CN116191969B

CN116191969B - 基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法及系统

Info

Publication number: CN116191969B
Application number: CN202310183266.3A
Authority: CN
Inventors: 赵文良; 吴昊; 丁海波; 王秀和
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2023-02-24
Filing date: 2023-02-24
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2043-02-24
Also published as: CN116191969A

Abstract

本发明提出了基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法及系统，属于电机驱动技术领域，所述方法包括获得同步电机在一个周期内n个采样位置处的转矩‑电流表；根据n个采样位置处的转矩‑电流表，得到n个采样位置处的MTPA曲线；根据n个转子位置处的MTPA曲线插值得到关于转子位置和电流矢量平方的转矩查找表；基于转矩查找表确定对应的谐波电流；将谐波电流注入到同步电机以提升同步电机转矩密度。通过上述方法本发明增加了同步电机的正向和反向转矩密度，在输出转矩平均值相同时减少了铜耗。

Description

基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法及系统

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域，尤其涉及基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

同步电机涡流损耗小，效率高，结构配置灵活，是当今高性能电机的发展方向。在一些工况下，需要在有限的体积内输出更高的转矩，即需要更高的转矩密度。

为保持较高的转矩密度，通常将额定电流设置为最大电流密度时的电流值，因此提升转矩密度相当于寻求更高的转矩电流比(MTPA)。

通常的控制方法是由恒定的电机参数确定MTPA工作点，但未考虑电机参数的变化，传统地，电机方程的电感、磁链等物理量被处理为常数以简化电机的数学模型方程，但实际上这些物理量不严格为常数，如附图3所示，可以发现每个转子位置处的MTPA曲线均不同，因此利用一条传统MTPA曲线进行控制会使电机不能精确运行在MTPA工作点上；另外，如果采用解析方程来对电机建模，为了避免方程太复杂会在一些地方进行近似与简化，也会导致所计算的MTPA工作点不准确；或采用简化函数逼近MTPA曲线，但未能计及电机的全部电气量，这也会导致所确定MTPA工作点不准确。

因此，同时解决如下两个问题可以提高电机的转矩密度：1)使电机较为精确地在各个转子位置处均处于MTPA状态；2)分别确定各转子位置处的输出转矩大小，使得在额定电流下输出的平均转矩最大，即最大平均转矩电流比。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制方法，能够提升同步电机的转矩密度。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法，包括：

获得同步电机在一个周期内n个采样位置处的转矩-电流表，n为正整数；

根据n个采样位置处的转矩-电流表，得到n个采样位置处的MTPA曲线；

根据n个转子位置处的MTPA曲线插值得到关于转子位置和电流矢量平方的转矩查找表；

基于关于转子位置和电流矢量平方的转矩查找表确定对应的谐波电流；

将谐波电流注入到同步电机以提升同步电机转矩密度。

第二方面，公开了基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升系统，包括：

转矩-电流表获取模块，被配置为：获得同步电机在一个周期内n个采样位置处的转矩-电流表，n为正整数；

MTPA曲线获取模块，被配置为：根据n个采样位置处的转矩-电流表，得到n个采样位置处的MTPA曲线；

转矩查找表获取模块，被配置为：根据n个转子位置处的MTPA曲线插值得到关于转子位置和电流矢量平方的转矩查找表；

谐波电流注入模块，被配置为：基于转矩查找表确定对应的谐波电流；将谐波电流注入到同步电机以提升同步电机转矩密度。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.本发明采用上述方法可以提升同步电机正向和反向的转矩密度；避免了复杂的理论解析推导，利用计算机工具进行建模与标定，易于理解；相比传统方法更能考虑到转子各位置的特殊情况，从而达到更好的控制效果。

2.本发明中采用的上述方法考虑了磁路饱和、磁场谐波与交叉耦合等因素，精度高，仿真结果更可靠。

3.本发明技术方案因为确定谐波电流的操作是离线进行的，不需要在线实时计算，因此，避免了在控制过程中的“边运行边运算注入谐波幅值”导致的运算速度慢的问题，运算速度快，有利于电机运行的高效性。

