CN115102441A - 一种基于虚拟信号注入的改进mtpa控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟信号注入的改进mtpa控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中直轴、交轴电压方程，提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中输出转矩方程，通过方程变换以及向电流角β注入直流信号γ(t)=±A进行泰勒展开并忽略三阶以上的高阶项，当(uq sinβ+udcosβ)=0时，可使∂Te/∂β=0，即可得到当前负载条件下实现MTPA控制对应的β角，本发明基于现有的方波虚拟信号注入法提出改进算法，可以综合考虑磁路饱和及交叉耦合效应引起的参数变化的影响，在不同负载条件下均可实现更为精确的MTPA控制，相比现有的方波虚拟信号注入法，不仅简化了注入的信号类型，而且无需预先获得电机主要参数，实现过程更为简单。

Description

一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及内置式永磁同步电机(Interior Permanent MagnetSynchronous Machines，IPMSM)控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法。
背景技术
内置式永磁同步电机以其功率密度高、效率高、体积小等优点被广泛应用于电动车、航空航天和家用电器等领域中。为了充分利用IPMSM的磁阻转矩，一般优选最大转矩每安培电流(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制方法，通常通过
Figure BDA0003654779820000011
求解不同负载条件下实现MTPA对应的电流角β。然而由于受到磁路饱和及交叉耦合效应和温度变化等的交互影响，IPMSM主要参数会发生变化。传统MTPA控制方法视电机参数恒定不变，难以实现精确的MTPA控制效果。而考虑参数变化的MTPA控制算法可以解决以上问题，在近些年来逐渐成为研究热点。
目前对考虑参数变化的MTPA控制已经提出了多种解决方法，可以分为离线方法和在线方法两大类。对于离线方法，通过使用查表法实现，该表需要通过大量实验获得或者有限元方法(Finite-element Method,FEM)模拟生成数据，再将结果存储在控制器内存中，以避免复杂的在线计算。但考虑到温度的变化，磁路饱和及交叉耦合效应的影响，要想获得精确的MTPA控制效果，必须进行大量的实验或仿真，耗时费力。在线方法通常可以分为搜索法(Search Method，SM)和信号注入法(Signal Injected Method,VSIM)。搜索法不需要预先知道电机参数，但收敛速度慢，对采样精度敏感是其主要不足。相比搜索法，虚拟信号注入法具有明显的优势，近几年得到了广泛的研究。
信号注入法中的转矩对电流角的导数是从高频信号注入电机后的转矩响应中提取得到。信号注入法又可以分为实际信号注入法(Real Signal Injected ControlMethod,RSICM和虚拟信号注入法(Virtual Signal Injected Control Method,VSICM)。以上方法注入的信号主要包括正弦信号或者方波信号。实际信号注入法通过向电机注入实际的高频信号，基于注入信号的响应实现MTPA控制，但同时会引起输出转矩脉动，对于某些要求输出转矩高的场合不适用，还会带来额外的干扰和损耗。而虚拟信号注入法并不是向电机注入实际高频率信号来实现MTPA控制，故可以避免产生额外的脉动、损耗和干扰等问题。
传统的虚拟信号注入法主要通过注入高频正弦信号，但在实现过程中需要设计和使用带通和低通滤波器，会导致控制精度降低和响应慢的问题。近些年来也有通过高频方波信号来实现MTPA控制，由于该方法不需要使用滤波器，从而可以克服注入高频正弦信号带来的问题。
然而现有的虚拟信号注入法只考虑了磁路饱和效应引起的参数变化影响，忽略了交叉耦合效应的存在。随着负载的增加，交叉耦合效应的影响变大，现有的虚拟信号注入法的准确度也随之下降，故现有的虚拟信号注入法无法在电机全部负载范围内实现令人满意的性能。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，鉴于此，有必要提出一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中直轴、交轴电压方程(1)；
步骤二：提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中输出转矩方程(2)；
步骤三：将步骤一中直轴、交轴电压方程(1)变形，Ld和Lq带入步骤二中输出转矩方程(2)，得到转矩方程(3)；
步骤四：电流角β为iq和Is的夹角，得到id和iq的方程(4)；
步骤五：对方程(4)中的电流角β分别注入直流信号γ(t)＝+A、γ(t)＝-A，得到方程(5)；
