CN117081448A - 一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，属于内置式永磁同步电机建模技术领域，该方法包括根据内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型，得到不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数；分别构建矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型；利用矢量控制系统得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号；利用内置式永磁同步电机本体非线性模型得到当前时刻的非线性模型的输出数据；将当前时刻的非线性模型的输出数据作为下一时刻矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型的输入，完成内置式永磁同步电机高精度动态建模。本发明解决了现有技术电机建模精度低、不能准确反映电机实际动态运行特性的问题。
Description
技术领域
本发明属于内置式永磁同步电机建模技术领域，尤其涉及一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法。
背景技术
目前现有内置式永磁同步电机建模技术中：大多数研究基于集中参数法建立d-q轴数学模型，将电机的电磁参数设置为常数，数学模型简单，且具有较快的仿真速度，也有部分研究人员考虑了部分非线性因素，然后基于数据查表建立电机数学模型，进一步提高了模型的保真度。但是，采用基于集中参数法的d-q轴数学模型由于做了大量的理想简化和经验假设只能反映电机基本的运行特性，或在d-q轴模型基础上考虑部分非线性因素建立电机数学模型，考虑的非线性因素少，只适用于电机基本控制策略研究，无法反映电机内部各电磁参数之间的数学耦合关系。
此外，随着计算机能力的提高，有限元软件能够实现对电机应力场、流体场、电磁场、温度场等多场耦合计算，通过对电机模型的精细剖分计算，该方法可以分析电机的极间漏磁、铁心饱和、材料的非线性特性等现象对磁场分布的影响，准确度较高，是电机建模和分析强有力工具之一。但是，采用有限元软件建立的电机模型虽然能够较为准确地反映电机材料、结构及运行特性，但对网格划分精度要求较高，计算时间较长，难以对电机各个影响因素剥离动态分析，不适用于动态研究。
目前现有内置式永磁同步电机控制技术中：矢量控制方法由于其动态性能好等优点，广泛应用于内置式永磁同步电机控制系统中。其中，弱磁控制在不改变逆变器容量和电机结构的情况下减弱气隙磁场，大幅度地提升了内置式永磁同步电机的调速范围。但是，采用弱磁矢量控制时，没有进一步考虑电机控制中的时间电流谐波，无法进一步提高模型的精确性，不足以准确反映电机及其控制系统运行时的动态特性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法解决了现有技术电机建模精度低、不能准确反映电机实际动态运行特性的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，包括以下步骤：
S1、建立内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型；
S2、根据内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型，进行有限元仿真，得到不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数；
S3、分别构建矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型；
S4、利用矢量控制系统获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度、上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号；
S5、利用内置式永磁同步电机本体非线性模型获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数、控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号、d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，得到当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度；
S6、将当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度，分别作为下一时刻矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型的输入，完成内置式永磁同步电机高精度动态建模。
本发明的有益效果为：本发明所考虑的非线性、非理想因素揭示了电机实际运行过程中时间电流谐波和空间磁场谐波的作用机理；本发明所建立的矢量控制系统能够更为准确地输出目标转矩，并且能够反映电机矢量控制系统中存在的电压误差和电流谐波；基于本发明所建立的内置式永磁同步高精度动态模型具有较高的保真度，能够为高品质电机控制策略提供更加精确的被控对象，能够准确地反映电机及其控制系统实际运行过程中的动态特性。
进一步地，所述步骤S3中矢量控制系统包括最佳电流在线求解模块和矢量控制模块；
所述最佳电流在线求解模块，用于获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的最佳电流指令；
所述矢量控制模块，用于根据当前时刻的最佳电流指令、上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