4.本发明不仅适用于带辅助定子的永磁同步电机，亦可推广到一般同步电机的转矩密度提升控制；不仅适用于永磁同步电机，亦适用于开关磁阻电机、同步磁阻电机等无永磁的同步电机。

5.本发明在输出转矩平均值相同时，提出方案比传统方案的铜耗更小。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本公开实施例一中的谐波电流注入同步电机转矩密度提升控制方法的流程图；

图2是本公开实施例一中的以辅助定子为例的三相同步电机拓扑结构图及其绕组分布；

图3是在7个采样角度处的交直轴(dq轴)电流-转矩表；

图4(a)是本公开实施例一中正向转矩T_e(T_e>0)的查找表；

图4(b)是本公开实施例一中反向转矩T_e(T_e<0)的查找表；

图5(a)是本公开实施例一中正向转矩对电流矢量平方的偏导的查找表；

图5(b)是本公开实施例一中反向转矩对电流矢量平方的偏导的查找表；

图6是本公开实施例一中的在传统方法和提出方法、正向转矩和反向转矩下电流的示意图；

其中，下标f和r分别表示正向和反向转矩，上标c和p分别表示传统和提出方法。

图7是本公开实施例一中的，在图6所示电流激励下的转矩波形有限元仿真结果；

图8(a)是本公开实施例二中的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统框图；

图8(b)是使用滞环控制器的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统框图；

图8(c)是使用PIR控制器的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统框图。

其中，1、谐波电流给定，2、PI控制器，3取余模块，4、角速度计算模块，5、转子位置传感器，6、同步电机，7、直流电源及逆变桥，8、电流控制器，9、滞环调节器，10、ABC-dq变换器，11、αβ-dq变换器，12、SVPWM，13、PIR控制器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

建立电机的转矩响应的数学模型；

具体的：根据有限元方法得到一个转矩周期内n个采样位置处的转矩-电流表，即通过交直轴电流i_d、i_q查找转矩的二维查找表，进而得到由交直轴电流和转子位置角查找转矩的三维查找表，即为电机转矩响应的数学模型。

基于受发热限制的平均转矩输出规律，求出输出平均转矩的最大值，并给出满足该值的条件，从而确定谐波电流，用于提升同步电机的转矩密度。

具体为：

根据n个转子位置处的MTPA曲线插值得到在转矩关于转子位置角θ_e和电流矢量的平方i²的查找表；

根据转矩T_e关于θ_e和i²的查找表计算得到的查找表，根据/>的等高线确定对应的谐波电流

需要说明的是，准则的推导基础就是发热限制，即最大平均转矩电流比，即在最大允许的发热时输出更大的平均转矩。

实施例一

如图1所示的一种基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制方法，包括以下步骤：

步骤S01：根据有限元方法得到一个周期内n个采样位置处的转矩-电流表；

步骤S02：根据n个采样位置处的转矩-电流表，得到n个采样位置处的MTPA曲线；

步骤S03：根据n个转子位置处的MTPA曲线插值得到在转矩关于电角度θ_e和i²的查找表,其中i²＝i_d ²+i_q ²；

步骤S04：根据转矩关于θ_e和i²的查找表计算得到的查找表,根据/>的等高线确定对应的谐波电流；

步骤S05：利用控制器(如比例谐振、滑模、模型预测、滞环等)，将谐波电流注入到同步电机，构成基于谐波电流注入的控制系统。

作为一种或多种实施方式，在步骤S01中，是通过有限元参数化扫描方法，在电机有限元模型中注入扫描交直轴电流，获得响应转矩，即可得到通过交直轴电流查找转矩的二维查找表，如图3所示。

作为一种或多种实施方式，在步骤S01中，在一个转矩周期内选取n个电角度，参数化扫描得到电机的电流-转矩关系。例如对如图2所示的辅助定子电机进行dq轴电流在一个转矩周期内[0，60]的扫描，得出转子位置电角度θ_e为0°、6.05°、16°、25.55°、31°、37.85°、51.65°的转矩电流关系如图3所示。

