WO2021063293A1 - 一种永磁同步电机mtpa控制曲线的拟合方法 - Google Patents

一种永磁同步电机mtpa控制曲线的拟合方法 Download PDF

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罗慧
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    • H02P21/28—Stator flux based control
    • H02P21/30—Direct torque control [DTC] or field acceleration method [FAM]

Definitions

  • the present invention belongs to the field of motor control, and more specifically, relates to a method for fitting a control curve of a permanent magnet synchronous motor MTPA (Maximum Torque Per Ampere, maximum torque current ratio).
  • MTPA Maximum Torque Per Ampere, maximum torque current ratio
  • the present invention provides a simulation of the MTPA control curve of a permanent magnet synchronous motor.
  • the purpose of the combined method is to achieve the best MTPA control effect when the current amplitude is large.
  • a method for fitting a MTPA control curve of a permanent magnet synchronous motor includes the following steps:
  • ⁇ f represents the permanent magnet flux linkage in the equivalent dq coordinate system
  • L d and L q represent the d-axis and q-axis inductance of the permanent magnet synchronous motor in the dq coordinate system, respectively
  • I s represents the motor stator current amplitude
  • i d represents the d-axis component of the motor stator current
  • i q represents the q-axis component of the motor stator current.
  • parabola fitting formula is as follows:
  • the asymptotes fitting formula is as follows:
  • the method further includes:
  • a computer-readable storage medium is provided, and a computer program is stored on the computer-readable storage medium.
  • the fitting method of the MTPA control curve of the permanent magnet synchronous motor is provided.
  • the present invention proposes to switch the MTPA fitting strategy according to the magnitude of the stator current amplitude.
  • the stator current amplitude is small, the parabola fitting curve is adopted, which has a better fitting effect, and the output is closer to the electromagnetic torque of the maximum electromagnetic torque.
  • the stator current vector amplitude is large, one of the standard MTPA curve asymptotes is used as the MTPA fitting curve under high current amplitude to replace the parabolic fitting curve, the fitting effect is better and the output is more efficient.
  • the present invention switches the fitting curve from a parabola to an asymptotic curve when the current amplitude is I switch, so that the MTPA control effect is close to the best control effect, and the output torque is continuously high.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for fitting a MTPA control curve of a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a block diagram of MTPA control provided by an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of switching from a parabolic fitting method to an asymptotic fitting method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an asymptotic curve fitting curve and actual MTPA curve diagram provided by an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 is a graph of torque output efficiency curves of parabola fitting and asymptotic fitting provided by an embodiment of the present invention
  • Fig. 7 is a schematic diagram of the simulation results of the maximum torque output of the three curves provided by the embodiment of the present invention when the constant torque is running under different limit values.
  • the present invention provides a method for implementing MTPA control of a permanent magnet synchronous motor.
  • the method includes the following steps:
  • Step S1 Obtain the motor parameters ⁇ f , L d and L q of the permanent magnet synchronous motor in real time, and the output of the speed regulator is equivalent to I s , where ⁇ f represents the permanent magnet flux linkage in the equivalent dq coordinate system , L d and L q respectively represent the d-axis and q-axis inductance of the permanent magnet synchronous motor in the dq coordinate system, and I s represents the motor stator current amplitude.
  • the online parameter identification method can be used to obtain the permanent magnet flux linkage ⁇ f , the stator d-axis inductance L d , and the stator q-axis inductance L q of the permanent magnet synchronous motor in this period. Other methods can also be used to obtain motor parameters.
  • i d represents the d-axis component of the motor stator current
  • i q represents the q-axis component of the motor stator current.
  • the MTPA I s as part of the input variables.
  • Stator d-axis, q-axis current reference value As the output variable of the MTPA link.
  • Step S2. Calculate the switching current I switch based on ⁇ f , L d and L q .
  • Step S3. Judge whether I s > I switch , if yes, use an asymptote to fit the relational expressions i d and i q ; otherwise, use a parabola to fit the relational expressions i d and i q.
  • Output of the electromagnetic torque T e is determined by the motor stator current vector. Set the sub-current vector amplitude to I s . For the built-in permanent magnet synchronous motor, due to the salient pole effect, I s will correspond to a maximum electromagnetic torque value. This torque is defined as T emax (I s ).
