CN114499331A - 一种永磁同步电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机控制方法，包括：步骤1、AD采样与保护；步骤2、给定转矩处理；步骤3、角度与速度处理；步骤4、电流变换；步骤5、MTPA计算；步骤6、电流环控制器计算；步骤7、PWM调制。本发明同时在线考虑了电机参数变化对电机控制的稳定性产生的影响，提高了永磁同步电机的控制精度和系统控制的抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种永磁同步电机控制方法。
背景技术
嵌入式永磁同步电机因其转子结构坚固，在大功率应用领域，比表贴式永磁同步电机具有更广的应用前景。牵引电动机输出的转矩精度、控制稳定性是衡量牵引系统性能的关键要素。
永磁同步电机是一种高阶、非线性、强耦合的多变量系统，同时永磁同步电机的数学模型在d-q轴上存在交叉耦合，随着转速的增加，耦合电压的比例逐渐增大，耦合效应将变得越来越严重。并且，在大功率电力机车中，IGBT受牵引变流器散热条件的限制，开关频率被限制，采用异步调制的方式不能够满足控制系统的要求，需要采用分段调制的方式。分段调制将调制策略按照电机转速分为多段，因而控制算法中的参数需要随着开关频率和载波比的分段变化而进行调整，这些对大功率永磁同步电机的控制算法提出了更高的要求。
同时，永磁同步电机参数受定子铁芯饱和效应和温度变化影响较大，在电机运行时会发生一定的变化，且电机参数的准确性对电机输出的转矩精度和电机控制的稳定性十分关键。现有的技术方案没有考虑到电机参数变化对电机控制精度的影响，也没有考虑温度对电机参数Rs、ψf，以及铁芯饱和效应对Ld、Lq的影响。因此采用鲁棒控制的思路，降低电机参数不准确对电机控制的影响，提高控制的稳定性。
发明内容
永磁同步电机在轨道交通领域中运用越来越广泛，对于永磁同步电机的控制而言，最重要的性能要求是在广泛的应用环境下产生准确和高效率的转矩。而影响永磁电机转矩精度的一个最重要因素是电机参数Ld、Lq、Rs和ψf的变化，而电机参数的变化主要由电机工作温度和定子电流变化引起的铁芯磁饱和效应引起。在电机运行的过程中，电机参数的变化对电机控制的稳定性会产生影响，因此需要采用新的控制方法来提高电机的控制精度和鲁棒性能。
本发明通过在考虑电机的温度影响和定子铁芯的磁饱和效应因素，提出一种永磁同步电机鲁棒控制方法，来保证永磁同步电机转矩输出精度和鲁棒性能。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：
步骤1、AD采样与保护
AD采样与保护中，采集电机相电流ia、ib的采样，完成母线电压udc的采样；并根据保护阈值对电机相电流过流、母线电压过压、母线电压欠压进行保护。
步骤2、给定转矩处理
根据网络给定的转矩指令
经过斜坡处理为
步骤3、角度与速度处理
通过对旋转变压器信号的检测，获得电机的转子位置信息θ，通过对位置信息θ做微分，得到电机转速信息ωr。
步骤4、电流变换
对采样得到的电机相电流ia、ib进行处理，三相定子电流ia、ib经过Clark变换得到定子电流iα、iβ；定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下电流id、iq。
步骤5、MTPA计算
给定的定子电流
和
为MTPA模块的输出。
步骤6、电流环控制器计算
电流环控制器包括电流解耦控制器和状态观测器；
电流解耦控制器的输入参数有电流
id、iq、转速ωr，输出为
和
状态观测器的输入参数有电流id、iq、转速ωr，输出为ΔUd和ΔUq；
电流环控制器的输出有定子电压
和
步骤7、PWM调制
PWM调制的输入为
udc、ωr和转子位置信息θ，输出为6路PWM脉冲，驱动三相逆变器工作。
进一步优选的，步骤6中，电流环控制器的建模过程具体如下：A、状态观测器计算如下：
dq坐标系下的永磁同步电机数学模型表示为：
式中：ud、uq为d、q轴定子电压，Rs是定子电阻，ωr是电机转子电角速度，Ld、Lq分别是电机定子d轴电感、定子q轴电感，id、iq为d、q轴定子电流，ψf是永磁体磁链。
然而，永磁同步电机在运行的过程中，电机参数随着运行工况不断变化，从而导致参考模型与可调模型之间的模型失配，这时dq坐标系下的永磁同步电机数学模型表示为：
式中：ΔRs表示永磁同步电机在定子电阻Rs参数变化时的扰动量，ΔLd表示永磁同步电机在定子电感Ld参数变化时的扰动量，ΔLq表示永磁同步电机在定子电感Lq参数变化时的扰动量，Δψf表示永磁同步电机在永磁体磁链ψf参数变化时的扰动量。
