CN117691912A - 一种电机复合解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机复合解耦控制方法，包括以下步骤：实时采集电机的d轴电流和q轴电流；将电机的d轴电流实时采集值和d轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子d轴电压分量的给定值；将电机的q轴电流实时采集值和q轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子q轴电压分量的给定值；所述闭环PI调节采用复矢量PI调节器，在积分环节增加交叉项；通过q轴电流耦合项对所述电机定子d轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到d轴定子电压分量；根据当前的q轴电流和温度计算得到磁链耦合项；通过d轴电流耦合项和磁链耦合项之和对所述电机定子q轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到q轴定子电压分量。本发明可以精确地做到电流环解耦控制。

Description

一种电机复合解耦控制方法

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种电机复合解耦控制方法。

背景技术

目前比较通用的汽车电机解耦方法有两种：一种方法是复矢量解耦，通过构建电机电压方程的传递函数，并且构建PI调节器的传递函数，在复平面通过零极点稳定性判断依据，来改善PI调节器的结构，以期达到电流环解耦的目的。还有一种方法是前馈解耦，先辨识出电机的参数(磁链、DQ轴电感)，依据电压方程，对相应的电流环进行输出补偿。

现有方法一可以有效将DQ轴电流进行解耦，但它忽略了磁链项对控制环路的干扰，在转速阶跃时，不能快速响应；现有方法二理想状况下可以对电流环精确解耦，但是现实中，电机参数是随着温度、电压饱和效应变化的，它很难被准确辨识出来，因此电机参数不准的情况下，用方法二容易造成超调，引起系统不稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种电机复合解耦控制方法，可以精确地做到电流环解耦控制。

本发明采用的技术方案是：一种电机复合解耦控制方法，包括以下步骤：

实时采集电机的d轴电流和q轴电流；

将电机的d轴电流实时采集值和d轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子d轴电压分量的给定值；

将电机的q轴电流实时采集值和q轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子q轴电压分量的给定值；

所述闭环PI调节采用复矢量PI调节器，在积分环节增加交叉项；

通过q轴电流耦合项对所述电机定子d轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到d轴定子电压分量；

根据当前的q轴电流和温度计算得到磁链耦合项；

通过d轴电流耦合项和磁链耦合项之和对所述电机定子q轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到q轴定子电压分量。

上述技术方案中，磁链耦合项中磁链的求取公式为：Ψ_f＝Ψ_f1·K2·[1-(T-a)·K1]

其中，T表示当前温度；K2表示饱和补偿系数，与Q轴电流有关；K1表示温度补偿系数；Ψ_f1为基准温度时的磁链,a为基准温度。

上述技术方案中，基准温度时的磁链的计算公式如下：

其中，UL为电机开路反电势的线电压有效值，单位为Vrms；

n为电机当前转速，单位为rpm；Np为电机极对数。

上述技术方案中，选取不同的温度执行以下过程：在设定温度下，根据电机转速范围选定转速点；控制电机转速使其在转速点稳定运转至设定时间后，读取电机的线电压；根据不同转速点相应的读取电机的线电压，计算得到不同转速点的当前电磁并求取其平均值，作为该设定温度下的磁链；

通过线性拟合方法，基于不同的设定温度与相应的磁链，推导得到表达磁链与温度数学关系的方程，进而得到温度补偿系数取值。

上述技术方案中，表达磁链与温度数学关系的方程如下式：Ψ_f＝Ψ_f1-Ψ_f1·(T-a)·K1

其中，a的取值为最小的设定温度。

上述技术方案中，获取饱和补偿系数的过程包括：在基准温度下，设定d轴电流为0；设定不同的q轴电流，并读取电机转矩值和线电压；基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2；同时基于线电压计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f1；将不同q轴电流下的磁链Ψ_f2除以磁链Ψ_f1，得到不同q轴电流下的饱和补偿系数。

上述技术方案中，采用下式基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2：

Te＝3·Np·Ψ_f2·iq

其中，Te为电机转矩，iq为q轴电流。

上述技术方案中，复矢量PI调节器产生一个与被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件。

上述技术方案中，所述复矢量PI调节器在积分输入项增加解耦项，形成一个零点为复数的传递函数。

上述技术方案中，所述复矢量PI调节器的传递函数为：

其中，Us为定子电压，es为定子电流偏差，wr为电机转子的电气角速度，Kp为传递函数的比例系数，Ti为积分时间常数，j为虚部。

本发明的有益效果是：本发明通过变换PI调节器的结构来消除DQ轴间的耦合，采用复矢量PI调节器，通过在积分环节增加交叉项，使调节器产生一个与被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件，达到消除解耦的目的。本发明通过磁链项的前馈来抵消磁链对电流环的扰动，并且提高电流环响应速度。本发明考虑温度和饱和效应对磁链进行标定，基于温度和q轴电流确定饱和系数，并基于饱和系数计算磁链并得到磁链耦合项，进一步提高了解耦精度，提高了电机运行的整体安全性。

