CN116317715A - 自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法 - Google Patents

自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法 Download PDF

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CN116317715A CN202310173651.XA CN202310173651A CN116317715A CN 116317715 A CN116317715 A CN 116317715A CN 202310173651 A CN202310173651 A CN 202310173651A CN 116317715 A CN116317715 A CN 116317715A
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李益华
王丁
方世杰
赵秋林
林远宗
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Chongqing Tsingshan Industrial Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，包括以下步骤：1)基于工况估算当前电机实际转矩；2)计算实际转矩与目标转矩差值；3)当永磁同步电机转矩维持较大控制误差的持续时间不小于自适应调节时间阈值时，按照下列步骤对永磁同步电机控制目标转矩进行自适应调节：3‑1)计算初始直轴自调节参数id‑init和交轴自调节参数iq‑init；3‑2)对初始自调节参数进行滤波，计算直轴滤波自调节参数id‑grad和交滤波自调节参数id‑grad。本发明在没有额外增加硬件的情况下对永磁同步电机实际转矩进行准确估算，并根据估算的结果对永磁同步电机控制转矩进行自适应调节。

Description

自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，具体涉及一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法。
背景技术
永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。
目前，用于永磁同步电机在纯电动汽车和混合动力汽车中被广泛运用，其主要控制功能有转矩控制和转速控制，而转速控制是以转矩控制为基础进行转速闭环PID调节实现。转矩控制是基于当前母线电压、电机实际转速、控制目标转矩查两张电流三维表，分别查表得出直轴目标电流
Figure BDA0004100081290000011
交轴目标电流/>
Figure BDA0004100081290000012
两张三位表的数据通过台架试验获取。永磁同步电机在纯电动汽车和混合动力汽车中作为主要的驱动单元或发电单元，需要实现高精度、高动态性能的转矩或转速控制。由此可见，永磁同步电机转矩控制精度直接影响整车的动力性和经济性，甚至影响整车的行车安全，如果转矩控制出现错误，极易引起整车非预期加速、非预期减速。
目前国内外的永磁同步转矩控制控制系统，均采用开环控制：根据当前母线电压、电机实际转速、控制目标转矩查两张电流三维表，分别查表得出直轴目标电流
Figure BDA0004100081290000013
交轴目标电流/>
Figure BDA0004100081290000014
两张电流三维表，或者采用电机转矩特性的仿真值，或者通过台架实验获取单一/有限的提样本量实测值，难以保证永磁同步电机转矩控制的准确性，仍然会有转矩控制误差大的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，在没有额外增加硬件的情况下对永磁同步电机实际转矩进行准确估算，并根据估算的结果对永磁同步电机控制转矩进行自适应调节。
本发明的目的是采用下述方案实现的：
一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，包括以下步骤：
1)基于电动、发电工况，根据实际直轴电流id和交轴电流iq，估算永磁同步电机当前实际转矩Tactual；
2)根据当前电机控制目标转矩Tcommand和电机估算的实际转矩Tactual，计算转矩差值ΔT；
3)当永磁同步电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT在设定的控制误差区间保持且持续时间不小于自适应调节时间阈值时，按照下列步骤对控制目标转矩进行自适应调节：
3-1)根据永磁同步电机当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前估算的实际扭矩的直轴目标电流id-actual和直轴自调节系数kd-p，计算初始直轴自调节参数id-init；根据永磁同步电机当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command、当前估算的实际扭矩的交轴目标电流iq-actual和交轴自调节系数kq-p，计算初始交轴自调节参数iq-init；
3-2)根据初始直轴自调节参数id-init和直轴滤波系数fd-c，对初始直轴自调节参数进行滤波，计算直轴滤波自调节参数id-grad；根据初始交自调节参数iq-init和交轴滤波系数fq-c，对初始交轴自调节参数进行滤波，计算交轴滤波自调节参数iq-grad；