上述进一步方案的有益效果为：矢量控制系统通过结合磁场饱和特性对当前时刻的最佳电流指令进行了求解，并且计入了电机矢量控制系统中逆变器非线性、电流测量误差等非理想因素，能够反映电机矢量控制系统中存在的电压误差和电流谐波，进一步提高了模型的精确性。
进一步地，所述步骤S3中内置式永磁同步电机本体非线性模型包括包含铁损的d-q轴电压模块、电磁转矩模块和机械运动方程模块；
所述包含铁损的d-q轴电压模块，用于获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
所述电磁转矩模块，用于根据上一时刻的机械角度和当前时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的电磁转矩；
所述机械运动方程模块，用于获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度。
上述进一步方案的有益效果为：内置式永磁同步电机本体非线性模型考虑了磁场饱和、交叉耦合、磁场谐波、齿槽转矩等非线性因素，具有较高的保真度，能够为高品质电机控制策略提供更加精确的被控对象。
进一步地，所述步骤S4具体为：
S401、根据最佳电流在线求解模块，获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流；
S402、将上一时刻的机械角速度和电机的目标转速反馈后输入转速环PI，得到当前时刻的目标转矩指令；
S403、根据上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴电感进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电感值；
S404、根据当前时刻的目标转矩指令、上一时刻的机械角速度和当前时刻的d-q轴电感值，结合最大转矩电流比和最大转矩电压比进行弱磁升速控制，得到当前时刻的最佳电流指令；
S405、根据矢量控制模块，设置缩放误差和直流偏置误差，并将上一时刻的d-q轴电流依次与缩放误差和直流偏置误差反馈，与和当前时刻的最佳电流指令反馈，并输入电流环PI，得到第一d-q轴电压指令；
S406、根据上一时刻的d-q轴电流和上一时刻的机械角速度，进行电压前馈，得到电压前馈结果；
S407、将第一d-q轴电压指令与电压前馈结果反馈，得到第一反馈结果；
S408、根据第一反馈结果，进行Park变换，得到当前时刻的α-β轴电压指令；
S409、设置开通延迟和管压降，并根据当前时刻的α-β轴电压指令、开通延迟和管压降，利用矢量脉冲宽度调制算法SVPWM，得到当前时刻控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
上述进一步方案的有益效果为：通过基于电感在线查表对最佳电流工作点进行求解，通过引入缩放误差、直流偏置误差来考虑电流测量误差产生的低次电流谐波，通过引入开通延迟和管压降来考虑逆变器非线性造成的电压误差，与基于电磁参数为常数的理想矢量控制系统相比，本发明所建立的矢量控制系统能够更为准确地输出目标转矩，并且能够反映电机矢量控制系统中存在的电压误差和电流谐波。
进一步地，所述步骤S5具体为：
S501、根据控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号，利用三相逆变器控制直流电压矢量的幅值和方向，得到三相电压；
S502、根据三相电压，进行坐标变换，得到d-q轴电压；
S503、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
S504、根据电磁转矩模块，利用上一时刻的机械角度、当前时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数得到当前时刻的电磁转矩：
其中，Te为当前时刻的电磁转矩；Pn为极对数；λd_m为d轴永磁体磁链平均值；λq_m为q轴永磁体磁链平均值；id'为当前时刻的d轴电流；iq'为当前时刻的q轴电流；和/>分别为d轴、dq轴、qd轴和q轴的视在电感；θe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；Wm(·)为气隙储能函数；
S505、根据机械运动方程模块，获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度，所述机械运动方程式为：
其中，ωm'为当前时刻的机械角速度；ωm为上一时刻的机械角速度；J为电机轴及转子的转动惯量；B为阻尼系数；Te为当前时刻的电磁转矩；TL为电机外部负载。
上述进一步方案的有益效果为：通过气隙储能理论和虚位移法得到的电磁转矩，第一项表示电磁转矩的平均转矩，包括永磁转矩和磁阻转矩，受谐波分量影响较小，第二项和第三项由d-q轴磁链变化产生的转矩波动组成；第四项为气隙储能随转子位置变化产生的纹波转矩，即齿槽转矩，该电磁转矩模块能够对转矩中的主永磁转矩、交叉永磁转矩、主磁阻转矩以及交叉磁阻转矩的平均值和波动值进行剥离分析和有效预测。
进一步地，所述步骤S503具体为：
S5031、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度；
S5032、根据上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，分别利用内点法对d轴永磁体磁链和d-q轴磁链进行插值查表，得到上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链；
S5033、根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度、上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链，得到虚拟铁损电阻产生的铁损电流：