附图说明

图1为本发明的方法示意图；

图2为本发明的传递函数示意图；

图3为本发明的解耦原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种电机复合解耦控制方法，包括以下步骤：

实时采集电机的d轴电流和q轴电流；

将电机的d轴电流实时采集值和d轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子d轴电压分量的给定值；

将电机的q轴电流实时采集值和q轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子q轴电压分量的给定值；

所述闭环PI调节采用复矢量PI调节器，在积分环节增加交叉项；

通过q轴电流耦合项对所述电机定子d轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到d轴定子电压分量；

根据当前的q轴电流和温度计算得到磁链耦合项；

通过d轴电流耦合项和磁链耦合项之和对所述电机定子q轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到q轴定子电压分量。

具体地，磁链耦合项中磁链的求取公式为：Ψ_f＝Ψ_f1·K2·[1-(T-a)·K1]

其中，T表示当前温度；K2表示饱和补偿系数，与Q轴电流有关；K1表示温度补偿系数；Ψ_f1为基准温度时的磁链,a为基准温度。

具体地，基准温度时的磁链的计算公式如下：

其中，UL为电机开路反电势的线电压有效值，单位为Vrms；

n为电机当前转速，单位为rpm；Np为电机极对数。

具体地，选取不同的温度执行以下过程：在设定温度下，根据电机转速范围选定转速点；控制电机转速使其在转速点稳定运转至设定时间后，读取电机的线电压；根据不同转速点相应的读取电机的线电压，计算得到不同转速点的当前电磁并求取其平均值，作为该设定温度下的磁链；

通过线性拟合方法，基于不同的设定温度与相应的磁链，推导得到表达磁链与温度数学关系的方程，进而得到温度补偿系数取值。

具体地，表达磁链与温度数学关系的方程如下式：Ψ_f＝Ψ_f1-Ψ_f1·(T-a)·K1

其中，a的取值为最小的设定温度。

具体地，获取饱和补偿系数的过程包括：在基准温度下，设定d轴电流为0；设定不同的q轴电流，并读取电机转矩值和线电压；基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2；同时基于线电压计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f1；将不同q轴电流下的磁链Ψ_f2除以磁链Ψ_f1，得到不同q轴电流下的饱和补偿系数。

具体地，采用下式基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2：

Te＝3·Np·Ψ_f2·iq

其中，Te为电机转矩，iq为q轴电流。

具体地，复矢量PI调节器产生一个与被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件。

具体地，所述复矢量PI调节器在积分输入项增加解耦项，形成一个零点为复数的传递函数。

具体地，所述复矢量PI调节器的传递函数为：

其中，U_s为定子电压，e_s为定子电流偏差，w_r为电机转子的电气角速度，K_p为传递函数的比例系数，T_i为积分时间常数。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的原理：

本方案结合复矢量解耦和前馈解耦两种方法，规避了两种方法的缺点，可以精确地做到电流环解耦控制。

矢量控制的核心部分就是对三相电流进行坐标变换，将其变换到dq坐标系上，分别对d，q轴的电流进行控制，得到输出电压。

传统的电流环PI控制都是针对d轴电流来调节d轴电压；针对q轴电流来调节q轴电压。这种方法在电机基速以下运行的时候是有效的。但是当电机运行到弱磁区，随着转速和电流的加大，耦合项也会逐渐增大，此时控制品质就会受到极大影响。

参看永磁同步电机方程：

U_q＝L_qpi_q+w_rL_di_d+R_si_q+w_rΦ

U_d＝L_dpi_d-w_rL_qi_q+R_si_d

(1)

可以看到U_q受到w_rL_di_d的影响，U_d受到w_rL_qi_q的影响，在低速时，w_r很小，耦合项所占比例很小，对控制造不成影响。而在高速时，特别是高速过载区，转速，电流都很高，耦合项所占的比例很高，这种情况很容易引起耦合干扰，从而造成电流震荡。

电机的电压电流矢量可由dq轴电压电流表示出来

U_s＝U_d+jU_q

i_s＝i_d+ji_q (2)

把(2)代入(1)可得到：

U_s＝R_si_s+(p+jw_r)Li_s+jw_rΦ (3)

其中jωrφ在速度稳定时近视不变，可以认为是电流闭环的一个外部扰动环节。电流环控制对象的近似开环传递函数为：

由(4)可知，电流环被控对象只存在一个复数极点而且它在复平面上的位置随着频率升高而逐渐偏离实轴。通常传统PI调节器的零点z＝-1/T。显然一个实数零点不可能对消一个复数极点。