3-3)根据直轴滤波自调节参数id-grad、直轴最小自调节参数限制id-modifymin和直轴最大自调节参数限制id-modifymax，对直轴滤波自调节参数进行限制，计算直轴限制自调节参数id-limt；根据交轴滤波自调节参数iq-grad、交轴最小自调节参数限制iq-modifymin和交轴最大自调节参数限制iq-modifymax，对交轴滤波自调节参数进行限制，计算交轴限制自调节参数iq-limt；
3-4)根据直轴限制自调节参数id-limt、交轴限制自调节参数iq-limt、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command和最大限制电流is-max计算直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify；
3-5)根据直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command，计算当前转矩的直轴电流表
Figure BDA0004100081290000031
和交轴电流表/>
Figure BDA0004100081290000032
并进行更新。
本发明的优点在于以下几点：
1.本发明台架试验获取实际转矩第一双参数表和第二双参数表并区分电动和发电工况，通过永磁同步电机当前实际直轴电流Id和实际交轴电流Iq查表预估当前实际转矩，相比传统增加传感器的做法，在保证实际转矩估算精度的前提下，大大降低了系统成本。
2.本发明通过对电机转矩差阈值区间、电机温度阈值区间、电机与最小转矩差阈值区间、电机与最大转矩差阈值区间、目标转矩变化斜率阈值区间的判断，对较大控制误差进行识别，在满足一定条件下才进行转矩控制自适应调节，提高了转矩自调节的稳定性。
3.本发明通过对自调节转矩上限、下限限制和永磁同步电机当前最大、最小转矩限制的判断，在保证转矩自调节能力的基础上，进一步提高了自调节系统的准确性和稳定性。
4.本发明通过对转矩电流表自调节，相比基于转矩的闭环控制，在保证实际转矩估算精度的前提下，大大提高了系统响应。
5.在不增加系统成本的前提下，提高了整个系统的转矩控制精度和转矩响应。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，包括以下步骤：
1)基于电动、发电工况，根据直轴电流id和交轴电流iq，估算永磁同步电机当前实际转矩Tactual，本实施例中，按照下列步骤对永磁同步电机当前实际转矩进行估算：
11)将直轴实际电流id分为N段，交轴实际电流iq分为M段，N、M均不大于分段数量阈值；
12)设定第一双参数表和第二双参数表(表1和表2)，分别用于估算永磁同步电机电动和发电工况当前实际转矩Tactual；第一双参数表和第二双参数表的两个轴分别是直轴实际电流id、交轴实际电流iq，第一双参数表和第二双参数表的输出值是永磁同步电机当前实际转矩Tactual值。第一双参数表和第二双参数表的值是通过台架实验得到，试验方法是永磁同步电机母线电压在额定电压(如334V)和电机转速在参考转速(如5000rpm)时，分别测试当前直轴实际电流id-n和当前的交轴实际电流iq-m(其中1≤n≤N，1≤m≤M)对应的实际转矩Tnm；然后将实际转矩的值填写至对应的直轴电流id、交轴电流iq所在的实际转矩第一双参数表和第二双参数表中(表1和表2)，本实施例中，永磁同步电机电动和发电工况的区别是根据当前电机控制目标转矩Tcommand的符号进行判断的，若符号为正，则识别为电动工况，否则识别为发电工况。
13)预估当前永磁同步电机当前实际转矩Tactual；如果当前为电动工况时，预估的电机当前实际转矩Tactual＝通过第一双参数表(表1)查表得倒的值；同理当前为发电工况时，预估的电机当前实际转矩Tactual＝通过第二双参数表(表2)查表得倒的值；
本实施例中，也可通过增加传感器的方式对永磁同步电机当前实际转矩进行估算，如增加转矩传感器、直接母线电流传感器、UVW三相相电流传感器。
2)根据当前电机控制目标转矩Tcommand和电机估算的实际转矩Tactual，计算转矩差值ΔT；
3)当永磁同步电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT在设定的控制误差区间保持且持续时间不小于自适应调节时间阈值，本实施例中，按照下列步骤判断永磁同步电机转矩维持在设定的控制误差区间：
31)设置电机转矩差阈值区间、电机温度阈值区间、电机与最小转矩差阈值区间、电机与最大转矩差阈值区间、目标转矩变化斜率阈值区间；
32)当下列条件同时成立时，永磁同步电机转矩处于较大控制误差；
若下列任一条件不成立，则不再对电机控制转矩进行自适应调节：
①，当前电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT在电机转矩差阈值区间内。
②，当前永磁同步电机当前无故障发生。
③，当前电机温度在电机温度阈值区间内。
④，当前电机控制目标转矩Tcommand与最小转矩限制Tmin差值绝对值在电机与最小转矩差阈值区间内。
⑤，当前电机控制目标转矩Tcommand与最大转矩限制Tmax差值绝对值在与电机最大转矩差阈值区间内。
⑥，当前电机控制目标转矩Tcommand变化斜率在目标转矩变化斜率阈值值区间内。
上述当永磁同步电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT保持较大的控制误差且持续时间不小于自适应调节时间阈值时，按照下列步骤对控制目标转矩进行自适应调节：
