CN104201960A - 一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，包括采集电机的当前速度和当前电流，根据当前速度与目标速度的速度差值计算得到电流增量，利用该电流增量调整当前电流，用以对电机进行SVPWM控制；在调整当前电流时，先根据当前电流校正电机的电感，并利用校正后的电感和所述的电流增量，基于最大转矩电流比控制法计算得到d轴电流增量和q轴电流增量，利用所述的d轴电流增量和q轴电流增量对当前电流中对应的分量进行调整。本发明根据电机的电流实时调整电机的q轴电感和d轴电感，保证了电流和电感的同步性，大大提高了电机的控制精度，且有利于减小电机对负载扰动或目标速度变化的响应速度。

Description

一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法。

背景技术

传统的电梯驱动主要是以异步电机作为曳引电机，配合异步变频器完成驱动，但这种驱动方式体积大，工作效率低、噪音大，而且需要相应的减速装置等配合。目前，永磁同步电机加变频器的驱动方式正逐步取代传统的驱动方式，永磁同步电机的功率密度、效率都很高，而且结构也相对简单，是很好的节能电机。近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。然而随着稀土永磁材料价格迅速增长，而且存在比较大的浮动，提高了永磁同步电机的成本，使其发展受限制。在该背景下，基于永磁同步磁阻电机应用逐渐受到了广泛关注。

矢量控制技术是常用的永磁同步电机控制方法，如公开号为102386834A的中国发明专利申请公开了一种永磁同步电机的矢量控制方法：将等效于转子坐标系下的d轴电流和q轴电流解耦，通过PI调节获得d轴电压和q轴电压，进行空间矢量脉宽调制，用调制后的信号控制牵引逆变器以驱动电机运行；作为解耦控制信号的d轴电流的给定值和q轴电流的给定值通过如下方法获得：将转子实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；根据实际角速度信号获得d轴电流的调节值；根据d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值获得d轴电流的给定值；根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值；利用得到的d轴电流和q轴电流的给定值进行解耦，通过PI调节获得d轴电压和q轴电压，然后进行空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器以驱动永磁同步电机运行。

在永磁同步磁阻电机中，由于磁路饱和对电机的电感会产生影响，且在电机电流不同的情况下，磁路的饱和程度也不相同，当永磁同步磁阻电机的电流不同时，其q轴电感和d轴电感会有所不同。但现有的永磁同步磁阻电机控制方法中均未考虑电感的变化，控制过程中使用的电感的大小固定不变，这会直接影响到控制算法的准确性，且还会降低电机对负载扰动的响应速度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法。

一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，包括采集电机的当前速度和当前电流，根据当前速度与目标速度的速度差值计算得到电流增量，利用该电流增量调整当前电流，用以对电机进行SVPWM控制；调整当前电流的方法如下：

根据当前电流校正电机的电感，并利用校正后的电感和所述的电流增量，基于最大转矩电流比控制法计算得到d轴电流增量和q轴电流增量，利用所述的d轴电流增量和q轴电流增量对当前电流中对应的分量进行调整。

本发明中根据电机的当前速度与目标速度的速度差值，以及电机参数，利用PID调节器以及最大转矩电流比控制模块，计算得到电流增量。

本发明的最大转矩电流比控制方法中利用电机的当前电流校正电机的电感，能够根据电机的电流大小实时调整电机的电感，避免了现有的最大转矩电流比控制方法中的电感值固定所导致的控制精度下降的问题，大大提高了控制精度，且有利于减小电机对负载扰动或目标速度(控制目标)变化的响应速度。

本发明中采集当前电流实际上为电机的定子的电流，采集时需要采集三相当前电流，对采集到的三相当前电流进行clark&park变换，得到当前电流中的q轴电流分量和d轴电流分量。在利用当前电流进行电感校正时仅需要用到一相当前电流，从采集到的三相中任选一相即可。

通过以下步骤计算q轴电流增量和d轴电流增量：

(1)根据公式：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_f}^2+8{(L_q-L_d)}^2{{\mathrm{\Δi}}_s}^2}}{4(L_q-L_d)i_s}$