其中，icd为虚拟铁损电阻产生的d轴铁损电流；icq为虚拟铁损电阻产生的q轴铁损电流；PFe_d为d轴铁损分量；PFe_q为q轴铁损分量；Vd为d轴电压；Vq为q轴电压；Rs为定子绕组电阻；iod为d轴等效电路的总电流；ioq为q轴等效电路的总电流；POC为铁损分量的涡流损耗；PSC为铁损分量的迟滞损耗；Vm为电枢反应产生的定子感应电压；为d轴感应电压；ah和ae均为铁损分量的涡流系数；bh和be均为铁损分量的迟滞系数；λdm(·)为上一时刻的d轴永磁体磁链映射函数；ψd(·)为上一时刻的d轴磁链映射函数；ψq(·)为上一时刻的q轴磁链映射函数；id为上一时刻的d轴电流；iq为上一时刻的q轴电流；ωe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；
S5034、根据d-q轴电压和虚拟铁损电阻产生的铁损电流，得到当前时刻的d-q轴磁链：
其中，ψd'为当前时刻的d轴磁链；ψq'为当前时刻的q轴磁链；
S5035、根据当前时刻的d-q轴磁链和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴磁链的逆映射进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电流。
上述进一步方案的有益效果为：包含铁损的d-q轴电压模块通过在包含反电动势和感生电动势的支路中并联铁损电阻，考虑了铁损对电机电磁行为的影响。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明中电机本体非线性因素及电气控制特性示意图。
图3为本发明的矢量控制系统的运行流程示意图。
图4为本发明的内置式永磁同步电机本体非线性模型的运行流程示意图。
图5为本发明的包含铁损效应的d-q轴等效电路图。
图6为本发明考虑铁损效应的磁链-电流逆映射的d-q轴电压模型图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，包括以下步骤：
S1、建立内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型；
S2、根据内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型，进行有限元仿真，得到不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数；
S3、分别构建矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型；
S4、利用矢量控制系统获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度、上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号；
S5、利用内置式永磁同步电机本体非线性模型获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数、控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号、d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，得到当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度；
S6、将当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度，分别作为下一时刻矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型的输入，完成内置式永磁同步电机高精度动态建模。
本实施例中，本发明提供了一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，整体考虑了电机实际运行过程中时间电流谐波与空间磁场谐波的交叉耦合影响，所考虑的电机本体非线性因素及电气控制特性如下图2所示。
本实施例中，由于磁场饱和、交叉耦合和磁场谐波等因素影响，电磁参数是电流与转子位置角的函数，构建d-q轴电流和转子位置角与电磁参数的映射关系，即d-q轴磁链为ψd(id,iq,θm)与ψq(id,iq,θm)、d-q轴电感为Ld(id,iq,θm)与Lq(id,iq,θm)、d-q轴永磁体磁链为λdm(0,iq,θm)与λqm(id,0,θm)、d-q轴永磁体磁链平均值为λd_m(id,iq)与λq_m(id,iq)、齿槽转矩为Tcog(θm)，通过有限元仿真提取不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，然后通过内点法优化算法在线插值查表得到。
所述步骤S3中矢量控制系统包括最佳电流在线求解模块和矢量控制模块；
所述最佳电流在线求解模块，用于获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的最佳电流指令；
所述矢量控制模块，用于根据当前时刻的最佳电流指令、上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
所述步骤S3中内置式永磁同步电机本体非线性模型包括包含铁损的d-q轴电压模块、电磁转矩模块和机械运动方程模块；
所述包含铁损的d-q轴电压模块，用于获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
所述电磁转矩模块，用于根据上一时刻的机械角度和当前时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的电磁转矩；
所述机械运动方程模块，用于获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度。
