CN106788026B - 一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括如下步骤：检测电机速度，比较给定转速ω*_ref和速度反馈ω得出速度偏差e，采用PI控制器计算电机电枢电流幅值I^* _S；采用构造的MTPA检测模块输出的电流矢量角指令β，结合第一步中的PI输出I^* _S，得到d‑q轴的电流给定值，i_dref，i_qref；将d‑q轴电流给定值与电流采样得到的d‑q轴电流反馈值分别做差，经过PI控制器得到d‑q轴电压分量U_d和U_q，再经过一个park变换，得到α‑β的电压分量U_α，U_β；将第三步中的α‑β的电压分量U_α，U_β经过一个旋转变换，将高频信号注入到电压分量中，得到注入后的电压分量U^* _α，U^* _β，然后经过空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机运行。

Description

一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制 方法

技术领域

本发明涉及一种电机矢量控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。

背景技术

传统汽车尾气的大量排放迫使人们追求更加清洁的能源，电动汽车以其清洁环保的特点，受到世界各国的关注。

内嵌式永磁同步电机的调速***是保证电机良好运行的重要方面，与永磁同步电机的转矩密切相关，在永磁同步电机的调速***中，电机定子电流是一个矢量，其幅值决定电流矢量的大小，相位决定电流矢量的方向，调速控制中，主要是对电机定子电流的幅值和相位进行控制，也就是所谓的矢量控制。由永磁同步电机的数学模型可知，在d-q轴旋转坐标系下，内嵌式永磁同步电机的电磁转矩可以表示为

式中P为极对数，ψ_m为永磁体磁链，i_d，i_q为dq轴电流，L_d，L_q为d-q轴等效电感。从上式可以看出，在电机参数已知的基础下，控制i_d，i_q就可以控制电机转矩，而i_d，i_q又是由定子电流的空间矢量I_s的幅值和相位决定的，即

i_d＝-I_ssin(β)

i_q＝I_scos(β)

其中I_s为电流矢量幅值，β为电流矢量角。

对于内嵌式永磁同步电机，由于其转子磁路结构不对称，使得交直轴结构不相等，一般来说L_d<L_q。如果合理的控制β的大小，可以利用磁阻转矩提高电机的功率密度以及过载能力。为此，常采用的一种控制方式就是最大转矩电流比控制，即以最小的定子电流，产生最大输出转矩。

要实现最大转矩电流控制，电机的电流矢量β应满足

在电机参数已知的情况下，可以计算出电流矢量β应该满足

但获得准确的电机参数在实际应用中非常困难，而且内嵌式永磁同步电机的参数具有非线性，强耦合的特点，且会随着电枢电流，负载，温度的不同而发生变化。所以这种基于电机参数的计算得到电流矢量角只能作为理论参考，实际的控制效果并不理想。

目前常用的一种高性能的最大转矩电流比控制算法是基于高频信号注入的方法。基本原理是在电流矢量角β中注入一个高频的小幅值信号，然后提取转矩信号T_e中的高频分量，经过一系列的信号处理，得到的结果，用来调节电流矢量角。本发明的控制算法和***就是在信号注入的基础进行改进和创新的。

发明内容

本发明的目的是为解决现有最大转矩电流比算法参数依赖性高，控制精度和动态性能较差的问题。本发明提供了一种无需电机具体参数，动态性能和静态精度更加良好的最大转矩电流比控制方法和***。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括如下步骤：

步骤1，检测电机速度，作为电机的速度反馈，比较给定转速ω*_ref和速度反馈ω得出速度偏差e，采用PI控制器计算电机电枢电流幅值，PI控制器的输出指令I^* _S；

步骤2，根据采集的电流幅值，采用最大转矩电流比(MTPA)检测模块输出的电流矢量角指令β，结合步骤1中的PI输出I^* _S，得到d-q轴的电流给定值，i_dref，i_qref；将d-q轴电流给定值与电流采样得到的d-q轴电流反馈值分别做差，经过PI控制器得到d-q轴电压分量U_d和U_q，再经过一个park变换，得到α-β的电压分量U_α，U_β；

