CN104022716A - 系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，根据励磁电流的变化范围将励磁磁链进行离散化处理，然后在每一个特定的励磁磁链固定的条件下，仅以电磁转矩为变量进行直交轴电流函数的拟合，得到励磁磁链变化条件下的多条拟合曲线。***运行时，根据不同时期的励磁磁链大小，选择与其最接近的拟合曲线进行直交轴电流的计算，便可得到不同时刻直交轴电流值的给定值，最终完成变励磁同步电机的MTPA控制。

Description

系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明属于电机的控制方法领域，具体涉及一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，针对励磁电流变化的同步电机所提出的控制策略，通过采用系数拟合方法实现最大转矩电流比(MTPA)控制的方法，属于交流电机传动技术领域。

背景技术

如今大型飞机发展得十分迅速，交流航空电源***占据了越来越重要的地位。而目前，交流航空电源***主要采用三级式无刷同步电机作为***的发电机，而发动机则采用另外独立的起动机进行起动，这样的起动-发电一体化***较为复杂，体积和重量较大。然而通过控制方法使得原有的三级式无刷同步电机完成起动，即可实现起动发电一体化。如此便能省去原来的起动机，减小整体机载负担。但是，该电机设计时主要为满足发电功能，工作在电动状态时却存在如下问题：(1)当点机处于静止或低速运转时，由于较低的励磁机输出电压和较小的主发电机励磁电流，主发电机的带载起动能力收到了影响；(2)主发电机励磁电流在电机起动过程中一直处于变化之中，这是由于励磁机输出电压随着电机转速的升高而逐渐增大，导致了主发电机励磁电流也逐渐增大。

单从电机结构上看，主发电机为电励磁凸极同步电机。采用MTPA控制策略可以显著提高主发电机在静止和低速时的带载能力。对于恒励磁的电励磁同步电机或者永磁同步电机，其励磁电流或励磁磁链是保持恒定的，根据电磁转矩方程T_e＝ｎ_ｐ(ψ_di_q-ψ_qｉ_d)＝n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]，其中n_p为电机的极对数，ψ_d、ψ_q分别为直轴磁链、交轴磁链，i_d、i_q分别为定子直轴电流、定子交轴电流，L_d，L_q—定子直轴、交轴电感；ψ_f为恒定值，因此针对恒励磁的电励磁同步电机或者永磁同步电机的MTPA控制就是要满足如下的规划，以便求得直交轴电流的参考值：

$\left\{\begin{array}{c}\min ={i_d}^2+{i_q}^2\\ T_e=n_p[{\mathrm{\Ψ}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于恒励同步电机，ψ_f恒定，因此，满足MTPA控制的i_d、i_q与T_e的关系

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=f_1\left(T_e\right)\\ i_q=f_2\left(T_e\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

当ψ_f非恒定时，即同步电机的励磁电流随着转速发生着变化时，由式(1)所求解出来的满足MTPA控制的i_d、i_q与T_e的关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=f_1(T_e,{\mathrm{\Ψ}}_f)\\ i_q=f_2(T_e,{\mathrm{\Ψ}}_f)\end{array}\right.---\left(3\right)$

对于式(3)，函数f₁和f₂的精确解析式更加难于确定，且不能采用简单的二次或三次多项式进行拟合。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，

技术方案

一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对变励磁同步电机的励磁磁链数据Ψ_f进行离散化处理，得到n个离散点Ψ_fi，i＝1,2…，n；

步骤2：将每一个Ψ_fi对应的直交轴电流i_di,i_qi线性表示为：i_di＝k_1iu，i_qi＝k_2iu，其中：u为速度调节器输出，k_1i、k_2i为两个未知参数；

步骤3：把每一个励磁磁链离散点Ψ_fi代入性能指标 $P\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{2}{n}_p{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{fi}}\frac{k_{2i}}{\sqrt{(k_{1i}^2+k_{2i}^2)}}{\mathrm{\α}}^2-\frac{1}{3}{n}_p(L_d-L_q)\frac{k_{1i}{k}_{2i}}{k_{1i}^2+k_{2i}^2}{\mathrm{\α}}^3$ 中，并对其进行偏微分迭代求解，获得每个励磁磁链离散点处的两个参数k_1i、k_2i，带入直交轴电流i_di,i_qi线性表示得到直交轴电流的近似表达式，其中α为电机定子电流幅值；

步骤4：当变励磁同步电机起动时，根据变化的励磁磁链，将与励磁磁链相同数值的励磁磁链离散点Ψ_fi所对应的、步骤3得到的直交轴电流的近似表达式计算的直交轴电流做为变励磁同步电机的直交轴电流。

有益效果

本发明提出的一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，根据励磁电流的变化范围将励磁磁链进行离散化处理，然后在每一个特定的励磁磁链固定的条件下，仅以电磁转矩为变量进行直交轴电流函数的拟合，得到励磁磁链变化条件下的多条拟合曲线。***运行时，根据不同时期的励磁磁链大小，选择与其最接近的拟合曲线进行直交轴电流的计算，便可得到不同时刻直交轴电流值的给定值，最终完成变励磁同步电机的MTPA控制。

本发明方法具有以下有益效果：

1)采用系数拟合方法进行直交轴电流函数的拟合，解决了变励磁同步电机MTPA控制中直交轴电流函数难以获得的问题；

2)本发明方法中采用的系数拟合方法简单有效，具有拟合程度好，所占内存小的优势；

3)变励磁电机在起动过程中往往会因为励磁电流的改变产生转矩脉动，采用系数拟合方法能有效的减小起动时期的转矩脉动，使整个起动过程较为平滑。

附图说明

图1：三级式无刷同步起动/发电***结构图

图2：变励磁同步电机控制方法的流程图

图3：变励磁同步电机最大转矩电流比控制原理图

图4：励磁电流随电机转速变化曲线

图5：不同励磁磁链下直轴电流的曲线拟合

图6：不同励磁磁链下交轴电流的曲线拟合

图7：变励磁同步电机最大转矩电流比控制仿真结果——转速与转矩曲线

图8：变励磁同步电机最大转矩电流比控制仿真结果——A相电流曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