3-1)根据永磁同步电机当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前估算的实际扭矩的直轴目标电流id-actual和直轴自调节系数kd-p，计算初始直轴自调节参数id-init；根据永磁同步电机当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command、当前估算的实际扭矩的交轴目标电流iq-actual和交轴自调节系数kq-p，计算初始交轴自调节参数iq-init，所述初始直轴自调节参数id-init、交轴自调节参数iq-init的计算公式如下所示：
所述初始直轴自调节参数id-init、初始交轴自调节参数iq-init的计算公式如下：
id-init＝kd-p(id-command-id-actual)
式中，id-init为初始直轴自调节参数，kd-p为直轴自调节系数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，id-actual为当前估算的实际扭矩的直轴目标电流；
iq-init＝kq-p(iq-command-iq-actual)
式中，iq-init为初始交轴自调节参数，kq-p为交轴自调节系数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，iq-actual为当前估算的实际扭矩的交轴目标电流。
3-2)根据初始直轴自调节参数id-init和直轴滤波系数fd-c，对初始直轴自调节参数进行滤波，计算直轴滤波自调节参数id-grad；根据初始交自调节参数iq-init和交轴滤波系数fq-c，对初始交轴自调节参数进行滤波，计算交轴滤波自调节参数iq-grad，所述直轴滤波自调节参数id-grad、交轴滤波自调节参数iq-grad的计算公式如下：
Figure BDA0004100081290000071
式中，id-grad为直轴滤波自调节参数，
Figure BDA0004100081290000072
为上一周期直轴自调节参数，fd-c为直轴滤波系数(0≤fd-c≤1)，id-init为初始直轴自调节参数；
Figure BDA0004100081290000073
式中，iq-grad为交轴滤波自调节参数，
Figure BDA0004100081290000074
为上一周期交轴自调节参数，fq-c为交轴滤波系数(0≤fq-c≤1)，iq-init为初始交轴自调节参数。
3-3)根据直轴滤波自调节参数id-grad、直轴最小自调节参数限制id-modifymin和直轴最大自调节参数限制id-modifymax，对直轴滤波自调节参数进行限制，计算直轴限制自调节参数id-limt；根据交轴滤波自调节参数iq-grad、交轴最小自调节参数限制iq-modifymin和交轴最大自调节参数限制iq-modifymax，对交轴滤波自调节参数进行限制，计算交轴限制自调节参数iq-limt；所述直轴限制自调节参数id-limt、交轴限制自调节参数id-limt的计算公式如下：
id-limt＝min(id-modifymax,max(id-modifymin，id-grad))
式中，id-limt为直轴限制自调节参数，id-modifymax为直轴最大自调节参数限制，id-modifymin为直轴最小自调节参数限制，id-grad为直轴滤波自调节参数；
iq-limt＝min(iq-modifymax,max(iq-modifymin，iq-grad))
式中，iq-limt为交轴限制自调节参数，iq-modifymax为交轴最大自调节参数限制，iq-modifymin为交轴最小自调节参数限制，iq-grad为交轴滤波自调节参数。
3-4)根据直轴限制自调节参数id-limt、交轴限制自调节参数iq-limt、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command和最大限制电流is-max，计算直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify。所述直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify按照下列公式进行计算：
①当满足条件A时：
id-modify＝id-limt
式中，id-modify为直轴自调节参数，iq-limt为直轴限制自调节参数；
iq-modify＝iq-limt
式中，iq-modify为交轴自调节参数，iq-limt为交轴限制自调节参数；
②当不满足条件A时：
id-modify＝0
式中，id-modify为直轴自调节参数；
iq-modify＝0
式中，iq-modify为交轴自调节参数；
条件A按如下公式进行计算：
(id-limt+id-command)2+(iq-limt+iq-command)2≤is-max 2
式中，id-limt为直轴限制自调节参数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，iq-limt为交轴限制自调节参数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，is-max为最大限制电流。
3-5)根据直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command，计算当前转矩的直轴电流表