计算电流分配角φ，其中，L_q、L_d分别为校正后的q轴电感和d轴电感，ψ_f为磁链，Δi_s为电流增量；

(2)根据电流分配角φ和电流增量Δi_s计算q轴电流增量和d轴电流增量。

电机的电流分配角φ是定子电流(即当前电流)与q轴电流的夹角，根据以上公式计算得到的q轴电流增量Δi_q和d轴电流增量Δi_d具有正负性。

校正电机的电感的方法如下：

电机的电感包括电机的q轴电感和d轴电感，获取电机的q轴电感和d轴电感与电流的区间对应关系，利用所述的区间对应关系，根据当前电流的大小确定当前电流对应的q轴电感和d轴电感，分别作为校正后的q轴电感和d轴电感。

在电机运行过程中，电机的q轴电感和d轴电感与电机的电流存在一定的区间对应关系。因此，以正常情况下电机的电流与电感的区间对应关系作为参考，以完成对电感的校正。

通过以下方法获取所述的区间对应关系：

获取电机的电流在设定的电流变化范围内的电流-电感关系曲线，并根据电感大小，将电流变化范围划分为若干个电流区间，针对每个电流区间，分别根据该电流区间对应的q轴电感和d轴电感的最大值和最小值确定该电流区间对应的q轴电感和d轴电感，即得到所述的区间对应关系。

本发明中针对每个电流区间，可直接以该电流区间对应的q轴电感的最大值或最小值作为该电流区间对应的q轴电感，也可以采用最大值和最小值的和的一半作为该电流区间对应的q轴电感。同理，可以确定各个电流区间对应的d轴电感。为保证控制精度，每个电流区间对应的q轴电感或d轴电感的最大值与最小值的差值不可过大。作为优选，每个电流区间对应的q轴电感或d轴电感的最大值与最小值的差值为0.01～0.05mH。

本发明中电流变化范围根据电机的功率和额定电流，一般设定为额定电流的2～3倍。

本发明中还可以通过以下方法获取所述的区间对应关系：

将电机的电流按照大小分为若干个电流区间，在每个电流区间内，设定一个电流值，获取电机的电流为该电流值时的q轴电感和d轴电感，并作为该电流区间对应的q轴电感和d轴电感。

由于电感随电流的波动变化较小，因此，为便于测试提高测试效率，直接将设定的电流变化范围划分为若干个电流区间，每个电流区间仅测试一个电流值对应的q轴电感和d轴电感。这样得到的区间对应关系组成两个方波信号表示，横轴为电流，纵轴分别为q轴电感和d轴电感。每个电流区间的电流值的间隔可根据实际情况设定。且对于每个电流区间，若对应的电感变化较大(最大值与最小值的差大于设定阈值，本发明中该阈值为0.01～0.05mH)，进一步对电流区间进行细分，对于细分后得到的电流区域重新测试对应的q轴电感和d轴电感。通过对电流区域的细分，可以减小校正得到的q轴电感和d轴电感与实际值的差异，提高校正精度，进而提高控制精度。

得到区间对应关系后，通过以下方法确定校正后的q轴电感和d轴电感：

根据当前电流的大小确定当前电流所处的电流区间，根据区间对应关系获取该电流区间对应的q轴电感和d轴电感，并作为校正后的q轴电感和d轴电感。

将当前电流中的d轴电流与d轴电流增量的求和，作为调整后的d轴电流；将当前电流中的q轴电流与q轴电流增量的求和，作为调整后的q轴电流。

求和时应该保留d轴电流增量和d轴电流增量具有正负性，利用调整后的q轴电流和d轴电流进行空间矢量控制。实际上在进行空间矢量控制时，还需要输入电机的电角度的变化值。

本发明还提供了一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制***，包括：

速度采样模块，用于采集永磁同步磁阻电机的当前速度；

电流采样模块，用于采集永磁同步磁阻电机的当前电流；

最大转矩电流比控制模块，用于根据电机的当前速度和设定的目标速度的速度差，利用电机的电感计算得到q轴电流增量和d轴电流增量，还用于利用计算得到的q轴电流增量和d轴电流增量对当前电流中对应的分量进行调整；