上述n个采样位置处的MTPA曲线是根据转矩电流表的数据加上最小T_e/(i_d ²+i_q ²)的约束条件确定的，即确定图3中每一条等高线上距离原点最近的点。

作为一种或多种实施方式，在步骤S04中，由图4(a)和图4(b)计算出的查找表，得到/>的等高线图，在本实施例中给定θ_e的区间为[0，60]，计算得到正向和反向最小转矩成本曲线图分别如图5(a)和图5(b)所示。

作为一种或多种实施方式，由图5(a)和图5(b)所示的查找表，得到/>的等高线图，该等高线图即为最小平均转矩铜耗比曲线。

具体证明过程如下：

在图5(a)中，在一个转矩周期内取等高线f₁(θ_e)和非等高线f₂(θ_e)，满足：

即二者的i²平均值相等。

两条曲线之间的T_e的差值F₁可以表示为：

定义当f₁(θ_e)≥f₂(θ_e)时，θ_e∈a₁，即a₁是满足f₁(θ_e)≥f₂(θ_e)的一个区间。此时，和/>使得：

同理，定义当f₁(θ_e)<f₂(θ_e)时，θ_e∈a₂，即a₂满足f₁(θ_e)<f₂(θ_e)的区间。此时，和/>使得：

可以从上述公式得：

由图5(a)可以看出，对于i²是单调递减的，因此，对于g₁(θ_e1)≤f₁(θ_e)<g₂(θ_e3)有：

综上：

因此，当T_e≥0时，最小转矩成本曲线就是的等高线。

类似地，当转矩反向时(T_e<0)，即在图5(b)中，可以证明最小转矩成本曲线也是的等高线：

取一个转矩周期内等高线f₃(θ_e)非等高线f₄(θ_e)，满足：

两条曲线之间的T_e差值F₂可以表示为：

定义当f₃(θ_e)≥f₄(θ_e)时，θ_e∈a₃，即a₃是满足f₃(θ_e)≥f₄(θ_e)的区间。此时，和/>使得：

同理，定义当f₃(θ_e)<f₄(θ_e)时，θ_e∈a₄，即a₄是满足f₃(θ_e)<f₄(θ_e)的区间。此时，和/>使得：

可以从上式得到：

S₃＝S₄

由图5(b)可知对于i²是单调递减的，因此，对于g₃(θ_e4)≤f₃(θ_e)<g₄(θ_e6)可以确定：

从上式可以得到：

因此，当T_e<0时，最小转矩成本曲线也是的等高线，等高线上的i²是变化的，又鉴于正弦激励电流的i²是不变的，因此最小转矩成本曲线的激励电流是谐波电流。

作为一种或多种实施方式，在步骤S04中，在本实施例中，得到的额定电流下的A相谐波电流给定波形如图6所示，B、C两相电流分别超前、滞后A相电流120°，图6中还给出了与A相有效值相同的传统方案正弦电流作为对比，传统方案方程如下所示：

式中，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，L^c _d为传统模型的直轴电感，L^c _q为传统模型的交轴电感，T_e为电磁转矩。

将上述非正弦电流与正弦电流分别注入实施例所用辅助定子电机，得到的转矩波形如图7所示。可见在提出方案的转矩输出有所增大。

可以理解的，由于在相同电流有效值时平均转矩输出有所增大，提出方案在输出相同转矩时的电流有效值有所减小，即更小的铜耗。

实施例二

本公开实施例二介绍了一种基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统，如图8(a)所示。

获取模块，被配置为根据同步电机的转子位置角得到电机转速和电机电角度；

转速控制模块，被配置为根据电机转速和目标转速得到电机所需的电磁转矩；

查表模块，被配置为根据电磁转矩和电机电角度得到交直轴电流给定值；

电流控制模块，被配置为将电流给定值、电流实际反馈值、转子位置等信息进行运算，得到电机PWM驱动信号，使输出电流跟踪上给定电流，以此驱动同步电机运转。

步骤S01：根据电机转速和目标转速得到电机所需的电磁转矩；

步骤S02：根据电磁转矩和转子位置角得到dq轴电流给定值；

步骤S03：将dq轴电流给定值、实际电流值、转子位置角等信息输入电流控制模块，计算得到脉宽调制PWM信号，以此驱动同步电机运转。

作为一种或多种实施方式，在获取模块中，通过在同步电机的转子轴上连接转子位置传感器，以测量同步电机的转子位置角θ_m，对转子位置角θ_m计算得到电机转速ω_r、电机电角度θ_e和电机取余电角度θ_{e_mod}；

