WO2022037003A1

WO2022037003A1 - 一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法

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Publication number: WO2022037003A1
Application number: PCT/CN2021/071268
Authority: WO
Inventors: 胡东海; 王晶; 何洪文; 衣丰艳; 李中延; 李江; 李中; 周稼铭
Original assignee: 江苏大学
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2022-02-24
Also published as: CN112152536A; US11671041B2; US20220337182A1; CN112152536B

Abstract

提供了一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法，属于超高速永磁同步电机控制领域。瞬态电流规划模块利用考虑电流瞬态变化的电压模型，计算超高速永磁同步电机在MTPA控制、普通弱磁控制以及MTPV控制下的电流指令值，模式切换条件判断子系统判断控制模式为MTPA控制或普通弱磁控制或MTPV控制，将相应控制模式下的d、q轴电流指令值发送给电压解耦控制模块，电压解耦控制模块计算控制电机的d、q轴电压指令值，实现超高速永磁同步电机的控制。由此扩大了超高速永磁同步电机实际输出的最高电磁转矩，从根本上解决超高速永磁同步电机调速响应弱的问题。

Description

一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法

技术领域

本发明属于超高速永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法。

背景技术

超高速永磁同步电机应用于超高速电主轴、大功率燃料电池专用空压机等场景，是重要的核心部件。当前，超高速永磁同步电机已经能够满足超高速应用场景下的极限转速需求，然而，其调速响应能力仍然差强人意。实际上，由于超高速永磁同步电机在进行电流规划时，均是基于稳态的电压模型来推导电流轨迹，在电机调速过程中所推导出的电流工作点并不是该转速下所输出的最高电磁转矩，使得电机调速响应受到限制。

现有技术多在自抗扰控制方面提高超高速永磁同步电机调速响应能力。中国专利(CN107425769A)公开了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统，采用模糊自适应滑模速度控制方法来减弱速度控制过程中的超调现象，加快系统响应速度；采用了扩展状态观测器的反馈补偿，增强系统的抗扰动能力，使用内模电流控制策略，加快d、q轴电流响应速度。该专利存在的问题是：本质上是利用扰动补偿的方法提高抗扰动能力，以此改善调速响应，无法提高电机在调速过程中所能输出的最大转矩，因此调速响应能力提升有限。

中国专利(CN110289795A)公开了一种电动汽车用永磁同步电机控制系统及控制方法，采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对转子及电流信号处理，得到控制输出信号，使用了扩张状态观测器对负载转矩进行观测，提高了控制增益的调节精确度，从而提高永磁同步电机调速系统的抗干扰能力，以此提高调速响应。该专利通过提高控制增益的调节精确度来提高抗干扰能力，仍然没有改善电机在某一转速下的最大电磁转矩输出能力，调速响应能力还有很大提升空间。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法，使电机运行在任意转速时都能输出最高电磁转矩，提高电机的调速响应能力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法，所述瞬态电流规划方法基于的瞬态电流规划系统，包括瞬态电流规划模块，所述瞬态电流规划模块包括MTPA控制子系统、普通弱磁控制子系统、MTPV控制子系统以及模式切换条件判断子系统；所述MTPA控制子系统计算MTPA控制下的d、q轴电流指令值，所述普通弱磁控制子系统计算普通弱磁控制阶段的d、q轴电流指令值，所述MTPV控制子系统计算MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值，所述模式切换条件判断子系统判断控制模式为MTPA控制或普通弱磁控制或MTPV控制，将相应控制模式下的d、q轴电流指令值发送给电压解耦控制模块，电压解耦控制模块计算控制电机的d、q轴电压指令值；

所述瞬态电流规划方法包括步骤：

步骤(1)，模式切换条件判断子系统判断是否切换为普通弱磁控制或MTPV控制，若是，则进入步骤(2)，否则进入步骤(5)；

所述是否切换通过判断d、q轴电压值是否达到限幅值作为切换点，判断公式为：

若判断公式成立，则切换为MTPA控制，否则转入步骤(2)；

步骤(2)，模式切换条件判断子系统判断电角速度采样值ω _r是否大于MTPV控制开始点转速ω _Vs，若否，则进入步骤(3)，若是，则进入步骤(4)；

步骤(3)，普通弱磁控制子系统接收MTPA控制阶段的d、q轴电流指令值

和

电角速度采样值，计算普通弱磁控制阶段的d、q轴电流指令值

所述普通弱磁控制阶段的d轴电流指令值为：

式中，a ₁、a ₂、b ₁、b ₂、A、B均为变量，且a ₁＝ω _rL _d，a ₂＝ω _rλ _PM+L _qB，B＝dI _q/dt，b ₁＝ω _rL _q，b ₂＝L _dA，A＝dI _d/dt；I _max为定子电流最大值，λ _PM为永磁体磁链，L _d为d轴电感，L _q为q轴电感，I _q为q轴电流指令初始值，I _d为d轴电流指令初始值；