  • the electromagnetic torque that can be generated by the parabolic fitting algorithm theory is T ef1 (I s ).
  • the point (i d , i q ) defined on the parabola fitting curve can theoretically generate electromagnetic torque as T ef1 (i d , i q );
  • a 1 , A 2 are located on the parabola fitting curve Above, B 1 and B 2 are on the actual MTPA curve.
  • I s 10A
  • a 1 and B 1 and the like are on the same basic electromagnetic torque curve, that is T ef1 (10) ⁇ T emax ( 10).
  • the parabola fitting curve has a better fitting effect.
  • the stator current vector amplitude I s is large, the deviation between the parabolic fitting curve and the actual MTPA curve gradually increases, the output torque gradually decreases, and the fitting effect gradually deteriorates.
  • the present invention proposes a new method of fitting asymptote I s in the case of large parabolic fitting alternative, i.e. hyperbolic curve fitting MTPA An asymptote of.
  • i d represents the d-axis component of the motor stator current
  • i q represents the q-axis component of the motor stator current
  • Step S4 Combine the input variable expression of the MTPA link with the MTPA fitting curve relational expression to obtain the values of i d and i q.
  • the output efficiency of the approximate fitting curve is ⁇ (I s ).
  • T ef (I s ) is the electromagnetic torque that can be generated theoretically by a point on the approximate fitting curve.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法，属于电机控制领域。包括：实时获得永磁同步电机的电机参数ψ f、L d和L q，并将转速调节器的输出等效为I s；基于ψ f、L d和L q，计算出切换电流I switch；判断是否I s>I switch，若是，采用渐近线拟合i d、i q关系式，否则，采用抛物线拟合i d、i q关系式。本发明提出了根据定子电流幅值大小，在电流幅值为I switch时将拟合曲线从抛物线切换为渐近线，当定子电流幅值较小时，采用抛物线拟合曲线；当定子电流矢量幅值较大时，以标准MTPA曲线渐近线的一支作为大电流幅值下的MTPA拟合曲线来代替抛物线拟合曲线，使MTPA控制效果趋近于最佳控制效果，持续高输出转矩。

Description

一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法 【技术领域】
本发明属于电机控制领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机MTPA(Maximum Torque Per Ampere，最大转矩电流比)控制曲线的拟合方法。
【背景技术】
2010年以来，使用内置式永磁同步电动机的新能源汽车产业规模逐渐扩大。为满足新能源汽车在启动和加速过程中对输出转矩的要求，需要对其电机进行最大转矩电流比控制。因此，需要以实际工况为背景，对MTPA的实现方法展开深入研究。
要实现MTPA控制必须先对其控制曲线进行求解。在对MTPA曲线求解的过程中，不但要保证曲线的准确也需要考虑工程实现的难易程度。为在化简MTPA曲线的同时也尽可能保证拟合曲线的输出效率，毛亮亮等人于2016年提出对原有的MTPA曲线进行麦克劳林级数展开，将MTPA曲线化简为乘加的形式，从而在计算中避免了根号与除法运算，减少了MTPA控制策略的运算时间。