由此导致了在dq坐标系下产生了扰动量ΔUd、ΔUq，即参数发生摄动时状态观测器的控制补偿量。
从而重新构建含有控制补偿量的永磁同步电机电压方程为：
选取id、iq、ΔUd、ΔUq作为状态变量，则经过控制量补偿后，永磁同步电机的状态方程可重构表示为如下形式：
式中，x是状态变量，v是输入激励，y是输出变量，
表示为x的微分；P、M、N分别为对应的矩阵，其分别表示为：
根据重构后的永磁同步电机状态方程构建状态观测器如下：
式中，
为状态变量x的估计值，
为输出变量y的估计值，
为状态变量x的估计值的微分，H为观测器反馈矩阵；
式中，
g1、g2为控制参数。
将上式离散化，得到离散化的状态观测器，其中Ts为离散周期。
根据上式，计算得到控制补偿量
和
以抑制扰动。B、电流解耦控制器计算如下：
其中，βx是控制参数。
C、电流解耦控制器的输出为
和
状态观测器的输出为ΔUd和ΔUq；电流环控制器的输出
进一步优选的，步骤7中，永磁同步电机的调制算法受到开关频率的限制，采用多种调制方式相结合的分段调制策略；具体如下：
不同的调制策略通过电机频率进行分段，电机频率fs通过电机转速ωr计算得到：
当电机频率fs大于等于0、小于f0时，调制策略为异步调制；
当电机频率fs大于等于f0、小于f1时，调制策略为15分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f1、小于f2时，调制策略为12分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f2、小于f3时，调制策略为9分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f3、小于f4时，调制策略为7分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f4、小于f5时，调制策略为5分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f5、小于f6时，调制策略为3分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f6时，调制策略为方波调制。
进一步优选的，不同的调制策略会影响到控制参数，因为开关频率的不同，以及不同调制策略下电压谐波特性的不同，电机控制参数需要做相应的调整，如下：
电流环控制器中的控制参数随着调制策略的不同而变化，在不同的调制区间下设定不同的βx、g1、g2值；
βx-0、βx-1、βx-2、βx-3、βx-4、βx-5和βx-6分别代表不同调制阶段中解耦控制的控制参数βx；
g1-0、g1-1、g1-2、g1-3、g1-4、g1-5和g1-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g1；
g2-0、g2-1、g2-2、g2-3、g2-4、g2-5和g2-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g2。
本发明方法具有如下有益效果：本发明同时在线考虑了电机参数变化对电机控制的稳定性产生的影响，提高了永磁同步电机的控制精度和系统控制的抗干扰性能。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示本发明所述永磁同步电控制方法的总体控制框图。
图2表示电流环控制器的控制框图。
图3表示电流解耦控制器的控制框图。
图4表示PWM分段调制策略的示意图。
图5表示不同调制策略下电机控制参数的调整示意图。
图6表示本发明所述永磁同步电控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种永磁同步电机控制方法，如图6所示，包括如下步骤：
步骤1、AD采样与保护
AD采样与保护中，采集电机相电流ia、ib的采样，完成母线电压udc的采样；并根据保护阈值对电机相电流过流、母线电压过压、母线电压欠压进行保护。
步骤2、给定转矩处理
根据网络给定的转矩指令
经过斜坡处理为
步骤3、角度与速度处理
通过对旋转变压器信号的检测，获得电机的转子位置信息θ，通过对位置信息θ做微分，得到电机转速信息ωr。
步骤4、电流变换
对采样得到的电机相电流ia、ib进行处理，三相定子电流ia、ib经过Clark变换得到定子电流iα、iβ；定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下电流id、iq。