所述普通弱磁控制阶段的q轴电流指令值为：

步骤(4)，MTPV控制子系统接收电角速度采样值ω _r以及d、q轴电流采样值i _d和i _q，计算MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值

所述MTPV控制阶段的d轴电流指令值计算公式为：

所述MTPV控制阶段的q轴电流指令值计算公式为：

式中，ρ、C均为变量，ρ＝L _d/L _q，C＝ρω _r[λ _PM/L _q+(ρ-1)I _d ^*][L _d I _d ^*+λ _PM+BL _q/ω _r]；

步骤(5)，电压解耦控制模块接收瞬态电流规划模块发送的d、q轴电流指令值，计算d、q轴电压指令，实现超高速永磁同步电机的控制。

进一步的技术方案，所述MTPA控制阶段的d、q轴电流指令值获取过程为：判断I _q是否大于q轴电流最大值I _qmax1，若是，则d、q轴电流指令值计算公式为：

若否，则d、q轴电流指令值计算公式为：

其中sign(n ^*)为符号函数。

进一步的技术方案，所述电流最大值I _qmax1的计算公式为：

其中I _d max1为MTPA控制下d轴电流最大值。

进一步的技术方案，所述q轴电流指令初始值由

和

得到，其中T _e为电磁转矩，ω _ref为目标转速，Δt为采样间隔，J为轴系转动惯量，n _p为极对数。

进一步的技术方案，所述MTPV控制开始点转速由MTPV控制阶段的d、q电流指令值与电流极限圆方程联立求得，具体为：

进一步的技术方案，所述普通弱磁控制阶段A、B的值为：

其中I _dr、I _qr分别为d、q轴电流采样值；I _d1、I _q1分别为普通弱磁控制阶段d、q轴电流指令值，具体为：

进一步的技术方案，所述MTPV控制阶段A、B的值为：

其中I _d2、I _q2分别为MTPV控制阶段d、q轴电流指令值，具体为：

式中E为变量。

本发明的有益效果为：本发明建立瞬态电流规划模块，利用考虑电流瞬态变化的电压模型，计算超高速永磁同步电机在普通弱磁控制阶段及MTPV控制阶段的电流指令值，得到电流轨迹；同时模式切换条件判断子系统判断超高速永磁同步电机应当采取MTPA控制或普通弱磁控制还是MTPV控制，并向电压解耦控制模块输出在该控制阶段的d、q轴电流指令，电压解耦控制模块计算d、q轴电压指令值，从而实现超高速永磁同步电机的控制。本发明能够有效提升超高速永磁同步电机调速过程的动态特性，使得电机的转矩输出能力更精确，使电机运行在任意转速时能输出电机可发挥的最高电磁转矩，提高调速响应能力。

附图说明

图1为本发明所述超高速永磁同步电机控制架构图；

图2为本发明所述超高速永磁同步电机瞬态电流轨迹规划流程图；

图3为考虑瞬态电流变化前后的电流轨迹变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统，建立瞬态电流规划模块，该模块接收目标转速ω _ref、电角速度采样值ω _r、d、q轴电流采样值i _d、i _q，利用考虑电流瞬态变化的电压模型，计算超高速永磁同步电机在MTPA控制、普通弱磁控制以及MTPV控制下的电流指令值，得到电流轨迹；同时，瞬态电流规划模块利用给出的切换规则，判断超高速永磁同步电机应当采取的控制模式(MTPA控制或普通弱磁控制或MTPV控制)，并向电压解耦控制模块输出在该控制模式下的d、q轴电流指令