由于乘加多项式的高阶导数会随着直轴电流的减小而逐渐减小，因此，当电流幅值越大(直轴电流越小)时，多项式拟合曲线与实际的MTPA曲线逐渐分离，拟合效果逐渐变差。若要在大电流幅值下保证拟合曲线与实际MTPA的重合，需要增加麦克劳林级数展开保留的阶数，然而这种方法严重的增加了计算量。因此，多项式拟合的方法仅适用于定子电流幅值较小的情况。针对该问题，提出将MTPA曲线拟合成为抛物线，从而达到化简计算的目的。然而，在电流幅值较大的情况下，拟合曲线偏离实际MTPA曲线，从而无法达到最佳的MTPA控制效果。
【发明内容】
针对现有技术抛物线拟合法在电流幅值较大的情况下拟合曲线偏离实际MTPA曲线，导致无法达到最佳的MTPA控制效果问题，本发明提供了一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法，其目的在于在电流幅值较大的情况下达到最佳的MTPA控制效果。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法，该方法包括以下步骤：
S1.实时获得永磁同步电机的电机参数ψ f、L d和L q，并将转速调节器的输出等效为I s；
S2.基于ψ f、L d和L q，计算出切换电流I switch；
S3.判断是否I s＞I switch，若是，采用渐近线拟合i d、i q关系式，否则，采用抛物线拟合i d、i q关系式，
其中，ψ f表示等效dq坐标系下的永磁磁链，L d、L q分别表示dq坐标系下永磁同步电机的d轴与q轴电感，I s表示电机定子电流幅值，i d表示电机定子电流d轴分量，i q表示电机定子电流的q轴分量。
具体地，MTPA环节的输入变量表达式
Figure PCTCN2020118216-appb-000001
具体地，切换电流I switch的计算公式如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000002
具体地，抛物线拟合公式如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000003
渐近线拟合公式如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000004
具体地，该方法还包括：
S4.将MTPA环节的输入变量表达式与MTPA拟合曲线关系式联立，求取i d、i q的值。
具体地，I s＞I switch时，联立求取i d、i q的值如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000005
Figure PCTCN2020118216-appb-000006
I s≤I switch时，联立求取i d、i q的值如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000007
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明提出了根据定子电流幅值大小切换MTPA拟合策略，当定子电流幅值较小时，采用抛物线拟合曲线，具有更好的拟合效果，输出更接近于最大的电磁转矩的电磁转矩；当定子电流矢量幅值较大时，以标准MTPA曲线渐近线的一支作为大电流幅值下的MTPA拟合曲线来代替抛物线拟合曲线，拟合效果更佳，输出更高效。本发明通过在电流幅值为I switch时将拟合曲线从抛物线切换为渐近线，使MTPA控制效果趋近于最佳控制效果，持续高输出转矩。
【附图说明】
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法流程图；
图2为本发明实施例提供的MTPA控制框图；
图3为本发明实施例提供的抛物线拟合法到渐近线拟合法的切换示意图；
图4为本发明实施例提供的多项式拟合曲线与实际MTPA曲线图；
图5为本发明实施例提供的渐近线拟合曲线与实际MTPA曲线图；
图6为本发明实施例提供的抛物线拟合与渐近线拟合转矩输出效率曲线图；
图7为本发明实施例提供的三种曲线在不同限幅值下恒转矩运行时输出最大转矩仿真结果示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机的MTPA控制的实现方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.实时获得永磁同步电机的电机参数ψ f、L d和L q，并将转速调节器的输出等效为I s，其中，ψ f表示等效dq坐标系下的永磁磁链，L d、L q分别表示dq坐标系下永磁同步电机的d轴与q轴电感，I s表示电机定子电流幅值。
可以使用在线参数辨识法，获得永磁同步电机在该周期下的永磁磁链ψ f，定子d轴电感L d、定子q轴电感L q。也可以用其他方法获得电机参数。
如图2所示，令转速调节器输出参考矩阵T ASR等于电机定子电流幅值
Figure PCTCN2020118216-appb-000008
其中，i d表示电机定子电流d轴分量，i q表示电机定子电流的q轴分量。将I s作为MTPA环节的输入变量。定子d轴、q轴电流参考值
Figure PCTCN2020118216-appb-000009
作为示MTPA环节的输出变量。
步骤S2.基于ψ f、L d和L q，计算出切换电流I switch。
Figure PCTCN2020118216-appb-000010