由(4)可知，电流环被控对象只存在一个复数极点而且它在复平面上的位置随着频率升高而逐渐偏离实轴。通常传统PI调节器的零点z＝-1/T。显然一个实数零点不可能对消一个复数极点。

为了消除耦合电压的影响，可以改进PI调节器的结构。采用复矢量PI调节器，通过在积分环节增加交叉项，使调节器产生一个与被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件，达到消除解耦的目的。

传统PI调节器的传递函数为：零点为：/>

为了达到零极点相消的目的，必须构造一个零点为复数的传递函数。于是在积分输入项增加解耦项jw_r，复矢量PI调节器结构如图2。

它的传递函数为：零点为：/>

当PI调节器的零点等于电流环传递函数的极点时(p＝z时)，可以使零极点相消，使系统趋于稳定。当时，零极点可以相消。

参考公式(1)为永磁同步电机的静态电压方程，前馈解耦通过在电流环输出项上补偿上耦合项来实现电流环解耦控制。其中包含电感的项为电流耦合项，包含磁链的项为磁链耦合项，具体的解耦方法见图3，先通过给定电流查表得到DQ轴电感，通过电机参数计算出耦合项，把他们加到对应的输出电压上去。

由于本发明已经添加了复矢量解耦的算法，相当于电流耦合的影响已经被复矢量PI调节器给抵消了。因此只需要将磁链耦合项叠加到Q轴电压上即可。

在这里，磁链的标定显得非常重要，在电压计算公式中有磁链Ψ_f一项，Ψ_f的大小与温度以及q轴电流相关，需要首先标定出参考温度下的磁链，具体包括以下步骤：

采用测量电机开路反电势的方法计算当前电机的磁链。

计算公式如下：

式中：UL为电机开路反电势线线电压有效值，单位为Vrms；

n为电机当前转速，单位为rpm；

Np为电机极对数。

根据电机转速范围选定需要做试验的转速点，一般而言从1000rpm开始每隔1000rpm选择一个点，控制电机转速控制到设定转速，并稳定10s。

读取测功机测量的UL即电机的线线电压。根据转速和线电压值，依据公式(5)可以计算出该温度下的磁链，如下表所示

n/rpm	UL/V	FLUX/t
			500	25.4	0.04668
1000	50.74	0.04662
			1500	76.02	0.04657
2000	101.34	0.04656
			3000	151.86	0.04651
4000	202.5	0.04652
			5000	253.02	0.04650
6000	303.64	0.04650

根据上标数据可计算出基准温度20℃时，转子磁链为Ψ_f1＝0.04656.

考虑温度对磁链的影响，冷却水温度分别设定到20℃，50℃，65℃和80℃，并静止3小时，重复执行上述步骤，可以计算出各温度下的磁链，依据线性拟合的方法可以表达出磁链与温度的方程

Ψ_f3＝Ψ_f1-Ψ_f1·(T-20)·K1 (6)

式中：Ψ_f3不同温度下考虑了温度补偿的转子磁链，Ψ_f1为20℃时的转子磁链，T为当前温度，K1为温度补偿系数(由曲线拟合得出)。

考虑电机饱和对磁链的影响，电机转矩方程：

Te＝3·Np·[(Ld-Lq)·id+Ψ_f2]·iq (7)

始终：Te为输出转矩，Ld、Lq为DQ轴电感，id、iq为DQ轴电流。

当D轴电流为0时，可以简化得到：

Te＝3·Np·Ψ_f2·iq (8)

当D轴电流为0时，转矩与磁链是成正比关系的，还是固定20℃水温设置不同的Q轴电流，并且读取转矩值，通过公式(8)可以求出各电流下的磁链。该磁链与之前根据反电势法求出的磁链是有个倍数关系的。可得到以下公式

Ψ_f２＝Ψ_f1·K2 (9)

其中：Ψ_f1为20℃时的转子磁链，Ψ_f2为20℃时考虑了饱和补偿的转子磁链，K2为饱和补偿系数。

K2＝＝f(iq) (10)

K2与Q轴电流相关，通过标定得到数据，并由查表获取。

结合步骤1-5，可以得到总的磁链表达式为：

Ψ_f＝Ψ_f1·K2·[1-(T-20)·K1] (11)

得到转子磁链后，将磁链耦合项叠加到Q轴电压上完成最终解耦。

可知传统的PI控制在程序中可以处理为：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*e_d) (12)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*e_q)

e_d：d轴电流偏差

e_q：q轴电流偏差

为了消除耦合电压的影响，解决问题的思路是：不改变被控对象的极点位置，对调节器的结构加以改进，采用图2所示的复矢量PI调节器，通过在积分环节增加交叉项，使调节器产生一个与被控对象极点位置相同的复零点，满足零、极点对消条件以达到消除耦合的目的。