由电压解耦控制模块计算d、q轴电压指令值

从而实现超高速永磁同步电机的控制。

所述瞬态电流规划模块包含MTPA控制子系统、普通弱磁控制子系统、MTPV控制子系统以及模式切换条件判断子系统。

如图2所示，一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)，转速命令输入。

步骤(2)，瞬态电流规划模块接收目标转速ω _ref、电角速度采样值ω _r以及d、q轴电流采样值i _d和i _q。

步骤(3)，通过转速调节器及PI调节器得到q轴电流指令初始值I _q，并将I _q输入MTPA控制子系统

q轴电流指令初始值I _q通过以下方法获取：

1)由转速调节器及PI调节器计算所需电磁转矩，计算公式为：

式中，Δt为采样间隔，J为轴系转动惯量；

2)根据电磁转矩方程及电流极限方程，计算得到转矩与q轴电流初始值I _q之间的关系式：

式中，n _p为极对数，λ _PM为永磁体磁链，L _d为d轴电感，L _q为q轴电感；

由公式(1)、(2)，得到电流指令初始值I _q。

步骤(4)，MTPA控制子系统计算MTPA控制阶段的d、q轴电流指令值

1)计算MTPA控制下q轴电流最大值I _qmax1，计算公式为：

式中，I _d max1为MTPA控制下d轴电流最大值，I _max为定子电流最大值；

2)判断I _q是否大于I _qmax1，若是，则d、q轴电流指令值计算公式为：

若否，则d、q轴电流指令值计算公式为：

式中：sign(n ^*)为符号函数；

步骤(5)，模式切换条件判断子系统判断是否切换为普通弱磁控制或MTPV控制，若是，则进入步骤(6)，否则进入步骤(9)；

判断是否切换为普通弱磁控制或MTPV控制是通过判断d、q轴电压值是否达到限幅值作为切换点，判断公式为：

式中，U _max为端电压限幅值；

若公式(6)成立，则切换为MTPA控制；若条件不成立，则转入步骤(6)进一步判断控制方式；

步骤(6)，模式切换条件判断子系统判断电角速度采样值是否大于MTPV控制开始点转速，即ω _r ³ω _Vs；若否，则进入步骤(7)，若是，则进入步骤(8)；

步骤(7)，普通弱磁控制子系统接收步骤(4)所计算的d、q轴电流指令值、电角速度采样值，计算普通弱磁控制阶段的d、q轴电流指令值，并进入步骤(9)；

普通弱磁控制下的d、q轴电流指令值推导过程中考虑电流瞬态变化，以提高普通弱磁控制阶段转矩的精确响应，扩大电机的转矩输出范围，达到提高调速响应能力的目的；

考虑电流瞬态变化的电压模型为：

式中，R为定子电阻，I _d为d轴电流指令初始值；

当前的应用中，为推导电流轨迹指令更加方便，通常把公式(7)中的瞬态电流压降项

省略，本发明提出的控制系统考虑了瞬态电流压降项。

在考虑电流瞬态变化后，普通弱磁控制阶段的d轴电流指令值计算公式为：

式中，a ₁、a ₂、b ₁、b ₂、A、B均为变量，a ₁＝ω _rL _d，a ₂＝ω _rλ _PM+L _qB，B＝dI _q/dt，b ₁＝ω _rL _q，b ₂＝L _dA，A＝dI _d/dt；

普通弱磁控制阶段的q轴电流指令值计算公式为：

在搭建Simulink控制模型时，将公式(8)、(9)写为m文件，方便计算普通弱磁控制阶段任意电角速度采样值时的d、q轴电流指令值。

步骤(8)，MTPV控制子系统接收电角速度采样值ω _r以及d、q轴电流采样值i _d、i _q，计算MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值

MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值推导过程中考虑电流瞬态变化，以提高MTPV控制阶段转矩的精确响应，扩大电机的转矩输出范围，达到提高调速响应能力的目的；在考虑电流瞬态变化后，MTPV控制阶段的d轴电流指令值计算公式为：

MTPV控制阶段的q轴电流指令值计算公式为：

在搭建Simulink控制模型时，将公式(10)、(11)写为m文件可方便计算MTPV控制阶段任意电角速度采样值时的d、q轴电流指令值。

此外，MTPV控制开始点转速由MTPV控制阶段的d、q电流指令值与电流极限圆方程联立求得；计算公式为：

上述过程中，考虑电流瞬态变化，需计算电流瞬态变化值，计算方法如下：

对于普通弱磁控制阶段，不考虑电流瞬态变化，联立电压极限椭圆方程及电流极限圆方程，可得d、q轴电流指令值如下：

将I _d1与I _q1分别与d、q轴电流采样值I _dr、I _qr做差，并由PID调节器即可计算出普通弱磁控制阶段A、B的值，计算公式为：

对于MTPV控制阶段，不考虑电流瞬态变化，联立电压极限椭圆方程及电磁转矩方程，可得d、q轴电流指令值如下：

其中：E为变量；

将I _d2与I _q2分别与d、q轴电流采样值I _dr、I _qr做差，并由PID调节器即可计算出MTPV控制阶段A、B的值，计算公式为：

步骤(9)，电压解耦控制模块接收瞬态电流规划模块发送来的d、q轴电流指令值

计算d、q轴电压指令

步骤(10)，坐标变换模块将d、q轴电压指令

转换为U _a和U _b，并由SVPWM模块输出六脉IGBT控制信号；与此同时，角速度计算模块、位置检测模块实时检测转子位置及电角速度采样值，以用于上述步骤的计算，完成电机控制。

