CN118041154A - 一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，属于电机控制技术领域，包括如下步骤：步骤S01：构建考虑铁耗的内置式永磁同步电机d‑q轴电压表达式、转矩方程和α‑β轴磁链方程；步骤S02：构造d‑q轴等效电流，搭建总可控电气损耗功率数学模型；步骤S03：构造出虚拟功率电流补偿控制器；步骤S04：设计改进非线性观测器。本发明采用虚拟信号注入法在线搜索最优d轴定子电流时，搜索过程不需要对损耗模型进行求导，优化了求解过程，提高收敛速度。通过等价有功磁通和补偿函数设计有功磁通估计器，减弱了初始转子通量和直流偏置对控制系统的影响，实现无传感器控制。

Description

一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法。

背景技术

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成，根据转子结构不同可分表贴式和内置式。因其具有高功率密度、高效率和宽调速范围的优点，使其广泛应用于新能源电动机、重型机械等工业场合。其中能效、功率密度作为电机的重要属性，对永磁同步电机的性能起决定性作用。用于内置式永磁同步电机的最小损耗控制系统需要以获得精确的转子位置为基础，但考虑到驱动系统的成本、工作的稳定性及恶劣环境的实体传感器维护困难，对于无位置传感器技术的研究正逐渐成为电机控制系统的研究热点之一。

永磁同步电机最小损耗控制的核心都是通过搭建损耗模型，对电机控制系统中出现的电气损耗进行在线搜索，进而得出最优调节电流。传统的最小能耗控制一般采用求导法，得到最小功率损耗工作点，但传统的最小损耗控制存在问题：考虑铁损耗的内置式永磁同步电机传统最小损耗控制结构复杂，无法采用求导法得到最优调节电流。非线性观测器不需要速度信息，从而消除了与速度估计误差相关的复杂性。同时，与反电动势相比，转子磁通在静止时不会消失，而是保持不变，但仍存在以下问题：传统非线性观测器不易得到初始转子通量，且存在直流偏置问题。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，采用虚拟信号注入法在线搜索最优d轴定子电流时，搜索过程不需要对损耗模型进行求导，优化了求解过程，提高收敛速度。同时，通过构造等价有功磁通和补偿函数，减弱初始转子通量和直流偏置对控制系统的影响，提高转子电角度估计精度。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，包括如下步骤：

步骤S01：构建考虑铁耗的内置式永磁同步电机d-q轴电压表达式、转矩方程和α-β轴磁链方程：

其中：i_dt、i_qt分别是d轴弱磁电流和q轴转矩电流；u_d、u_q和L_d、L_q分别为d轴和q轴的定子电压和电感；ψ_f是永磁体磁链；R_s是定子电阻；ω_e表示转子电角速度；p为微分算子；R_total＝(R_s/R_fe)+1；R_fe为铁损耗电阻。

其中：T_e为电磁转矩；n_p为极对数。

其中：λ＝[λ_α,λ_β]为α-β轴磁链；v_αβ＝[u_α,u_β]为α-β轴电压；i_αβ＝[i_α,i_β]为α-β轴电流；ΔL＝L_d-L_q；c(θ)＝[cosθ,sinθ]^T；θ为转子电角度。

步骤S02：构造d-q轴等效电流：

其中：i_N为等效电流；Λ为组合参数；sgn(·)为符号函数。

步骤S03：结合步骤S01得到的电机控制系统数学模型和功率基础计算方程P＝i²R，搭建总可控电气损耗功率数学模型：

其中：P_E、P_Cu和P_Fe分别为电机控制系统总可控损耗功率、可控铜损耗功率和可控铁损耗功率；

步骤S04：根据基尔霍夫定理和步骤S01中的d-q轴电压方程得到d-q轴铁损耗电流方程为：

其中：i_df、i_qf分别为d、q轴铁损耗电流；

步骤S05：将步骤S02的d-q轴等效电流和步骤S04的铁损耗电流方程代入步骤S03中的总可控电气损耗功率数学模型构造出当电机处于稳定运行时，仅存在单一变量的总可控电气损耗功率数学模型，即：

其中：A＝ω_e/R_Fe。

步骤S06：采用虚拟信号在线搜索最小损耗功率工作点；

步骤S07：将搜索得到的最小损耗功率工作点处d轴弱磁电流补偿量输入至实际控制系统中，实现基于虚拟功率电流补偿的最小损耗控制。

步骤S08：通过步骤S01中的内置式永磁同步电机数学模型构造有功磁通、等价有功磁通和补偿函数：

其中：为α-β估计有功磁通；

其中：为α-β等价估计有功磁通；

其中：Γ为增益系数；

步骤S09：通过步骤S08可得改进非线性观测器：

其中：γ＝300。

步骤S10：通过步骤S09中得到的估计有功磁通得到估计转子电角度：

其中：为估计转子电角度。

根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，其特征在于：所述步骤S06的采用虚拟信号在线搜索最小损耗功率工作点具体方法如下：