SVPWM控制模块，用于根据调整后的q轴电流增量和d轴电流增量输出相应的SVPWM脉冲信号；

变频器，用于根据SVPWM脉冲信号控制永磁同步磁阻电机运行；还包括：

电感校正模块，用于根据电流采样模块采集到的当前电流对电机的电感进行校正；相应的最大转矩电流比控制模块利用校正后的电机的电感计算得到q轴电流增量和d轴电流增量。

与现有的最大转矩电流比控制方法中使用固定的q轴电感和d轴电感相比较，本发明的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法和***中，根据电机的电流实时调整电机的q轴电感和d轴电感，保证了电流和电感的同步性，大大提高了电机的控制精度，且有利于减小电机对负载扰动或目标速度(控制目标)变化的响应速度。

具体实施方式

图1为本实施例的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法的原理图；

图2为本实施例的永磁同步磁阻电机的电流与电感的关系曲线；

图3为id＝0控制、未进行电感校正的最大转矩电流比控制、电感修正的最大转矩电流比控制三种方式下，不同负载时永磁同步磁阻电机的电流变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

(S1)通过速度采样采集电机的当前速度；通过电流采样采集电机的当前电流。

本实施例中通过电流传感器采集电机的定子电流作为当前电流。本实施例中采用编码器采集电机的转子的转速作为电机的当前速度。采集当前电流时需要采集三相当前电流，对采集到的三相当前电流进行clark和park变换，得到当前电流中的q轴电流分量和d轴电流分量。在利用当前电流进行电感校正时仅需要用到一相当前电流，从采集到的三相中任选一相即可。

(S2)基于最大转矩电流比控制方法，根据当前速度与目标速度的速度差值计算得到电流增量；

根据当前速度校正电机的电感，根据校正后的电感，利用该电流增量调整当前电流，用以对电机进行SVPWM控制。

SVPWM控制电机的具体方法是根据调整后的q轴电流增量和d轴电流增量输出相应的SVPWM脉冲信号，利用该SVPWM脉冲信号控制变频器(本实施例为IGBT功率模块或IPM逆变器)，进而控制电机(即永磁同步磁阻电机)运行。

本实施例中电机的电感包括q轴电感和d轴电感，通过如下步骤校正电机的电感：

(a)获取电机的电流在设定的电流变化范围内的电流-电感关系曲线如图所示。根据电感大小，将电流变化范围划分为若干个电流区间，针对每个电流区间，根据该电流区间对应的q轴电感的最大值和最小值确定该电流区间对应的q轴电感，根据该电流区间对应的d轴电感的最大值和最小值确定该电流区间对应的d轴电感，即得到电流-电感的区间对应关系。

本实施例中设定的电流变化范围为0～80A，对于每个电流区间，以该区间对应的最大的q轴电感作为该电流区间对应的q轴电感，以最大的d轴电感作为该电流区间对应的d轴电感。

将电流变化范围划分为若干个电流区间时，按照电感大小划分，使每个电流区间对应的q轴电感或d轴电感的最大值与最小值的差值为0.01～0.05mH(本实施例为0.05mH)。

(b)利用电机的q轴电感和d轴电感与电流的区间对应关系，根据当前电流的大小确定当前电流所处的电流区间，以区间对应关系中该电流区间对应的q轴电感和d轴电感作为校正后的q轴电感和d轴电感。

本实施例中根据校正后的q轴电感和d轴电感，利用该电流增量调整当前电流的方法如下：

基于最大转矩电流比控制法计算得到d轴电流增量和q轴电流增量，包括如下步骤：

(1)根据公式：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_f}^2+8{(L_q-L_d)}^2{{\mathrm{\Δi}}_s}^2}}{4(L_q-L_d)i_s}$