步骤六：将方程(5)代入输出转矩方程(3)得到转矩方程(6)；
步骤七：对转矩方程(6)在γ＝0处进行泰勒展开，得到方程(7)；
步骤八：将γ(t)带入方程(7)可得方程(8)；
步骤九：忽略方程(8)中三阶以上的高阶项化简后得到方程(9)；
步骤十：根据方程(9)，当(uq sinβ+ud cosβ)＝0时，
Figure BDA0003654779820000031
即可得到不同负载条件下MTPA对应的电流角为方程(10)，计算出β角。
较佳的，直轴、交轴电压方程(1)为：
Figure BDA0003654779820000032
其中ud、uq分别为直、交轴电压，id、iq分别为直、交轴电流，Ld、Lq分别为直、交轴电感，R为定子电阻，Ldq为交叉耦合电感，ωe为电机电角速度，Ψf为永磁体磁链。
较佳的，转矩方程(2)为：
Figure BDA0003654779820000033
其中Te为输出转矩，np为极对数。
较佳的，转矩方程(3)为：
Figure BDA0003654779820000041
其中ωe＝npωm，ωe与ωm为倍数关系，ωm为电机转速。
较佳的，方程(4)为：
Figure BDA0003654779820000042
其中Is为定子电流幅值；
方程(5)为：
Figure BDA0003654779820000043
较佳的，转矩方程(6)为：
Figure BDA0003654779820000044
其中
Figure BDA0003654779820000045
为注入直流信号后的输出转矩。
较佳的，方程(7)为：
Figure BDA0003654779820000046
较佳的，方程(8)为：
Figure BDA0003654779820000051
较佳的，方程(9)为：
Figure BDA0003654779820000052
较佳的，方程(10)为：
Figure BDA0003654779820000053
由上述技术方案可知，本发明基于现有的方波虚拟信号注入法提出改进算法，可以综合考虑磁路饱和及交叉耦合效应引起的参数变化的影响，在不同负载条件下均可实现更为精确的MTPA控制。本发明通过对电流角分别注入正负两个直流信号计算相应负载条件下的MTPA点，相比现有的方波虚拟信号注入法，考虑了交叉耦合效应的影响，简化了注入的信号类型，且无需预先获得电机主要参数，实现过程更为简单，在此过程中消除了泰勒展开的偶次项，故在实现精度上较现有方法有所提升。
具体实施方式
下面将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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型直轴、交轴电压方程(1)为：
Figure BDA0003654779820000061
其中ud、uq分别为直、交轴电压，id、iq分别为直、交轴电流，Ld、Lq分别为直、交轴电感，R为定子电阻，Ldq为交叉耦合电感，ωe为电机电角速度，Ψf为永磁体磁链。
考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中输出转矩方程(2)为：
Figure BDA0003654779820000062
其中Te为输出转矩，np为极对数。
将直轴、交轴电压方程(1)变形，其中Ldq视为常数，将Ld、Lq代入到转矩方程(2)可以得到转矩方程(3)为：
Figure BDA0003654779820000063
其中ωe＝npωm，ωe与ωm为倍数关系，ωm为电机转速，Te是电流的函数，电流是β的函数，Te(β)也为输出转矩。
设电流角β为iq和Is的夹角，得到id和iq的方程(4)为：
Figure BDA0003654779820000071
其中Is为定子电流幅值。
对方程(4)中的电流角β注入直流信号γ(t)＝±A,得到方程(5)为：
Figure BDA0003654779820000072
其中
Figure BDA0003654779820000073
和
Figure BDA0003654779820000074
分别为注入直流信号后的直、交轴电流。
将方程(5)代入输出转矩方程(3)得到转矩方程(6)为：
Figure BDA0003654779820000075
其中
Figure BDA0003654779820000076
为注入直流信号后的输出转矩。
对转矩方程(6)在γ＝0处进行泰勒展开，得到方程(7)为：
Figure BDA0003654779820000077
将γ(t)带入方程(7)可得方程(8)为：
Figure BDA0003654779820000081
忽略方程(8)中三阶以上的高阶项得到方程(9)为：
Figure BDA0003654779820000082
根据方程(9)，当(uq sinβ+ud cosβ)＝0时，
Figure BDA0003654779820000084
即可得到不同负载条件下MTPA对应的电流角为方程(10)为：