步骤S601：将一个微小虚拟直流信号ε叠加到i_N中，得：

其中：为叠加ε后的虚拟电流。

步骤S602：将代入P_E(i_N)中得到由/>产生的功率为虚拟总可控损耗功率

步骤S603：由此可得改进虚拟功率电流补偿控制的调节过程如下：

1)当时，/>更新/>重复步骤1)，否则跳转至步骤3)；

2)当时，/>更新/>重复步骤2)，否则跳转至步骤3)；

3)输出最优调节电流

本发明的有益效果是：

本发明采用虚拟信号注入法在线搜索最优d轴定子电流时，搜索过程不需要对损耗模型进行求导，优化了求解过程，提高收敛速度，降低控制系统设计难度。同时，通过构造等价有功磁通和补偿函数，减弱初始转子通量和直流偏置对控制系统的影响，提高转子电角度估计精度。

附图说明

图1为IPMSM无传感器最小损耗控制系统结构框图；

图2为实施例1中的改进虚拟功率电流补偿控制功率曲线图；

图3为实施例1中的改进虚拟功率电流补偿控制反馈电流与调节电流曲线图；

图4为实施例1中的估计有功磁通曲线图；

图5为实施例1中的估计转子电角度曲线图；

图6为对比例中对比i_d＝0的损耗优化性能图；

图7为对比例中对比传统的虚拟功率电流补偿控制损耗优化性能图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供了一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，包括如下步骤：

步骤S01：构建考虑铁耗的内置式永磁同步电机d-q轴电压表达式、转矩方程和α-β轴磁链方程：

其中：i_dt、i_qt分别是d轴弱磁电流和q轴转矩电流；u_d、u_q和L_d、L_q分别为d轴和q轴的定子电压和电感；ψ_f是永磁体磁链；R_s是定子电阻；ω_e表示转子电角速度；p为微分算子；R_total＝(R_s/R_fe)+1；R_fe为铁损耗电阻。

其中：T_e为电磁转矩；n_p为极对数。

其中：λ＝[λ_α,λ_β]为α-β轴磁链；v_αβ＝[u_α,u_β]为α-β轴电压；i_αβ＝[i_α,i_β]为α-β轴电流；ΔL＝L_d-L_q；c(θ)＝[cosθ,sinθ]^T；θ为转子电角度。

步骤S02：构造d-q轴等效电流：

其中：i_N为等效电流；Λ为组合参数；sgn(·)为符号函数。

步骤S03：结合步骤S01得到的电机控制系统数学模型和功率基础计算方程P＝i²R，搭建总可控电气损耗功率数学模型：

其中：P_E、P_Cu和P_Fe分别为电机控制系统总可控损耗功率、可控铜损耗功率和可控铁损耗功率；i_df、i_qf分别为d、q轴铁损耗电流；

步骤S04：根据基尔霍夫定理和步骤S01中的d-q轴电压方程得到d-q轴铁损耗电流方程为：

其中：i_df、i_qf分别为d、q轴铁损耗电流；

步骤S05：将步骤S02的d-q轴等效电流和步骤S04的铁损耗电流方程代入步骤S03中的总可控电气损耗功率数学模型构造出当电机处于稳定运行时，仅存在单一变量的总可控电气损耗功率数学模型，即：

其中：A＝ω_e/R_Fe。

步骤S06：采用虚拟信号在线搜索最小损耗功率工作点；

所述步骤S06具体步骤如下：

步骤S601：将一个微小虚拟直流信号ε叠加到i_N中，得：

其中：为叠加ε后的虚拟电流。

步骤S602：将代入P_E(i_N)中得到由/>产生的功率为虚拟总可控损耗功率

步骤S603：由此可得改进虚拟功率电流补偿控制的调节过程如下：

1)当时，/>更新/>重复步骤1)，否则跳转至步骤3)；

2)当时，/>更新/>重复步骤2)，否则跳转至步骤3)；

2)输出最优调节电流

步骤S07：将搜索得到的最小损耗功率工作点处d轴弱磁电流补偿量输入至实际控制系统中，实现基于虚拟功率电流补偿的最小损耗控制。

步骤S08：通过步骤S01中的内置式永磁同步电机数学模型构造有功磁通、等价有功磁通和补偿函数：

其中：为α-β估计有功磁通；

其中：为α-β等价估计有功磁通；

其中：Γ为增益系数；

步骤S09：通过步骤S08可得改进非线性观测器：

其中：γ＝300。

步骤S10：通过步骤S09中得到的估计有功磁通得到估计转子电角度：

其中：为估计转子电角度。

IPMSM无传感器最小损耗控制系统结构框图如图1所示。

实施例1

电机以给定转速设置1200r/min，转矩为3N﹒m运行，按照上述方法步骤执行，所设计控制策略能耗优化性能如图2所示，d轴反馈电流和调节电流如图3所示，改进非线性观测器估计有功磁通如图4所示，估计转子电角度如图5所示。