计算电机的电流分配角φ(i_s与i_q的夹角)，其中，L_q、L_d分别为校正后的q轴电感和d轴电感，ψ_f为磁链，Δi_s为电流增量；

(2)根据电流分配角φ和电流增量Δi_s计算q轴电流增量和d轴电流增量：

Δi_d＝-Δi_s×sinφ

Δi_q＝Δi_s×cosφ

计算q轴电流增量Δi_q和d轴电流增量Δi_d。

利用计算得到q轴电流增量和d轴电流增量调节当前电流中的相应的分量：

将当前电流中的q轴电流与q轴电流增量的求和，作为调整后的q轴电流；将当前电流中的d轴电流分量与d轴电流增量的求和，作为调整后的d轴电流。

图3分别为id＝0控制、未进行电感校正的最大转矩电流比控制和本实施例的最大转矩电流比控制三种方式下，不同负载时永磁同步磁阻电机的电流变化曲线。从图中可以看出，不同的负载下，三种控制方式下的电流差异。从本实施例的进行电感校正的最大转矩电流比控制与未进行电感校正的最大转矩电流比控制对应的电流与负载的曲线可以明显看出，本实施例的进行电感校正的最大转矩电流比控制方法下的电流值小于未进行电感校正的最大转矩电流比控制方法下的电流值，曲线前端差值所占比重较大(由于电流本身相对较小，但差值与电流值的比值却比曲线末端更大)，由于随着电流变大，q轴电感值变化趋于稳定，所以在曲线末端电感校正前与校正后电流差值趋于稳定。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，包括采集电机的当前速度和当前电流，根据当前速度与目标速度的速度差值计算得到电流增量，利用该电流增量调整当前电流，用以对电机进行SVPWM控制；其特征在于，调整当前电流的方法如下：

根据当前电流校正电机的电感，并利用校正后的电感和所述的电流增量，基于最大转矩电流比控制法计算得到d轴电流增量和q轴电流增量，利用所述的d轴电流增量和q轴电流增量对当前电流中对应的分量进行调整。

2.如权利要求1所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，通过以下步骤计算q轴电流增量和d轴电流增量：

(1)根据公式：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_f}^2+8{(L_q-L_d)}^2{{\mathrm{\Δi}}_s}^2}}{4(L_q-L_d)i_s}$

计算电流分配角φ，其中，L_q、L_d分别为校正后的q轴电感和d轴电感，ψ_f为磁链，Δi_s为电流增量；

(2)根据电流分配角φ和电流增量Δi_s计算q轴电流增量和d轴电流增量。

3.如权利要求2所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据公式：

Δi_d＝-Δi_s×sinφ

Δi_q＝Δi_s×cosφ

计算q轴电流增量Δi_q和d轴电流增量Δi_d。

4.如权利要求1～3中任意一项权利要求所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，校正电机的电感的方法如下：

电机的电感包括电机的q轴电感和d轴电感，获取电机的q轴电感和d轴电感与电流的区间对应关系，利用所述的区间对应关系，根据当前电流的大小确定当前电流对应的q轴电感和d轴电感，分别作为校正后的q轴电感和d轴电感。

5.如权利要求4所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，通过以下方法获取所述的区间对应关系：

获取电机的电流在设定的电流变化范围内的电流-电感关系曲线，并根据电感大小，将电流变化范围划分为若干个电流区间，针对每个电流区间，分别根据该电流区间对应的q轴电感和d轴电感的最大值和最小值确定该电流区间对应的q轴电感和d轴电感，即得到所述的区间对应关系。

6.如权利要求5所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，每个电流区间对应的q轴电感或d轴电感的最大值与最小值的差值为0.01～0.05mH。

7.如权利要求5所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，通过以下方法确定校正后的q轴电感和d轴电感：

根据当前电流的大小确定当前电流所处的电流区间，根据区间对应关系获取该电流区间对应的q轴电感和d轴电感，并作为校正后的q轴电感和d轴电感。

8.如权利要求7所述的永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，将当前电流中的d轴电流与d轴电流增量的求和，作为调整后的d轴电流；

将当前电流中的q轴电流与q轴电流增量的求和，作为调整后的q轴电流。