变励磁同步电机MTPA控制的控制结构图如图2所示，通过加入MTPA系数拟合模块实现变励磁条件下的MTPA控制。

变励磁同步电机MTPA控制与传统恒励磁或者永磁同步电机MTPA控制相比，最大区别在于直交轴电流的MTPA解算模块，本发明主要针对控制结构图中的直交轴电流解算模块，提出一种系数拟合的方法，即在式(3)的前提下，根据励磁电流的变化范围将励磁磁链进行离散化处理，然后在每一个特定的励磁磁链固定的条件下，仅以电磁转矩为变量进行直交轴电流函数的拟合，得到励磁磁链变化条件下的多条拟合曲线。***运行时，根据不同时期的励磁磁链大小，选择与其最接近的拟合曲线进行直交轴电流的计算，便可得到不同时刻直交轴电流值的给定值，最终完成变励磁同步电机的MTPA控制。

为验证本发明方法，采用Matlab2012a-Simulink7.0进行仿真验证。仿真中电励磁同步电机参数为：极对数n_p＝3；定子绕组电阻R_s＝10.3mΩ；直轴电感L_d＝0.63mH；交轴电感L_q＝0.31mH；互感L_m＝6mH；给定转速为3500(r/min)。励磁电流随转速变化的曲线如图3所示。具体仿真条件设定为：起动负载为15Nm，500(r/min)之后逐渐升高至45Nm，当电机转矩达到2200(r/min)时，负载又逐渐下降，至负载为6Nm时稳定。三级式无刷同步起动/发电***结构图如图1所示，变励磁同步电机最大转矩电流比控制原理图如图2所示，整个控制方法的流程图如图3所示。

实施包含的具体步骤如下：

(1)励磁磁链Ψ_f的变化范围为0.06～0.144Wb，所以将其离散为0.06、0.072、0.084、0.096、0.108、0.12、0.132、0.144；

(2)将直轴、交轴电流线性表示；

(3)把每一个励磁磁链离散点代入性能指标

$P\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{2}{n}_p{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{fi}}\frac{k_{2i}}{\sqrt{(k_{1i}^2+k_{2i}^2)}}{\mathrm{\α}}^2-\frac{1}{3}{n}_p(L_d-L_q)\frac{k_{1i}{k}_{2i}}{k_{1i}^2+k_{2i}^2}{\mathrm{\α}}^3$ 中并对其进行偏微分迭代

求解，得到的不同励磁电流条件下的直交轴电流近似表达式如下表所示，在直

角坐标系中的表示如图5、6所示；

励磁磁链	励磁电流	直轴电流id拟合多项式	交轴电流iq拟合多项式
				0.06	10	id1＝0.2059*u	iq1＝0.9785*u
0.072	12	id2＝0.1914*u	iq2＝0.9815*u
				0.084	14	id3＝0.1774*u	iq3＝0.9841*u
0.096	16	id4＝0.16645*u	iq4＝0.9860*u
				0.108	18	id5＝0.15278*u	iq5＝0.98826*u
0.12	20	id6＝0.14220*u	iq6＝0.9898*u
				0.132	22	id7＝0.13270*u	iq7＝0.99115*u
0.144	24	id9＝0.12423*u	iq9＝0.99225*u

(4)根据获得的不同励磁磁链下直交轴电流拟合函数为基础，编写直交轴电流MTPA解算模块。该模块的输入为励磁电流(记为i_f)和速度调节器输出(记为u)，输出为直轴电流给定值和交轴电流给定值。

这里以直轴电流解算为例给出具体的实现方法，交轴电流与之类似:

function id＝fcn(u,i_f)

if(i_f<＝11)

id＝0.2059*u；

elseif(i_f<＝13)

id＝0.1914*u；

elseif(i_f<＝15)

id＝0.1774*u；

elseif(i_f<＝17)

id＝0.16645*u；

elseif(i_f<＝19)

id＝0.15278*u；

elseif(i_f<＝21)

id＝0.1422*u；

elseif(i_f<＝23)

id＝0.1327*u；

else

id＝0.12423*u；

end

以图2为基础，在Matlab中建立变励磁同步电机MTPA控制仿真模型，其中直轴电流MTPA解算模块按照上述内容编写，最终获得仿真结果如图7、8所示。

Claims (1)

1.一种系数拟合的变励磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对变励磁同步电机的励磁磁链数据Ψ_f进行离散化处理，得到n个离散点Ψ_fi，i＝1,2…，n；

步骤2：将每一个Ψ_fi对应的直交轴电流i_di,i_qi线性表示为：i_di＝k_1iu，i_qi＝k_2iu，其中：u为速度调节器输出，k_1i、k_2i为两个未知参数；

步骤3：把每一个励磁磁链离散点Ψ_fi代入性能指标 中，并对其进行偏微分迭代求解，获得每个励磁磁链离散点处的两个参数k_1i、k_2i，带入直交轴电流i_di,i_qi线性表示得到直交轴电流的近似表达式，其中α为电机定子电流幅值；

步骤4：当变励磁同步电机起动时，根据变化的励磁磁链，将与励磁磁链相同数值的励磁磁链离散点Ψ_fi所对应的、步骤3得到的直交轴电流的近似表达式计算的直交轴电流做为变励磁同步电机的直交轴电流。