Figure BDA0003654779820000083
实施例1：
本发明在考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型上进行变化，无需预先取得电机主要参数即可获得不同负载条件下MTPA对应的电流角。
在本实施例中IPMSM的已知ωm＝1000rpm，Te＝5N·m,np＝4,将电机经过本算法稳定运行后直、交轴电压收敛于ud＝-19.3V,uq＝56.86V,主要电机参数都无需预先获得的情况下，根据本方法得到不同负载条件下MTPA对应的电流角计算方程：
Figure BDA0003654779820000091
得到βMTPA＝0.327rad，本发明基于现有的方波虚拟信号注入法提出改进算法，可以综合考虑磁路饱和及交叉耦合效应引起的参数变化的影响，在不同负载条件下均可实现更为精确的MTPA控制。本发明通过对电流角分别注入正负两个直流信号计算相应负载条件下的MTPA点，相比现有的方波虚拟信号注入法，考虑了交叉耦合效应的影响，简化了注入的信号类型，且无需预先获得电机主要参数，实现过程更为简单，在此过程中消除了泰勒展开的偶次项，故在实现精度上较现有方法有所提升。

Claims (10)

1.一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中直轴、交轴电压方程(1)；
步骤二：提出考虑交叉耦合效应的IPMSM数学模型中输出转矩方程(2)；
步骤三：将步骤一中所述直轴、交轴电压方程(1)变形，Ld和Lq带入步骤二中所述输出转矩方程(2)，得到转矩方程(3)；
步骤四：电流角β为iq和Is的夹角，得到id和iq的方程(4)；
步骤五：对方程(4)中的电流角β分别注入直流信号γ(t)＝+A、γ(t)＝-A，得到方程(5)；
步骤六：将所述方程(5)代入输出转矩方程(3)得到转矩方程(6)；
步骤七：对所述转矩方程(6)在γ＝0处进行泰勒展开，得到方程(7)；
步骤八：将γ(t)带入方程(7)可得方程(8)；
步骤九：忽略方程(8)中三阶以上的高阶项化简后得到方程(9)；
步骤十：根据所述方程(9)，当(uqsinβ+udcosβ)＝0时，
Figure FDA0003654779810000012
即可得到不同负载条件下MTPA对应的电流角为方程(10)，计算出β角。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述直轴、交轴电压方程(1)为：
Figure FDA0003654779810000011
其中ud、uq分别为直、交轴电压，id、iq分别为直、交轴电流，Ld、Lq分别为直、交轴电感，R为定子电阻，Ldq为交叉耦合电感，we为电机电角速度，Ψf为永磁体磁链。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述转矩方程(2)为：
Figure FDA0003654779810000021
其中Te为输出转矩，np为极对数。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述转矩方程(3)为：
Figure FDA0003654779810000022
其中we＝npωm，ωe与ωm为倍数关系，ωm为电机转速。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述方程(4)为：
Figure FDA0003654779810000023
其中Is为定子电流幅值；
所述方程(5)为：
Figure FDA0003654779810000024
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述转矩方程(6)为：
Figure FDA0003654779810000031
其中
Figure FDA0003654779810000032
为注入直流信号后的输出转矩。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述方程(7)为：
Figure FDA0003654779810000033
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述方程(8)为：
Figure FDA0003654779810000034
9.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述方程(9)为：
Figure FDA0003654779810000041
10.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入的改进MTPA控制方法，其特征在于，所述方程(10)为：
Figure FDA0003654779810000042
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