观察图2、3可以得出结论，控制系统在0.075s内已实现收敛，且系统稳定运行，并未出现较大震荡。观察图2可得，当电机稳定运行时，总可控损耗功率稳定于201W(±0.5)。

观察图4、5可以得出结论，控制系统能有效估计转子电角度，减弱了初始转子通量和直流偏置对控制系统的影响。

对比例

多组工况下，对比i_d＝0控制、传统虚拟信号注入控制和所设计最小损耗控制策略，仿真结果如图6、7示。观察图6、7，在多组同等的工况下，随着转速的升高，铁损耗增大，因此，改进虚拟功率电流补偿控制相比于i_d＝0控制的优化效率随之增大，在所设置的工况中，减小的损耗区间为4％～24.21％。对比传统虚拟功率电流补偿控制，由于传统虚拟功率电流补偿控制对与改进虚拟功率电流补偿控制对铁损耗的优化偏差较小，因此在低速时，改进虚拟功率电流补偿控制对比传统虚拟功率电流补偿控制在低速时能耗优化性能更强，在所设置的工况中，减小的损耗区间为1.33％～9.15％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员对上述实施例进行改动、修改、替换和变型均属于本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S01：构建考虑铁耗的内置式永磁同步电机d-q轴电压表达式、转矩方程和α-β轴磁链方程：

其中：i_dt、i_qt分别是d轴弱磁电流和q轴转矩电流；u_d、u_q和L_d、L_q分别为d轴和q轴的定子电压和电感；ψ_f是永磁体磁链；R_s是定子电阻；ω_e表示转子电角速度；p为微分算子；R_total＝(R_s/R_fe)+1；R_fe为铁损耗电阻；

其中：T_e为电磁转矩；n_p为极对数；

其中：λ＝[λ_α,λ_β]为α-β轴磁链；v_αβ＝[u_α,u_βL为α-β轴电压；i_αβ＝[i_α,i_β]为α-β轴电流；ΔL＝L_d-L_q；c(θ)＝[cosθ,sinθ]^T；θ为转子电角度；

步骤S02：构造d-q轴等效电流：

其中：i_N为等效电流；Λ为组合参数；sgn(·)为符号函数；

步骤S03：结合步骤S01得到的电机控制系统数学模型和功率基础计算方程P＝i²R，搭建总可控电气损耗功率数学模型：

其中：P_E、P_Cu和P_Fe分别为电机控制系统总可控损耗功率、可控铜损耗功率和可控铁损耗功率；i_df、i_qf分别为d、q轴铁损耗电流；

步骤S04：根据基尔霍夫定理和步骤S01中的d-q轴电压方程得到d-q轴铁损耗电流方程为：

其中：i_df、i_qf分别为d、q轴铁损耗电流；

步骤S05：将步骤S02的d-q轴等效电流和步骤S04的铁损耗电流方程代入步骤S03中的总可控电气损耗功率数学模型构造出当电机处于稳定运行时，仅存在单一变量的总可控电气损耗功率数学模型，即：

其中：A＝ω_e/R_Fe；

步骤S06：采用虚拟信号在线搜索最小损耗功率工作点；

步骤S07：将搜索得到的最小损耗功率工作点处d轴弱磁电流补偿量输入至实际控制系统中，实现基于虚拟功率电流补偿的最小损耗控制；

步骤S08：通过步骤S01中的内置式永磁同步电机数学模型构造有功磁通、等价有功磁通和补偿函数：

其中：为α-β估计有功磁通；

其中：为α-β等价估计有功磁通；

其中：Γ为增益系数；

步骤S09：通过步骤S08可得改进非线性观测器：

其中：γ＝300；

步骤S10：通过步骤S09中得到的估计有功磁通得到估计转子电角度：

其中：为估计转子电角度。

2.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制方法，其特征在于：所述步骤S06的采用虚拟信号在线搜索最小损耗功率工作点具体方法如下：

步骤S601：将一个微小虚拟直流信号ε叠加到i_N中，得：

其中：为叠加ε后的虚拟电流；

步骤S602：将代入P_E(i_N)中得到由/>产生的功率为虚拟总可控损耗功率/>

步骤S603：由此可得改进虚拟功率电流补偿控制的调节过程如下：

1)当时，/>更新/>重复步骤1)，否则跳转至步骤3)；

2)当时，/>更新/>重复步骤2)，否则跳转至步骤3)；

3)输出最优调节电流