本实施例中，内置式永磁同步电机是融合电气、磁场等多物理过程的复杂系统，仅考虑电机本体非线性因素，不足以准确反映电机实际运行时的动态特性，因此，为进一步提高模型的精确性，本发明计入了电机控制系统中逆变器非线性、电流测量误差等非理想因素，结合磁场饱和特性，建立了考虑非理想因素的矢量控制系统模型，如图3所示，图中，Ld(id,iq)和Lq(id,iq)为d-q轴电感映射函数；Ld和Lq为当前时刻的d-q轴电感值；Tref为当前时刻的目标转矩指令；id*和iq*为当前时刻的最佳电流指令；Ud*和Uq*为第一反馈结果；Uα*和Uβ*为α-β轴电压指令；Ka、Kb为电流测量中的缩放误差；ia_offset、ib_offset为直流偏置误差；td为开通延迟；vf为设定管压降；Udc为直流电压；ia、ib、ic为上一时刻的三相电流；ωm为上一时刻的机械角速度；θm为上一时刻的机械角度；id和iq为上一时刻的d-q轴电流；1/s为积分运算。
所述步骤S4具体为：
S401、根据最佳电流在线求解模块，获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流；
S402、将上一时刻的机械角速度和电机的目标转速反馈后输入转速环PI，得到当前时刻的目标转矩指令；
S403、根据上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴电感进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电感值；
S404、根据当前时刻的目标转矩指令、上一时刻的机械角速度和当前时刻的d-q轴电感值，结合最大转矩电流比和最大转矩电压比进行弱磁升速控制，得到当前时刻的最佳电流指令；
S405、根据矢量控制模块，设置缩放误差和直流偏置误差，并将上一时刻的d-q轴电流依次与缩放误差和直流偏置误差反馈，与和当前时刻的最佳电流指令反馈，并输入电流环PI，得到第一d-q轴电压指令；
S406、根据上一时刻的d-q轴电流和上一时刻的机械角速度，进行电压前馈，得到电压前馈结果；
S407、将第一d-q轴电压指令与电压前馈结果反馈，得到第一反馈结果；
S408、根据第一反馈结果，进行Park变换，得到当前时刻的α-β轴电压指令；
S409、设置开通延迟和管压降，并根据当前时刻的α-β轴电压指令、开通延迟和管压降，利用矢量脉冲宽度调制算法SVPWM，得到当前时刻控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
本实施例中，传统的d-q轴内置式永磁同步电机模型假设定子绕组电流和永磁体在气隙空间中产生的磁通势为正弦波分布，无高次谐波分布，输出的电磁转矩只能反映直流成分，然而，实际运行时电机受到磁场空间谐波、定子开槽、磁场饱和等因素，导致电磁转矩存在大量的波动分量。由于定子电流和转子位置变化均会引起定转子之间的气隙储能变化，依据电能-磁能-转子动能的能量传递关系结合虚位移法，得到储能的数学方程，并通过求解储能对角位移的偏导，获得电磁转矩的数学表达式。
如图4所示，为内置式永磁同步电机本体非线性模型的运行流程，图4中，Nref为目标转速；Tref为当前时刻的目标转矩指令；ωm为上一时刻的机械角速度；Ld和Lq为当前时刻的d-q轴电感值；id和iq为上一时刻的d-q轴电流；id*和iq*为当前时刻的最佳电流指令；Vabc为三相电压；Vd和Vq为d-q轴电压；Rs为定子绕组电阻；ωe为上一时刻的电角速度；ψd和ψq为上一时刻的d-q轴磁链；id(ψd,ψq,θm)、iq(ψd,ψq,θm)为d-q轴磁链逆映射函数；θm为上一时刻的机械角度；icd为虚拟铁损电阻产生的d轴铁损电流；icq为虚拟铁损电阻产生的q轴铁损电流；iod为d轴等效电路的总电流；ioq为q轴等效电路的总电流；ωm'为当前时刻的机械角速度；J为电机轴及转子的转动惯量；B为阻尼系数；Te为当前时刻的电磁转矩；TL为电机外部负载；Pn为极对数；PFe_d为d轴铁损分量；PFe_q为q轴铁损分量。
所述步骤S5具体为：
S501、根据控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号，利用三相逆变器控制直流电压矢量的幅值和方向，得到三相电压；
S502、根据三相电压，进行坐标变换，得到d-q轴电压；
S503、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
S504、根据电磁转矩模块，利用上一时刻的机械角度、当前时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数得到当前时刻的电磁转矩：
其中，Te为当前时刻的电磁转矩；Pn为极对数；λd_m为d轴永磁体磁链平均值；λq_m为q轴永磁体磁链平均值；id'为当前时刻的d轴电流；iq'为当前时刻的q轴电流；和/>分别为d轴、dq轴、qd轴和q轴的视在电感；θe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；Wm(·)为气隙储能函数；
S505、根据机械运动方程模块，获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度，所述机械运动方程式为：
其中，ωm'为当前时刻的机械角速度；ωm为上一时刻的机械角速度；J为电机轴及转子的转动惯量；B为阻尼系数；Te为当前时刻的电磁转矩；TL为电机外部负载。
本实施例中，当前时刻的电角速度＝当前时刻的机械角速度×极对数当前时刻的机械角度＝对当前时刻的机械角速度积分。