Figure BDA0004100081290000091
和交轴电流表/>
Figure BDA0004100081290000092
并进行更新。
所述直轴电流表
Figure BDA0004100081290000093
交轴电流表/>
Figure BDA0004100081290000094
按照下列公式进行计算并对电流表更新：
Figure BDA0004100081290000095
式中，id-modify为直轴自调节参数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，
Figure BDA0004100081290000096
为当前转矩直轴电流表；
Figure BDA0004100081290000097
式中，iq-modify为交轴自调节参数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，
Figure BDA0004100081290000098
为当前转矩交轴电流表。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于电动、发电工况，根据实际直轴电流id和交轴电流iq，估算永磁同步电机当前实际转矩Tactual；
2)根据当前电机控制目标转矩Tcommand和电机估算的实际转矩Tactual，计算转矩差值ΔT；
3)当永磁同步电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT在设定的控制误差区间保持且持续时间不小于自适应调节时间阈值时，按照下列步骤对控制目标转矩进行自适应调节：
3-1)根据永磁同步电机当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前估算的实际扭矩的直轴目标电流id-actual和直轴自调节系数kd-p，计算初始直轴自调节参数id-init；根据永磁同步电机当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command、当前估算的实际扭矩的交轴目标电流iq-actual和交轴自调节系数kq-p，计算初始交轴自调节参数iq-init；
3-2)根据初始直轴自调节参数id-init和直轴滤波系数fd-c，对初始直轴自调节参数进行滤波，计算直轴滤波自调节参数id-grad；根据初始交自调节参数iq-init和交轴滤波系数fq-c，对初始交轴自调节参数进行滤波，计算交轴滤波自调节参数iq-grad；
3-3)根据直轴滤波自调节参数id-grad、直轴最小自调节参数限制id-modifymin和直轴最大自调节参数限制id-modifymax，对直轴滤波自调节参数进行限制，计算直轴限制自调节参数id-limt；根据交轴滤波自调节参数iq-grad、交轴最小自调节参数限制iq-modifymin和交轴最大自调节参数限制iq-modifymax，对交轴滤波自调节参数进行限制，计算交轴限制自调节参数iq-limt；
3-4)根据直轴限制自调节参数id-limt、交轴限制自调节参数iq-limt、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command和最大限制电流is-max计算直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify；
3-5)根据直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify、当前目标扭矩的直轴目标电流id-command、当前目标扭矩的交轴目标电流iq-command，计算当前转矩的直轴电流表
Figure FDA0004100081280000021
和交轴电流表/>
Figure FDA0004100081280000022
并进行更新。
2.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，步骤1)中，按照下列步骤估算永磁同步电机当前实际转矩Tactual：
11)将直轴实际电流id分为N段，交轴实际电流iq分为M段，N、M均不大于分段数量阈值；
12)设定第一双参数表和第二双参数表，分别用于估算永磁同步电机电动和发电工况当前实际转矩Tactual；第一双参数表和第二双参数表的两个轴分别是直轴实际电流id、交轴实际电流iq，第一双参数表和第二双参数表的输出值是永磁同步电机当前实际转矩Tactual值，第一双参数表和第二双参数表的值是通过台架实验得到，试验方法是永磁同步电机母线电压在额定电压和电机转速在参考转速时，分别测试当前直轴实际电流id-n和当前的交轴实际电流iq-m(其中1≤n≤N，1≤m≤M)对应的实际转矩Tnm；然后将实际转矩的值填写至对应的直轴实际电流id、交轴实际电流iq所在的实际转矩第一双参数表和第二双参数表中；
13)预估当前永磁同步电机当前实际转矩Tactual；如果当前为电动工况时，预估电机的当前实际转矩Tactual＝通过第一双参数表查表得倒的值；同理当前为发电工况时，预估的电机当前实际转矩Tactual＝通过第二双参数表查表得倒的值。
3.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，步骤3)中，按照下列步骤判断永磁同步电机转矩维持在设定的控制误差区间：
31)设置电机转矩差阈值区间、电机温度阈值区间、电机与最小转矩差阈值区间、电机与最大转矩差阈值区间、目标转矩变化斜率阈值区间；