根据转子位置角θ_m计算得到电机转速ω_r，其表达式为：

根据转子位置角θ_m计算电机电角度θ_e的表达式为：

θ_e＝θ_m×p

其中，p为转子极对数。

根据电机电角度θ_e计算得到电机取余电角度θ_{e_mod}的表达式为：

θ_{e_mod}＝θmodT

其中，T为电机的转矩脉动周期。

作为一种或多种实施方式，在转速控制模块中，根据得到的电机转速ω_r和目标转速ω_r ^*得到电磁转矩给定值T_e ^*；

在本实施例中，光电编码器通过减法器连接转速PI控制器，输出的电机转速差值信息传输至PI控制器中，用于分别计算所需电磁转矩；电机转速ω_r和目标转速ω_r ^*做差形成负反馈通道，做差得到的差值信号输入至电机转速PI控制器，经电机转速PI控制器得到电磁转矩给定值。

根据电机转速ω_r和目标转速ω_r ^*得到电磁转矩给定值T_e ^*，其表达式为：其中，e_n为转速偏差，K_p为PI比例增益，K_i为PI积分增益。

作为一种或多种实施方式，在查表模块中，根据得到的电磁转矩给定值T_e ^*与转子电角度θ_e得到dq轴电流给定值。

在本实施例中，查找表(即图8(a)中的谐波电流给定模块)被用来得到dq轴给定电流，是由给定转矩和转子位置电角度得出给定dq轴电流的查找表，查表模块中的查找表来源于实施例一，即由图5(a)和图5(b)中的等高线得到的对应谐波电流。

作为一种或多种实施方式，在电流控制模块中，可以采用如图8(b)所示的滞环控制方案。

作为一种或多种实施方式，在电流控制模块中，可以采用如图8(c)所示的比例谐振(PIR)控制方案。

实施例三

本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制方法中的步骤。

详细步骤与实施例一提供的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制方法相同，在此不再赘述。

实施例四

本公开实施例四提供了一种电子设备。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制方法中的步骤。

实施例五

本公开实施例五提供了基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升系统，包括：

以上实施例的系统中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法，其特征是，包括：

基于转矩查找表确定对应的谐波电流；

将谐波电流注入到同步电机以提升同步电机转矩密度；

获得同步电机在一个周期内n个采样位置处的转矩-电流表时，通过有限元参数化扫描的方式在电机有限元模型中注入扫描交直轴电流，获得响应转矩，即可得到通过交直轴电流查找转矩的转矩-电流表；

所述n个采样位置处的MTPA曲线根据转矩-电流表的数据与最小T_e/(i_d ²+i_q ²)的约束条件确定；

计算出的查找表，得到/>的等高线图，该等高线图的等高线即为最小平均转矩铜耗比曲线。

2.如权利要求1所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法，其特征是，基于转矩查找表确定对应的谐波电流，具体得到：A相谐波电流给定波形，B、C两相电流分别超前、滞后A相电流120°，将上述电流分别注入电机中，得到的转矩波形。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现权利要求1-2任一所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法中的步骤。

4.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-2任一所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升方法中的步骤。

5.基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统，其特征是，包括：

查表模块，被配置为根据电磁转矩和电机电角度获得需要注入的谐波电流；

其中，获得需要注入的谐波电流的步骤为：

基于转矩查找表确定对应的谐波电流；

电流控制模块，被配置为将电流给定值、电流实际反馈值、转子位置信息进行运算，得到电机PWM驱动信号，使输出电流跟踪上给定谐波电流，以此驱动同步电机运转；

6.如权利要求5所述的基于谐波电流注入的同步电机转矩密度提升控制系统，其特征是，所述电流控制模块采用滞环控制器、比例谐振控制器等方案驱动同步电机运转。