本实施例中，电机运行时，由于定、转子铁芯内部的磁通周期性变化，在铁芯中会产生磁滞损耗和涡流损耗，即铁芯损耗，铁损的存在将降低有功功率，影响给定电源电压下的相电流幅值。为了进一步提高电机模型的准确性，本发明采用并联铁损电阻的d-q轴电压模型，即在包含反电动势和感生电动势的支路中并联铁损电阻，考虑铁损对电机电磁行为的影响，包含铁损效应的d-q轴等效电路如下图5所示。图5中，Vd和Vq为d-q轴电压，id和iq为上一时刻的d-q轴电流，ψd和ψq为上一时刻的d-q轴磁链，Ld和Lq为当前时刻的d-q轴电感值，ωe为上一时刻的电角速度，Rs为定子绕组电阻，通过d-q轴虚拟铁损电阻RFe_d、RFe_q产生的d-q轴铁损电流icd、icq考虑损耗对电压的影响，iod为d轴等效电路的总电流；ioq为q轴等效电路的总电流。
本实施例中，电机运行时采用以逆变器三相电压为输入激励源的转速、电流闭环控制回路，因此，应建立电压与电流的耦合关系。通过磁链与电流的逆映射函数id(ψd,ψq,θm)、iq(ψd,ψq,θm)，使用内点法优化算法在线查表插值求取电流，即可完成电压与电流的耦合关系求解。图6为考虑铁损效应的磁链-电流逆映射的d-q轴电压模型。
所述步骤S503具体为：
S5031、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度；
S5032、根据上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，分别利用内点法对d轴永磁体磁链和d-q轴磁链进行插值查表，得到上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链；
S5033、根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度、上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链，得到虚拟铁损电阻产生的铁损电流：
其中，icd为虚拟铁损电阻产生的d轴铁损电流；icq为虚拟铁损电阻产生的q轴铁损电流；PFe_d为d轴铁损分量；PFe_q为q轴铁损分量；Vd为d轴电压；Vq为q轴电压；Rs为定子绕组电阻；iod为d轴等效电路的总电流；ioq为q轴等效电路的总电流；POC为铁损分量的涡流损耗；PSC为铁损分量的迟滞损耗；Vm为电枢反应产生的定子感应电压；为d轴感应电压；ah和ae均为铁损分量的涡流系数；bh和be均为铁损分量的迟滞系数；λdm(·)为上一时刻的d轴永磁体磁链映射函数；ψd(·)为上一时刻的d轴磁链映射函数；ψq(·)为上一时刻的q轴磁链映射函数；id为上一时刻的d轴电流；iq为上一时刻的q轴电流；ωe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；
S5034、根据d-q轴电压和虚拟铁损电阻产生的铁损电流，得到当前时刻的d-q轴磁链：
其中，ψd'为当前时刻的d轴磁链；ψq'为当前时刻的q轴磁链；
S5035、根据当前时刻的d-q轴磁链和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴磁链的逆映射进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电流。
Claims (6)
1.一种内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型；
S2、根据内置式永磁同步电机的二维有限元仿真模型，进行有限元仿真，得到不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数；
S3、分别构建矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型；
S4、利用矢量控制系统获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度、上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号；
S5、利用内置式永磁同步电机本体非线性模型获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数、控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号、d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，得到当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度；
S6、将当前时刻的d-q轴电流、当前时刻的的机械角度、当前时刻的机械角速度和当前时刻的电角速度，分别作为下一时刻矢量控制系统和内置式永磁同步电机本体非线性模型的输入，完成内置式永磁同步电机高精度动态建模。
2.根据权利要求1所述内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，其特征在于，所述步骤S3中矢量控制系统包括最佳电流在线求解模块和矢量控制模块；
所述最佳电流在线求解模块，用于获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，并根据上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的最佳电流指令；
所述矢量控制模块，用于根据当前时刻的最佳电流指令、上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流，得到控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，其特征在于，所述步骤S3中内置式永磁同步电机本体非线性模型包括包含铁损的d-q轴电压模块、电磁转矩模块和机械运动方程模块；
所述包含铁损的d-q轴电压模块，用于获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