如图3所示，由于抛物线拟合法的输出效率随输入的增加而逐渐减小，渐近线拟合方法的输出效率随输入的增加逐渐增大并趋近于100％。系统在输入从0逐渐增加的过程中，为实现持续高输出转矩MTPA控制，需要在两种拟合曲线输出转矩相同时进行切换，通过计算得到电流的近似值为：
Figure PCTCN2020118216-appb-000011
步骤S3.判断是否I s＞I switch，若是，采用渐近线拟合i d、i q关系式，否则，采用抛物线拟合i d、i q关系式。
为增大凸极式永磁同步电机在同一电流限幅值下的电磁转矩输出能力，需要采用最大转矩电流比控制策略对电机的直交轴电流进行优化分配。在实际实现过程中，为节省MTPA算法占用的控制周期资源，需要在尽可能保证其控制精度的前提下，对曲线以及它的电流分配的表达式进行工程化拟合与化简，以尽可能的减少除法与根号运算，缩短其在CPU内运算所消耗的时间。本发明通过在电流幅值为I switch时将拟合曲线从抛物线切换为渐近线，使MTPA控制效果趋近于最佳控制效果。
I s≤I switch时，抛物线拟合公式如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000012
电机的电磁转矩T e的输出由定子电流矢量决定。设定子电流矢量幅值为I s，对于内置式永磁同步电机，由于凸极效应的作用，I s会对应一个最大电磁转矩值，将此转矩定义为T emax(I s)。
设当定子电流幅值为I s时，抛物线拟合算法理论可产生的电磁转矩为T ef1(I s)。如图4所示，定义在抛物线拟合曲线上的点(i d,i q)理论可产生的电磁转矩为T ef1(i d,i q)；A 1、A 2位于抛物线拟合曲线上，B 1、B 2位于实际的MTPA曲线上。当I s＝10A时，A 1与B 1基本处在同一等电磁转矩曲线上，即 有T ef1(10)≈T emax(10)。说明抛物线拟合曲线可以对电流矢量进行分配，进而获得接近于最大的电磁转矩T emax，较好的代替实际的MTPA曲线。然而随着I s的不断增大，抛物线拟合曲线为计算简便所省略的高次项产生的误差逐渐明显，实际的MTPA曲线与抛物线拟合曲线逐渐分离。当I s＝30A时，如图中点A 2与B 2所示，处在实际MTPA曲线上的点B 2理论可产生的电磁转矩为30N.m，而处在抛物线拟合曲线上的点A 2，理论可产生的电磁转矩为28N.m，则有T emax(30)＞T ef1(30)。由此可见，在抛物线拟合曲线上的点对应的电流矢量理论能产生的电磁转矩小于实际最大转矩电流比(MTPA)曲线的输出电磁转矩。
因此，当定子电流幅值较小时，抛物线拟合曲线具有更好的拟合效果。然而在定子电流矢量幅值I s较大的情况下，在抛物线拟合曲线与实际MTPA曲线的偏差逐渐增大，输出转矩逐渐变低，拟合效果逐渐变差。
为解决抛物线拟合法在大电流下输出效果减弱的问题，本发明提出了一种新的渐近线拟合方法在I s较大的情况下替代抛物线拟合法，即将MTPA曲线拟合为双曲线的一支渐近线。
I s＞I switch时，渐近线拟合公式如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000013
其中，i d表示电机定子电流d轴分量，i q表示电机定子电流的q轴分量。
如图5所示，设在渐近线拟合曲线上的点(i d,i q)理论可产生的电磁转矩T ef2(i d,i q)。B 1、B 2位于实际的最大转矩电流比(MTPA)曲线上，C 1、C 2位于渐近线拟合曲线上。当I s＝10A时，对于B 1、C 1，实际MTPA曲线的输出转矩为7N.m，而渐近线拟合曲线的输出转矩为6.5N.m，则有T emax(10)＞T ef2(10)。可见，在电流矢量幅值I s较小的情况下，渐近线拟合曲线等效于i d＝0控制策略，因此拟合效果并不佳。然而随着I s的不断增大，实际MTPA曲线逐渐趋近于它的渐近线，对于B 2、C 2，实际MTPA曲线与渐近线拟合 曲线下的点B 2、C 2产生的理论电磁转矩基本一致，即T emax(30)≈T ef2(30)。
由上述分析可知，虽然当定子电流幅值较小时，相比于渐近线拟合曲线，抛物线拟合曲线具有更好的拟合效果，输出更接近于最大的电磁转矩T emax的电磁转矩。然而在定子电流矢量幅值I s较大的情况下实际的MTPA曲线逐渐趋向于渐进线拟合曲线，渐近线拟合曲线的理论产生的电磁转矩大于抛物线拟合曲线的理论产生的电磁转矩T ef2＞T ef1。此时，渐近线拟合曲线的拟合效果更佳，输出更高效。
步骤S4.将MTPA环节的输入变量表达式与MTPA拟合曲线关系式联立，求取i d、i q的值。
满足最大转矩电流比(MTPA)时，i d、i q关系式为
Figure PCTCN2020118216-appb-000014
Figure PCTCN2020118216-appb-000015
MTPA环节的输入变量表达式
Figure PCTCN2020118216-appb-000016
MTPA拟合曲线关系式
Figure PCTCN2020118216-appb-000017
I s＞I switch时，联立求取i d、i q的值如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000018
Figure PCTCN2020118216-appb-000019
I s≤I switch时，联立求取i d、i q的值如下：
Figure PCTCN2020118216-appb-000020