步骤5、MTPA计算
给定的定子电流
和
为MTPA模块的输出。
步骤6、电流环控制器计算
电流环控制器包括电流解耦控制器和状态观测器；
电流解耦控制器的输入参数有电流
id、iq、转速ωr，输出为
和
状态观测器的输入参数有电流id、iq、转速ωr，输出为ΔUd和ΔUq；
电流环控制器的输出有定子电压
和
步骤7、PWM调制
PWM调制的输入为
udc、ωr和转子位置信息θ，输出为6路PWM脉冲，驱动三相逆变器工作。
具体实施时，本发明实施例针对控制系统中存在的扰动，该永磁同步电控制方法的总体控制框图如图1所示，控制框图由MTPA模块、电流环控制器模块、PWM调制等环节构成。
(1)旋转变压器部分：旋转变压器安转在永磁同步电机上，旋转变压器的测量可以得到永磁同步电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分，可以得到电机转速ωr。θ和ωr将应用到后面的控制中。
(2)Clark变换：三相电机定子电流ia、ib经过Clark变换得到电机定子电流iα、iβ。
(3)Park变换：电机定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下电机定子电流id、iq。
(4)MTPA模块：目标转矩
经过限幅和斜坡处理后，得到给定转矩
为MTPA模块的输入，给定的定子电流
和
为MTPA模块的输出。
(5)电流环控制器
电流环控制器一方面实现永磁同步电机的解耦控制，一方面提高电机控制的抗干扰性能和鲁棒性，如图2所示，电流环控制器包括电流解耦控制器和状态观测器，其输入参数有电流
id、iq、转速ωr以及电流环控制器的输出
和
电流环控制器的输出有定子电压
和
电流环控制器计算(步骤6)具体如下：
A、状态观测器的建模过程如下：
dq坐标系下的永磁同步电机数学模型可表示为：
式中：ud、uq为d、q轴定子电压，Rs是定子电阻，ωr是电机转子电角速度，Ld、Lq分别是电机定子d轴电感、定子q轴电感，id、iq为d、q轴定子电流，ψf是永磁体磁链。
然而，永磁同步电机在运行的过程中，电机参数随着运行工况不断变化，从而导致参考模型与可调模型之间的模型失配，这时dq坐标系下的永磁同步电机数学模型可表示为：
式中：ΔRs表示永磁同步电机在定子电阻Rs参数变化时的扰动量，ΔLd表示永磁同步电机在定子电感Ld参数变化时的扰动量，ΔLq表示永磁同步电机在定子电感Lq参数变化时的扰动量，Δψf表示永磁同步电机在永磁体磁链ψf参数变化时的扰动量。
由此导致了在dq坐标系下产生了扰动量ΔUd、ΔUq，即参数发生摄动时状态观测器的控制补偿量。
从而重新构建含有控制补偿量的永磁同步电机电压方程为：
引入抗扰思想，选取id、iq、ΔUd、ΔUq作为状态变量，则经过控制量补偿后，永磁同步电机的状态方程可重构表示为如下形式：
式中，x是状态变量，v是输入激励，y是输出变量，
表示为x的微分；P、M、N分别为对应的矩阵，其分别表示为：
永磁同步电机状态观测的状态变量根据能否测量，可分为可检测变量和不可检测变量。可检测变量通常选取电压和电流的状态信息，而针对不可测状态变量和扰动项，首先对状态方程进行状态重构，然后将不可测状态变量和扰动项重构成为系统状态变量。针对传统的电流环控制由于无法消除模型失配时带来的不利影响的问题，通过引入自抗扰思想，添加状态观测器，估计不确定因素形成的扰动项，并针对扰动带来的不利影响，在控制量上添加控制补偿ΔUd、ΔUq以抑制扰动。根据重构后的永磁同步电机状态方程构建状态观测器如下：
式中，
为状态变量x的估计值，
为输出变量y的估计值，
为状态变量x的估计值的微分，H为观测器反馈矩阵。
式中，
g1、g2为控制参数。
将上式离散化，可以得到离散化的状态观测器，其中Ts为离散周期。
根据上式，可以计算得到控制补偿量
和
以抑制扰动。
B、电流解耦控制器的建模过程如下：
电流解耦控制器的框图如图3所示，其中βx是控制参数。
状态观测器的输出为ΔUd和ΔUq。
电流环控制器的输出
(6)PWM调制模块
因散热等条件的制约，永磁同步电机的调制算法受到开关频率的限制，一般采用多种调制方式相结合的分段调制策略。分段调制策略如图4所示。
分段调制分为异步调制和同步调制，同步调制受到开关频率的限制可分为多段，最终进入方波调制。方波调制下，电压利用率高、谐波小。同步分段调制算法中，可采用的调制算法有SPWM调制、特定次谐波消除PWM(SHEPWM)调制等，各种调制算法有其优缺点和适用范围。