所述电磁转矩模块，用于根据上一时刻的机械角度和当前时刻的d-q轴电流，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的电磁转矩；
所述机械运动方程模块，用于获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度。
4.根据权利要求2所述内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S401、根据最佳电流在线求解模块，获取上一时刻的机械角速度和上一时刻的d-q轴电流；
S402、将上一时刻的机械角速度和电机的目标转速反馈后输入转速环PI，得到当前时刻的目标转矩指令；
S403、根据上一时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴电感进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电感值；
S404、根据当前时刻的目标转矩指令、上一时刻的机械角速度和当前时刻的d-q轴电感值，结合最大转矩电流比和最大转矩电压比进行弱磁升速控制，得到当前时刻的最佳电流指令；
S405、根据矢量控制模块，设置缩放误差和直流偏置误差，并将上一时刻的d-q轴电流依次与缩放误差和直流偏置误差反馈，与和当前时刻的最佳电流指令反馈，并输入电流环PI，得到第一d-q轴电压指令；
S406、根据上一时刻的d-q轴电流和上一时刻的机械角速度，进行电压前馈，得到电压前馈结果；
S407、将第一d-q轴电压指令与电压前馈结果反馈，得到第一反馈结果；
S408、根据第一反馈结果，进行Park变换，得到当前时刻的α-β轴电压指令；
S409、设置开通延迟和管压降，并根据当前时刻的α-β轴电压指令、开通延迟和管压降，利用矢量脉冲宽度调制算法SVPWM，得到当前时刻控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号。
5.根据权利要求3所述内置式永磁同步电机高精度动态建模方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
S501、根据控制三相逆变器IGBT开关启停的脉冲信号，利用三相逆变器控制直流电压矢量的幅值和方向，得到三相电压；
S502、根据三相电压，进行坐标变换，得到d-q轴电压；
S503、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，并根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度，利用不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，得到当前时刻的d-q轴电流；
S504、根据电磁转矩模块，利用上一时刻的机械角度、当前时刻的d-q轴电流和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数得到当前时刻的电磁转矩：
其中，Te为当前时刻的电磁转矩；Pn为极对数；λd_m为d轴永磁体磁链平均值；λq_m为q轴永磁体磁链平均值；id'为当前时刻的d轴电流；iq'为当前时刻的q轴电流；和分别为d轴、dq轴、qd轴和q轴的视在电感；θe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；Wm(·)为气隙储能函数；
S505、根据机械运动方程模块，获取电机外部负载，并根据当前时刻的电磁转矩和电机外部负载，利用机械运动方程式，得到当前时刻的机械角速度、当前时刻的电角速度和当前时刻的机械角度，所述机械运动方程式为：
其中，ωm'为当前时刻的机械角速度；ωm为上一时刻的机械角速度；J为电机轴及转子的转动惯量；B为阻尼系数；Te为当前时刻的电磁转矩；TL为电机外部负载。
6.根据权利要求5所述内置式永磁同步电机动态建模方法，其特征在于，所述步骤S503具体为：
S5031、利用包含铁损的d-q轴电压模块获取d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度和上一时刻的电角速度；
S5032、根据上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，分别利用内点法对d轴永磁体磁链和d-q轴磁链进行插值查表，得到上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链；
S5033、根据d-q轴电压、上一时刻的d-q轴电流、上一时刻的机械角度、上一时刻的电角速度、上一时刻的d轴永磁体磁链和上一时刻的d-q轴磁链，得到虚拟铁损电阻产生的铁损电流：
其中，icd为虚拟铁损电阻产生的d轴铁损电流；icq为虚拟铁损电阻产生的q轴铁损电流；PFe_d为d轴铁损分量；PFe_q为q轴铁损分量；Vd为d轴电压；Vq为q轴电压；Rs为定子绕组电阻；iod为d轴等效电路的总电流；ioq为q轴等效电路的总电流；POC为铁损分量的涡流损耗；PSC为铁损分量的迟滞损耗；Vm为电枢反应产生的定子感应电压；为d轴感应电压；ah和ae均为铁损分量的涡流系数；bh和be均为铁损分量的迟滞系数；λdm(·)为上一时刻的d轴永磁体磁链映射函数；ψd(·)为上一时刻的d轴磁链映射函数；ψq(·)为上一时刻的q轴磁链映射函数；id为上一时刻的d轴电流；iq为上一时刻的q轴电流；ωe为上一时刻的电角速度；θm为上一时刻的机械角度；
S5034、根据d-q轴电压和虚拟铁损电阻产生的铁损电流，得到当前时刻的d-q轴磁链：
其中，ψd'为当前时刻的d轴磁链；ψq'为当前时刻的q轴磁链；
S5035、根据当前时刻的d-q轴磁链和不同转子位置角下不同电流工作点的电磁参数，利用内点法对d-q轴磁链的逆映射进行插值查表，得到当前时刻的d-q轴电流。
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