32)当下列条件同时成立时，永磁同步电机转矩处于较大控制误差；
若下列任一条件不成立，则不再对电机控制转矩进行自适应调节：
①，当前电机控制目标转矩Tcommand和估算的实际转矩Tactual的转矩差值ΔT在电机转矩差阈值区间内；
②，当前永磁同步电机当前无故障发生；
③，当前电机温度在电机温度阈值区间内；
④，当前电机控制目标转矩Tcommand与最小转矩限制Tmin差值绝对值在电机与最小转矩差阈值区间内；
⑤，当前电机控制目标转矩Tcommand与最大转矩限制Tmax差值绝对值在与电机最大转矩差阈值区间内；
⑥，当前电机控制目标转矩Tcommand变化斜率在目标转矩变化斜率阈值值区间内。
4.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，所述初始直轴自调节参数id-init、初始交轴自调节参数iq-init的计算公式如下：
id-init＝kd-p(id-command-id-actual)
式中，id-init为初始直轴自调节参数，kd-p为直轴自调节系数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，id-actual为当前估算的实际扭矩的直轴目标电流；
iq-init＝kq-p(iq-command-iq-actual)
式中，iq-init为初始交轴自调节参数，kq-p为交轴自调节系数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，iq-actual为当前估算的实际扭矩的交轴目标电流。
5.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，步骤3-2)中，所述直轴滤波自调节参数id-grad、交轴滤波自调节参数iq-grad的计算公式如下：
Figure FDA0004100081280000041
式中，id-grad为直轴滤波自调节参数，
Figure FDA0004100081280000042
为上一周期直轴自调节参数，fd-c为直轴滤波系数(0≤fd-c≤1)，id-init为初始直轴自调节参数；
Figure FDA0004100081280000043
式中，iq-grad为交轴滤波自调节参数，
Figure FDA0004100081280000044
为上一周期交轴自调节参数，fq-c为交轴滤波系数(0≤fq-c≤1)，iq-init为初始交轴自调节参数。
6.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，所述直轴限制自调节参数id-limt、交轴限制自调节参数id-limt的计算公式如下：
id-limt＝min(id-modifymax,max(id-modifymin，id-grad))
式中，id-limt为直轴限制自调节参数，id-modifymax为直轴最大自调节参数限制，id-modifymin为直轴最小自调节参数限制，id-grad为直轴滤波自调节参数；
iq-limt＝min(iq-modifymax,max(iq-modifymin，iq-grad))
式中，iq-limt为交轴限制自调节参数，iq-modifymax为交轴最大自调节参数限制，iq-modifymin为交轴最小自调节参数限制，iq-grad为交轴滤波自调节参数。
7.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，所述直轴自调节参数id-modify、交轴自调节参数iq-modify按照下列公式进行计算：
①当满足条件A时：
id-modify＝id-limt
式中，id-modify为直轴自调节参数，iq-limt为直轴限制自调节参数；
iq-modify＝iq-limt
式中，iq-modify为交轴自调节参数，iq-limt为交轴限制自调节参数；
②当不满足条件A时：
id-modify＝0
式中，id-modify为直轴自调节参数；
iq-modify＝0
式中，iq-modify为交轴自调节参数；
条件A按如下公式进行计算：
(id-limt+id-command)2+(iq-limt+iq-command)2≤is-max 2
式中，id-limt为直轴限制自调节参数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，iq-limt为交轴限制自调节参数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，is-max为最大限制电流。
8.根据权利要求1所述自适应调节永磁同步电机转矩控制的方法，其特征在于，所述直轴电流表
Figure FDA0004100081280000061
交轴电流表/>
Figure FDA0004100081280000062
按照下列公式进行计算并对电流表更新：
Figure FDA0004100081280000063
式中，id-modify为直轴自调节参数，id-command为当前目标扭矩的直轴目标电流，
Figure FDA0004100081280000064
为当前转矩直轴电流表；
Figure FDA0004100081280000065
式中，iq-modify为交轴自调节参数，iq-command为当前目标扭矩的交轴目标电流，
Figure FDA0004100081280000066
为当前转矩交轴电流表。
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