步骤3，将步骤2中的α-β的电压分量U_α，U_β经过一个旋转变换，将高频信号注入到电压分量中，得到注入后的电压分量U^* _α，U^* _β，然后经过空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器驱动永磁同步电机运行。

进一步，所述步骤2中MTPA检测模块，通过逆变器桥臂的开关信号，母线电压以及电流采样计算定子磁链和定子电流幅值；然后用滤波器提取出两者中特定频率的信号，经过运算处理，判断两者的相位关系，最终输出电流矢量角β的给定值。

进一步，所述MTPA检测模块具体执行如下步骤：

步骤2.1，检测三相电流幅值，i_a，i_b，i_c，并计算定子电流幅值|I_s|：

i_α＝2/3*(i_a-(i_b+i_c)/2)

i_β＝2/3*(i_b-i_c)

步骤2.2，通过逆变器桥臂的开关信号S_a，S_b，Sc，以及直流母线电压U_dc计算电压值：

U_α＝2/3*(S_a-(S_b+S_c)/2)*U_dc

U_β＝2/3*(S_b-S_c)*U_dc

步骤2.3，根据计算的电压和电流计算定子磁链幅值|ψ_s|

ψ_α＝∫(u_α-Ri_α)dt

ψ_β＝∫(u_β-Ri_β)dt

步骤2.4，将定子电流幅值和定子磁链幅值经过带通滤波器分离出ω_h的信号，将两者相乘，经过一个低通滤波器，最后送入一个积分器，积分器的输出就电流矢量角的给定值。

进一步，所述步骤3中的旋转变换为：

θ＝Asin(ω_ht)

其中，U_α，U_β是注入信号前的电压分量，U*_α，U*_β是注入信号后的电压分量；θ是要注入的高频信号，A是信号的幅值，ω_h是注入信号的频率。

进一步，注入高频信号的频率需要考虑逆变器的开关频率和电机的电角速度的基波频率，设定电机转速W r/min，极对数P，基波频率就为WP/60Hz，注入信号的频率取基波频率的2-3倍，即WP/30～WP/20Hz，注入信号的幅值A取3～8°。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法和***，不需要知道具体的电机参数(d，q轴电感L_d，L_q，永磁体磁链ψ_m)，信号注入的方式也不同于一般的信号注入方法，选择电压矢量注入而不是电流矢量角注入。这种注入方法省去了电流环PI的调节过程，使得注入效果显著。信号注入后最大转矩电流比(MTPA)的检测模块只检测定子磁链幅值和定子电流幅值。相对于常规信号注入的方法(通过高精度的转矩传感器或转速传感器来检测高频信号响应)，实现简单。当电机负载转矩和运行转速发生变换时，该算法能够始终保持输出精确的最大转矩，不受运行工况和电机参数的影响，具有良好的鲁棒性以及良好的动态性能和静态精度。

2)本发明同样适用于同步磁阻电机，永磁辅助式磁阻电机，直线永磁电机等同类电机的最大转矩控制方式。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为常见的永磁同步电机矢量控制***模型框图；

图2为本发明的空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制框图；

图3为电压源型逆变器的拓扑结构图；

图4为MTPA检测模块的结构图；

图5是使用该算法后启动转速图；

图6是使用该算法后启动转矩图；

图7是使用该算法后的三相电流图；

图8是该算法的静态精度结果图；

图9是使用该算法的转矩突变响应图；

图10是使用该算法的转速突变响应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

步骤1，检测电机速度，作为电机的速度反馈，比较给定转速ω*_ref和速度反馈ω得出速度偏差e，采用PI控制器计算电机电枢电流幅值，PI控制器的输出指令I^* _S。