如图4所示(步骤7)，不同的调制策略通过电机频率进行分段，电机频率fs通过电机转速ωr计算得到：
不同的调制策略通过电机频率进行分段，电机频率fs通过电机转速ωr计算得到：
当电机频率fs大于等于0、小于f0时，调制策略为异步调制；
当电机频率fs大于等于f0、小于f1时，调制策略为15分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f1、小于f2时，调制策略为12分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f2、小于f3时，调制策略为9分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f3、小于f4时，调制策略为7分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f4、小于f5时，调制策略为5分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f5、小于f6时，调制策略为3分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f6时，调制策略为方波调制。
其中，f0、f1、f2、f3、f4、f5和f6分别为某一控制系统中的固定频率值，在设计系统方案时决定。
不同的调制策略也会影响到控制参数，因为开关频率的不同，以及不同调制策略下电压谐波特性的不同，电机控制参数需要做相应的调整，如图5所示：
电流环控制器中的控制参数随着调制策略的不同而变化，在不同的调制区间下设定不同的βx、g1、g2值。
βx-0、βx-1、βx-2、βx-3、βx-4、βx-5和βx-6分别代表不同调制阶段中解耦控制的控制参数βx。
g1-0、g1-1、g1-2、g1-3、g1-4、g1-5和g1-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g1。
g2-0、g2-1、g2-2、g2-3、g2-4、g2-5和g2-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g2。
具体应用时，该永磁同步电机控制方法可以在DSP芯片中实现。永磁同步电机控制方法由两级中断实现，一级中断中运行电机控制算法(步骤6)，设计控制周期为250us；另一级中断中运行电机PWM调制算法(步骤7)，其中断周期与当前的调制策略与电机运行频率相关。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。
Claims (7)
1.一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、AD采样与保护
AD采样与保护中，采集电机相电流ia、ib的采样，完成母线电压udc的采样；并根据保护阈值对电机相电流过流、母线电压过压、母线电压欠压进行保护；
步骤2、给定转矩处理
根据网络给定的转矩指令
经过斜坡处理为
步骤3、角度与速度处理
通过对旋转变压器信号的检测，获得电机的转子位置信息θ，通过对位置信息θ做微分，得到电机转速信息ωr；
步骤4、电流变换
对采样得到的电机相电流ia、ib进行处理，三相定子电流ia、ib经过Clark变换得到定子电流iα、iβ；定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下电流id、iq；
步骤5、MTPA计算
T* e1为MTPA查表模块的输入；
给定的定子电流
和
为MTPA模块的输出；
步骤6、电流环控制器计算
电流环控制器包括电流解耦控制器和状态观测器；
电流解耦控制器的输入参数有电流
id、iq、转速ωr，输出为
和
状态观测器的输入参数有电流id、iq、转速ωr，输出为ΔUd和ΔUq；
电流环控制器的输出有定子电压
和
步骤7、PWM调制
PWM调制的输入为
udc、ωr和转子位置信息θ，输出为6路PWM脉冲，驱动三相逆变器工作。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：步骤6中，具体如下：
A、状态观测器计算如下：
dq坐标系下的永磁同步电机数学模型表示为：
式中：ud、uq为d、q轴定子电压，Rs是定子电阻，ωr是电机转子电角速度，Ld、Lq分别是电机定子d轴电感、定子q轴电感，id、iq为d、q轴定子电流，ψf是永磁体磁链；