根据复矢量PI调节器的传递函数：

可以得到：

U_s＝K_p*e_s+∑(K_i*e_s+K_p*e_s*jw_r) (13)

转化到dq坐标系有：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*e_d-K_p*e_q*w_r)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*e_q+K_p*e_d*w_r) (14)

其中

具体离散处理时，必须考虑在程序每个电流环周期T_pwm里，积分项必须先乘以积分时间，再进行积分。也就是：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*T_pwm*e_d-K_p*T_pwm*e_q*w_r)

U_q＝K_p*e_q+∑(K_i*T_pwm*e_q+K_p*T_pwm*e_d*w_r) (15)

w_r为电角速度的实际值，T_pwm为电流环周期的实际值，也就是载波周期实际值。

另外磁链是随着温度的升高而降低的，因此在补偿的时候，需要算出磁链的最小值来补偿，不然磁链耦合项补偿过了，会造成超调。理论上要辨识出磁链的最小值需要在最高的电机温度下(185℃)用上述标定方法来辨识磁链。不太好操作。可以在30℃、60℃、90℃这3个温度下辨识磁链值，曲线拟合一条磁链与温度的对应关系，从而求出185℃下的磁链值，并用这个值去做前馈补偿。最终的电压离散化方程为：

U_d＝K_p*e_d+∑(K_i*T_pwm*e_d-K_p*T_pwm*e_q*w_r)

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种电机复合解耦控制方法，其特征在于：包括以下步骤：实时采集电机的d轴电流和q轴电流；

将电机的d轴电流实时采集值和d轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子d轴电压分量的给定值；

将电机的q轴电流实时采集值和q轴电流请求值进行闭环PI调节得到电机定子q轴电压分量的给定值；

所述闭环PI调节采用复矢量PI调节器，在积分环节增加交叉项；

通过q轴电流耦合项对所述电机定子d轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到d轴定子电压分量；

根据当前的q轴电流和温度计算得到磁链耦合项；

通过d轴电流耦合项和磁链耦合项之和对所述电机定子q轴电压分量的给定值进行前馈补偿得到q轴定子电压分量。

2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：磁链耦合项中磁链的求取公式为：Ψ_f＝Ψ_f1·K2·[1-(T-a)·K1]

其中，T表示当前温度；K2表示饱和补偿系数，与Q轴电流有关；K1表示温度补偿系数；Ψ_f1为在基准温度下，基于电机开路反电势的线电压有效值计算得到的磁链；a为基准温度。

3.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：基于线电压计算磁链的公式如下：

其中，UL为电机开路反电势的线电压有效值，单位为Vrms；n为电机当前转速，单位为rpm；Np为电机极对数。

4.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：选取不同的温度执行以下过程：在设定温度下，根据电机转速范围选定转速点；控制电机转速使其在转速点稳定运转至设定时间后，读取电机的线电压；根据不同转速点相应的读取电机的线电压，计算得到不同转速点的当前电磁并求取其平均值，作为该设定温度下的磁链；

通过线性拟合方法，基于不同的设定温度与相应的磁链，推导得到表达磁链与温度数学关系的方程，进而得到温度补偿系数取值。

5.根据权利要求4所述的一种方法，其特征在于：表达磁链与温度数学关系的方程如下式：Ψ_f3＝Ψ_f1-Ψ_f1·(T-a)·K1

其中，a的取值为最小的设定温度，Ψ_f3为不同的设定温度下相应的磁链。

6.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：获取饱和补偿系数的过程包括：在基准温度下，设定d轴电流为0；设定不同的q轴电流，并读取电机转矩值和线电压；基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2；同时基于线电压计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f1；将不同q轴电流下的磁链Ψ_f2除以磁链Ψ_f1，得到不同q轴电流下的饱和补偿系数。

7.根据权利要求6所述的一种方法，其特征在于：采用下式基于电机转矩值计算得到不同的q轴电流的磁链Ψ_f2：

Te＝3·Np·Ψ_f2·iq

其中，Te为电机转矩，iq为q轴电流。

8.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：复矢量PI调节器产生一个与被控对象极点相同的复数零点，满足零极点对消条件。

9.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：所述复矢量PI调节器在积分输入项增加解耦项，形成一个零点为复数的传递函数。

10.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述复矢量PI调节器的传递函数为：

其中，U_s为定子电压，e_s为定子电流偏差，w_r为电机转子的电气角速度，K_p为传递函数的比例系数，T_i为积分时间常数。