Figure PCTCN2020118216-appb-000021
为进一步说明采用抛物线拟合曲线与渐近线拟合曲线对MTPA作用效果的影响，需要对各拟合曲线相对于实际MTPA曲线的输出的最大转矩进行定量分析。在同一电流幅值I s下，采用实际MTPA控制曲线理论可产生的电磁转矩T emax(I s)作为基准，衡量抛物线拟合曲线与渐近线拟合曲线在不同电流幅值转矩输出效果。
定义在同一电流矢量幅值I s下，近似拟合曲线的输出效率为η(I s)。
Figure PCTCN2020118216-appb-000022
其中，T ef(I s)为近似拟合曲线上的点理论可产生的电磁转矩。
通过仿真实验分别得到抛物线拟合曲线的输出效率曲线η 1(I s)与渐近线拟合曲线的输出效率曲线η 2(I s)。
由图6可知，当定子电流幅值较小时，此时抛物线拟合法输出效率大于渐近线拟合法输出效率，所以采用抛物线拟合曲线；当定子电流幅值大于I switch时，由于渐近线拟合法输出效率大于抛物线拟合法输出效率，所以采用渐近线拟合法输出效率。
为进一步验证不同给定值分别对抛物线拟合法与渐近线拟合法输出转矩的影响的分析结论，将实际曲线作为对照组，对I max＝7A、16A、30A时三种MTPA曲线在最大转矩状态下的输出转矩进行对比。其中，3个MTPA区间分别由t＝0.04s、0.06s、0.08s的速度阶跃给定给出，控制策略在t＝0.055s从实际切换到抛物线拟合法，0.075s时从抛物线拟合法切换到渐近线拟合法。
如图7所示，I max＝7A时，由于曲线与抛物线拟合曲线基本重合，因此两者的输出转矩也保持一致。然而由于渐近线拟合曲线此时还处于id＝0的控制阶段，故输出转矩明显小于抛物线拟合法。当I max＝12A时，由于逐渐 接近切换点I switch抛物线拟合法与渐近线拟合法的输出转矩基本一致，但明显稍低于实际的方法。当I max＝28A时，实际的曲线与抛物线拟合曲线逐渐分离并且趋近于渐近线拟合曲线，因此渐近线拟合曲线的输出转矩明显大于抛物线拟合曲线的输出转矩，且与实际的曲线输出转矩大小基本一致。
由此验证了本发明所能达到的效果：当电流幅值较小时，使用抛物线作为MTPA的拟合曲线以输出更大的转矩；电流幅值在I switch附近后，由抛物线拟合曲线切换为渐进线拟合曲线，使系统转矩输出效率逐渐回升，从而避免了继续使用抛物线拟合曲线所造成的转矩输出效率下降的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

  1. 一种永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
    S1.实时获得永磁同步电机的电机参数ψ f、L d和L q，并将转速调节器的输出等效为I s；
    S2.基于ψ f、L d和L q，计算出切换电流I switch；
    S3.判断是否I s>I switch，若是，采用渐近线拟合i d、i q关系式，否则，采用抛物线拟合i d、i q关系式，
    其中，ψ f表示等效dq坐标系下的永磁磁链，L d、L q分别表示dq坐标系下永磁同步电机的d轴与q轴电感，I s表示电机定子电流幅值，i d表示电机定子电流d轴分量，i q表示电机定子电流的q轴分量。
  2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，MTPA环节的输入变量表达式
    Figure PCTCN2020118216-appb-100001
  3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，切换电流I switch的计算公式如下：
    Figure PCTCN2020118216-appb-100002
  4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，抛物线拟合公式如下：
    Figure PCTCN2020118216-appb-100003
    Figure PCTCN2020118216-appb-100004
    渐近线拟合公式如下：
    Figure PCTCN2020118216-appb-100005
  5. 如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
    S4.将MTPA环节的输入变量表达式与MTPA拟合曲线关系式联立，求取i d、i q的值。
  6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，I s>I switch时，联立求取 i d、i q的值如下：
    Figure PCTCN2020118216-appb-100006
    I s≤I switch时，联立求取i d、i q的值如下：
    Figure PCTCN2020118216-appb-100007
    Figure PCTCN2020118216-appb-100008
  7. 一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的永磁同步电机MTPA控制曲线的拟合方法。
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