq电流指令i dref 、i qref ：
i dref =i dset +△i dPm +△i dfm
i qref =i qset +△i qPm +△i qfm
其中，i dset 、i qset 为补偿之前电流预设值在dq轴上的大小；△i dPm 、△i qPm 为机械功率补偿电流的dq分量；△i dfw 、△i qfw 为弱磁补偿电流的dq分量。
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