然而，永磁同步电机在运行的过程中，电机参数随着运行工况不断变化，从而导致参考模型与可调模型之间的模型失配，这时dq坐标系下的永磁同步电机数学模型表示为：
式中：ΔRs表示永磁同步电机在定子电阻Rs参数变化时的扰动量，ΔLd表示永磁同步电机在定子电感Ld参数变化时的扰动量，ΔLq表示永磁同步电机在定子电感Lq参数变化时的扰动量，Δψf表示永磁同步电机在永磁体磁链ψf参数变化时的扰动量；
由此导致了在dq坐标系下产生了扰动量ΔUd、ΔUq，即参数发生摄动时状态观测器的控制补偿量；
从而重新构建含有控制补偿量的永磁同步电机电压方程为：
选取id、iq、ΔUd、ΔUq作为状态变量，则经过控制量补偿后，永磁同步电机的状态方程可重构表示为如下形式：
式中，x是状态变量，v是输入激励，y是输出变量，
表示为x的微分；P、M、N分别为对应的矩阵，其分别表示为：
根据重构后的永磁同步电机状态方程构建状态观测器如下：
式中，
为状态变量x的估计值，
为输出变量y的估计值，
为状态变量x的估计值的微分，H为观测器反馈矩阵；
式中，
g1、g2为控制参数；
将上式离散化，得到离散化的状态观测器，其中Ts为离散周期；
根据上式，计算得到控制补偿量
和
以抑制扰动；
B、电流解耦控制器计算如下：
其中，βx是控制参数；
C、电流解耦控制器的输出为
和
状态观测器的输出为ΔUd和ΔUq；电流环控制器的输出
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：步骤7中，永磁同步电机的调制算法受到开关频率的限制，采用多种调制方式相结合的分段调制策略；具体如下：
不同的调制策略通过电机频率进行分段，电机频率fs通过电机转速ωr计算得到：
当电机频率fs大于等于0、小于f0时，调制策略为异步调制；
当电机频率fs大于等于f0、小于f1时，调制策略为15分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f1、小于f2时，调制策略为12分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f2、小于f3时，调制策略为9分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f3、小于f4时，调制策略为7分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f4、小于f5时，调制策略为5分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f5、小于f6时，调制策略为3分频同步调制；
当电机频率fs大于等于f6时，调制策略为方波调制。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：不同的调制策略会影响到控制参数，因为开关频率的不同，以及不同调制策略下电压谐波特性的不同，电机控制参数需要做相应的调整，如下：
电流环控制器中的控制参数随着调制策略的不同而变化，在不同的调制区间下设定不同的βx、g1、g2值；
βx-0、βx-1、βx-2、βx-3、βx-4、βx-5和βx-6分别代表不同调制阶段中解耦控制的控制参数βx；
g1-0、g1-1、g1-2、g1-3、g1-4、g1-5和g1-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g1；
g2-0、g2-1、g2-2、g2-3、g2-4、g2-5和g2-6分别代表不同调制阶段中状态观测器的控制参数g2。
5.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：同步分段调制算法中，采用的调制算法有SPWM调制或者特定次谐波消除PWM(SHEPWM)调制。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：该永磁同步电机控制方法在DSP芯片中实现。
7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于：该永磁同步电机控制方法由两级中断实现，一级中断中运行电机控制算法，设计控制周期为250μs；另一级中断中运行电机PWM调制算法，其中断周期与当前的调制策略与电机运行频率相关。
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