如图3所示，当前超高速永磁同步电机中使用的电流轨迹是从基于稳态的电压、电流模型中得到的，其轨迹为OA→AB ₁→B ₁C ₁，其中OA段为MTPA(最大转矩电流比)控制阶段，AB ₁段为普通弱磁控制阶段，B ₁C ₁段为MTPV(最大转矩电压比)控制阶段，由于该轨迹的得出未考虑瞬态电流的影响，因此无法取得更高的转矩输出能力。在考虑瞬态电流的影响后，电压极限椭圆将向右上方移动(移动后的电压极限椭圆以虚线表示)，此时AB ₁段变为更短的AB ₂，B ₁C ₁段也将向右上移动成为B ₂C ₂，此时的B ₂C ₂段的转矩将比B ₁C ₁段更大，进而可在MTPV控制阶段获得更高的转矩输出范围。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

一种提高调速响应能力的超高速永磁同步电机瞬态电流规划方法，其特征在于，所述瞬态电流规划方法基于的瞬态电流规划系统，包括瞬态电流规划模块，所述瞬态电流规划模块包括MTPA控制子系统、普通弱磁控制子系统、MTPV控制子系统以及模式切换条件判断子系统；所述MTPA控制子系统计算MTPA控制下的d、q轴电流指令值，所述普通弱磁控制子系统计算普通弱磁控制阶段的d、q轴电流指令值，所述MTPV控制子系统计算MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值，所述模式切换条件判断子系统判断控制模式为MTPA控制或普通弱磁控制或MTPV控制，将相应控制模式下的d、q轴电流指令值发送给电压解耦控制模块，电压解耦控制模块计算控制电机的d、q轴电压指令值；

所述瞬态电流规划方法包括步骤：

步骤(1)，模式切换条件判断子系统判断是否切换为普通弱磁控制或MTPV控制，若是，则进入步骤(2)，否则进入步骤(5)；

所述是否切换通过判断d、q轴电压值是否达到限幅值作为切换点，判断公式为：

若判断公式成立，则切换为MTPA控制，否则转入步骤(2)；

步骤(2)，模式切换条件判断子系统判断转速采样值ω _r是否大于MTPV控制开始点转速ω _Vs，若否，则进入步骤(3)，若是，则进入步骤(4)；

步骤(3)，普通弱磁控制子系统接收MTPA控制阶段的d、q轴电流指令值
和
转速采样值，计算普通弱磁控制阶段的d、q轴电流指令值

所述普通弱磁控制阶段的d轴电流指令值为：

式中，a ₁、a ₂、b ₁、b ₂、A、B均为变量，且a ₁＝ω _rL _d，a ₂＝ω _rλ _PM+L _qB，B＝dI _q/dt，b ₁＝ω _rL _q，b ₂＝L _dA，A＝dI _d/dt；I _max为定子电流最大值，λ _PM为永磁体磁链，L _d为d轴电感，L _q为q轴电感，I _q为q轴电流指令初始值，I _d为d轴电流指令初始值；

所述普通弱磁控制阶段的q轴电流指令值为：

步骤(4)，MTPV控制子系统接收转速采样值ω _r以及d、q轴电流采样值i _d和i _q，计算MTPV控制阶段的d、q轴电流指令值

所述MTPV控制阶段的d轴电流指令值计算公式为：

所述MTPV控制阶段的q轴电流指令值计算公式为：

式中，ρ、C均为变量，ρ＝L _d/L _q，C＝ρω _r[λ _PM/L _q+(ρ-1)I _d ^*][L _dI _d ^*+λ _PM+BL _q/ω _r]；

步骤(5)，电压解耦控制模块接收瞬态电流规划模块发送的d、q轴电流指令值，计算d、q轴电压指令，实现超高速永磁同步电机的控制。
根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述MTPA控制阶段的d、q轴电流指令值获取过程为：判断I _q是否大于q轴电流最大值I _qmax1，若是，则d、q轴电流指令值计算公式为：
若否，则d、q轴电流指令值计算公式为：
为符号函数。
根据权利要求2所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述电流最大值I _qmax1的计算公式为：
其中I _d max1为MTPA控制下d轴电流最大值。
根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述q轴电流指令初始值由
和
得到，其中T _e为电磁转矩，ω _ref为目标转速，Δt为采样间隔，J为轴系转动惯量，n _p为极对数。
根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述MTPV控制开始点转速由MTPV控制阶段的d、q电流指令值与电流极限圆方程联立求得，具体为：
根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述普通弱磁控制阶段A、B的值为：

其中I _dr、I _qr分别为d、q轴电流采样值；I _d1、I _q1分别为普通弱磁控制阶段d、q轴电流指令值，具体为：
根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机瞬态电流规划系统的规划方法，其特征在于，所述MTPV控制阶段A、B的值为：

其中I _d2、I _q2分别为MTPV控制阶段d、q轴电流指令值，具体为：

式中E为变量。