如图1所示，这是常规的永磁同步电机矢量控制框图，包括如下步骤：

转速给定值ω*_ref和速度反馈ω做差，得到转速偏差e进过一个PI控制器，输出定子电流幅值I^* _S，电流矢量角β按常规采用i_d＝0的控制，即β取90°。

电流幅值I^* _S和电流矢量角β经过简单的计算得到dq轴电流给定，i_dref，i_qref给定值与测量反馈的dq轴电流分别做差，经过PI控制器输出dq轴电压给定U_d和U_q；

d-q轴电压给定值经过park变换得到α-β轴电压给定值U_α，U_β，经过SVPWM调制输出PWM波控制逆变器控制电机。

图2为本发明的一实施例的永磁同步电机最大转矩电流比的控制方法框图；

从图1和图2的对比可以看出，本发明提出的空间矢量信号注入的方法主要有两部分，一个是信号注入还有一个是MTPA检测模块；

步骤2，根据采集的电流幅值，采用MTPA(最大转矩电流比)检测模块输出的电流矢量角指令β，结合步骤1中的PI输出I^* _S.得到d-q轴的电流给定值，i_dref，i_qref；将d-q轴电流给定值与电流采样得到的d-q轴电流反馈值分别做差，经过PI控制器得到d-q轴电压分量U_d和U_q，再经过一个park变换，得到α-β的电压分量U_α，U_β。

步骤3，将步骤2中的α-β的电压分量U_α，U_β经过一个旋转变换，将高频信号注入到电压分量中，得到注入后的电压分量U^* _α，U^* _β，然后经过空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器驱动永磁同步电机运行。

信号注入模块输入是α-β轴电压给定值U_α，U_β，输出是U*_α，U*_β，具体运算如下：

θ＝Asin(ω_ht)

其中，θ是要注入的高频信号，A是信号的幅值，ω_h是注入信号的频率。需要强调的是，注入信号的频率需要考虑逆变器的开关频率和电机的电角速度的基波频率，比如电机转速W r/min，极对数P，基波频率就为WP/60Hz，经过试验，注入信号的频率选取基波频率的2-3倍最佳，即WP/30～WP/20Hz，注入信号的幅值A取3～8°最佳。经过上述操作，高频信号就可以成功的注入进电压空间矢量中了。

图3是电源型逆变器的拓扑结构图，Sa，Sb，Sc为三对桥臂的开关信号，母线电压U_dc。

图4为MTPA检测模块的结构图，输入为逆变器桥臂的开关信号Sa,Sb,Sc，母线电压U_dc以及电流采样i_a，i_b，i_c，输出为电流矢量角参考值β_ref。具体步骤如下：

1.检测三相电流幅值，i_a，i_b，i_c，并计算定子电流幅值|i_s|：

i_α＝2/3*(i_a-(i_b+i_c)/2)

i_β＝2/3*(i_b-i_c)

2.通过逆变器桥臂的开关信号Sa，Sb，Sc，以及直流母线电压U_dc计算α-β轴电压值：

U_α＝2/3*(S_a-(S_b+S_c)/2)*U_dc

U_β＝2/3*(S_b-S_c)*U_dc

3.根据步骤2中得到的电压和步骤1中得到的电流幅值|i_s|，计算定子磁链幅值|ψ_s|：

ψ_α＝∫(u_α-Ri_α)dt

ψ_β＝∫(u_β-Ri_β)dt

4.将步骤1中的定子电流幅值|i_s|和步骤3中的定子磁链幅值|ψ_s|分别经过通带频率为ω_h的带通滤波器BPF分离出ω_h的信号，将提取后的信号相乘，经过一个低通滤波器LPF，最后送入一个积分器，积分器的输出为电流矢量角的给定值β_ref。

电流矢量角给定值β_ref送入d-q轴电流计算模块，输出d-q轴电流给定i_dref，i_qref，整个算法就完成了。

图5为使用本发明算法后的转速响应，给定转速600r/min，启动0.2S后达到给定转速。

图6为使用本发明算法后的输出转矩，给定负载12.5Nm，在0.2S后转速稳定后，转矩保持12.5Nm输出。

图7是使用本发明算法后的三相电流。从图5,6,7可以看出，注入的高频信号后并没有影响电机的正常运行。

图8是使用本发明算法后，在不同负载情况下达到的稳态精度。三角是本发明算法的结果，圆点是理想结果，黑色曲线是同样电流幅值，不同电流矢量角的结果。本发明算法的稳态精度非常高，能够实现最大转矩电流比的控制要求。

图9是使用本发明算法后，转矩突变的响应结果。负载转矩由8Nm突增到12Nm，d轴电流能够迅速调整到理想值(图9虚线)。

图10是使用本发明算法后，转速突变的三相电流响应结果。负载转矩不变。在转速由600r/min突增到800r/min。电流能够迅速恢复到正常状态。

综上，本发明的一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括如下步骤：检测电机速度，比较给定转速ω*_ref和速度反馈ω得出速度偏差e，采用PI控制器计算电机电枢电流幅值I^* _S；采用构造的MTPA检测模块输出的电流矢量角指令β，结合第一步中的PI输出I^* _S.得到d-q轴的电流给定值，i_d，i_q；将d-q轴电流给定值与电流采样得到的d-q轴电流反馈值分别做差，经过PI控制器得到d-q轴电压分量U_d和U_q，再经过一个park变换，得到α-β的电压分量U_α，U_β；将第三步中的α-β的电压分量U_α，U_β经过一个旋转变换，将高频信号注入到电压分量中，得到注入后的电压分量U^* _α，U^* _β，然后经过空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机运行。

应理解上述实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测电机速度，作为电机的速度反馈，比较给定转速ω*_ref和速度反馈ω得出速度偏差e，采用PI控制器计算电机电枢电流幅值，PI控制器的输出为指令I^* _S；

步骤2，根据采集的电流幅值，采用最大转矩电流比检测模块输出的电流矢量角指令β，结合步骤1中的PI输出I^* _S得到d-q轴的电流给定值i_dref，i_qref；将d-q轴电流给定值与电流采样得到的d-q轴电流反馈值分别做差，经过PI控制器得到d-q轴电压分量U_d和U_q，再经过一个park逆变换，得到α-β的电压分量U_α，U_β；

步骤3，将步骤2中的α-β的电压分量U_α，U_β经过一个旋转变换，将高频信号注入到电压分量中，得到注入后的电压分量U^* _α，U^* _β，然后经过空间矢量脉宽调制，使用调制后的PWM信号控制牵引逆变器驱动永磁同步电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤2中最大转矩电流比检测模块，通过逆变器桥臂的开关信号，母线电压以及定子电流采样计算定子磁链和定子电流幅值；然后用滤波器提取出两者中特定频率的信号，经过运算处理，判断两者的相位关系，最终输出电流矢量角β的给定值。

3.根据权利要求2所述的一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述最大转矩电流比检测模块具体执行如下步骤：

步骤2.1，检测三相电流幅值i_a，i_b，i_c，并计算α-β轴电流值及定子电流幅值|I_s|：

i_α＝2/3*(i_a-(i_b+i_c)/2)

i_β＝2/3*(i_b-i_c)

步骤2.2，通过逆变器桥臂的开关信号S_a，S_b，Sc，以及直流母线电压U_dc计算α-β轴电压值：

U_α＝2/3*(S_a-(S_b+S_c)/2)*U_dc

U_β＝2/3*(S_b-S_c)*U_dc

步骤2.3，根据计算的电压和电流计算定子磁链幅值|ψ_s|

ψ_α＝∫(u_α-Ri_α)dt

ψ_β＝∫(u_β-Ri_β)dt

步骤2.4，将定子电流幅值和定子磁链幅值经过带通滤波器分离出ω_h的信号，将两者相乘，经过一个低通滤波器，最后送入一个积分器，积分器的输出就电流矢量角的给定值。

4.根据权利要求1所述的一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤3中的旋转变换为：

θ＝Asin(ω_ht)

其中，U_α，U_β是注入信号前的电压分量，U*_α，U*_β是注入信号后的电压分量；θ是要注入的高频角度信号，A是角度信号的幅值，ω_h是注入信号的频率。

5.根据权利要求4所述的一种空间矢量信号注入永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，注入高频信号的频率需要考虑逆变器的开关频率和电机的电角速度的基波频率，设定电机转速W r/min，极对数P，基波频率就为WP/60Hz，注入信号的频率取基波频率的2-3倍，即WP/30～WP/20Hz，注入角度信号的幅值A取3～8。