CN110474589B - 一种感应电机效率优化的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种感应电机效率优化的控制方法。包括如下步骤：一、根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到在无约束条件下使损耗最小的励磁电流值。将q轴电流和同步角速度带入电压限制边界，得到另一个励磁电流值。二、当同步角速度小于等于基速时，采用步骤一中使损耗最小的励磁电流作为励磁电流的参考值；当同步角速度大于基速时，取两个励磁电流的最小值作为励磁电流的参考值，并将额定励磁电流作为该值的上限。三、根据步骤二中励磁电流的参考值并考虑转矩最大化和电流限制，得到q轴电流参考值的限制。该方法将电机的效率和转矩作为优化目标，考虑限制条件，在保证转矩输出能力的同时，提高了电机的效率。

Description

一种感应电机效率优化的控制方法
技术领域
本发明涉及交流感应电机控制技术领域,属于一种感应电机效率优化的控制方法。
背景技术
近来，混合动力电动车辆和电动车辆已被广泛使用，电动机作为其驱动装置起着重要作用。三相鼠笼式感应电动机(IM)在许多方面具有许多优点，如鲁棒性，可靠性，成本，最大额定功率和最大峰值速度。先进的控制策略，如磁场定向控制(FOC)或直接转矩控制(DTC)与现代电力电子设备相结合，可以精确控制电机的工作点。
当感应电机高速旋转时，其运行进入弱磁区，此时电机所能提供的最大转矩将降低，并且电压和电流必须同时满足相应的电压和电流限制。目前，大多数弱磁控制方法以最大化输出转矩的范围作为优化目标，考虑电压和电流限制并根据转速来确定励磁电流，根据参考转矩调节转矩电流，从而可以将电磁转矩的输出范围提高到最大值。
随着电动汽车的生产和普及，电机作为需要在电动汽车中长时间使用的驱动装置，其效率即使是在很小的范围内被提升，也会对节能产生重要的影响。实现感应电机效率优化的方法一般包括：设计优化、稳态工作点优化、动态过程优化三种方法，通过控制方法实现优化需要采用后两种方法，而动态过程的优化一般需要的更复杂的方法，本文采用的稳态工作点优化方法，可以通过相对容易的方法实现。根据电流的热效应和磁畴理论，感应电机作为一种能量转化装置，在将电能转化为机械能的同时，会有一部分能量被浪费在磁滞损耗和涡流损耗中，因此节能可以通过降低损耗来实现。
在选择电动机时，通常会考虑保留一定余量以提高可靠性，因此电动机可提供的转矩通常大于负载转矩。电机转速的提升是建立在电磁转矩大于负载转矩的基础上的，因此速度如果可以提升，最大电磁转矩必然要大于负载转矩，当电机运行进入稳态时，电磁转矩必然需要下降到与负载转矩相等，此时可以采取新的电流分配方法，在保持需求电磁转矩的同时，使电机损耗降到最低,进而提高电机的效率。
发明内容
本发明技术解决的问题：提出一种感应电机效率优化的控制方法，该方法在全速域范围内将效率和转矩作为优化目标，并考虑电压和电流的限制因素，设计分配d-q轴电流的方法，在保证转矩输出能力的同时，提高电机的运行效率。该方法在原有的电机矢量控制***的基础上，可以通过较为容易地修改代码实现，因此具有易于实现的特点。
一种感应电机效率优化的控制方法，包含以下步骤：
步骤一
实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系(α-β)中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为***需要的有效信息。
步骤二
根据步骤一中得到的感应电机的转速和在静止坐标系中的电流值，采用PARK变换计算定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值；采用磁链的电流型观测器计算转子磁链并计算其幅值和角度；根据电磁转矩在旋转坐标系(d-q)中的计算方法计算电磁转矩；根据计算得到的定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值，以及转子的旋转角速度，计算得到同步角速度ωe；根据电压和电流限制及额定励磁电流isdrated计算得到电机的基速ωebase。
步骤三
根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到无约束条件下使损耗最小的励磁电流：
上式中
Figure BDA0002173590740000021
Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和互感(H)，Rs、Rr为定子电阻和转子电阻(ohm)，Ri铁损耗的等效电阻，np为电机的极对数，下标s表示电机定子中的物理量，下标d表示该物理量在(d-q)坐标系中d轴上的分量。
将q轴电流isq和同步角速度ωe带入电压限制边界，得到相应的励磁电流：
Figure BDA0002173590740000031
上式中
Figure BDA0002173590740000032
Usmax为电压矢量的幅值最大值。
将参考电磁转矩
Figure BDA0002173590740000033
替换isd1表达式中的电磁转矩Te进行isd1的计算。当ωe小于等于ωebase时，采用isd1作为励磁电流的参考值，即
Figure BDA0002173590740000034
当ωe大于ωebase时，根据isd1与isd2的最小值作为励磁电流的参考值，并在输出部分以isdrated作为上限。
步骤四
根据计算得到的励磁电流的参考值并考虑转矩最大化和电流限制，可以得到q轴电流的限制，即isqlimit。
所述步骤二中磁链的电流型观测器及磁链幅值和磁链角度的计算方法如下：
Figure BDA0002173590740000035
Figure BDA0002173590740000036
Figure BDA0002173590740000037
Figure BDA0002173590740000038
上面四式中
Figure BDA0002173590740000039
为磁链(wb)，i为电流(A)，下标r表示转子中的物理量，α、β分别表示相应的物理量在对应坐标轴上的分量，p为微分算子，ωr为电机输出的机械角速度(rad/s)。
电磁转矩的计算方法如下：
Figure BDA00021735907400000310
同步角速度的计算方法如下：
Figure BDA0002173590740000041
上式中
Figure BDA0002173590740000042
电压和电流限制如下：
Figure BDA0002173590740000043
Figure BDA0002173590740000044
上式中Ismax为电流矢量的幅值最大值。
所述步骤三中的损耗模型如下：
Figure BDA0002173590740000045
上式中Ploss为电机总损耗，Pcur为转子铜损耗，Pcus为定子铜损耗，Piron为铁损耗。
所述步骤四中的q轴电流参考值的限制如下：
Figure BDA0002173590740000046
上式中
Figure BDA0002173590740000047
为一般矢量控制***中，在弱磁区考虑最大化转矩输出范围所得到的结果，
Figure BDA0002173590740000048
为电流限制的边界条件，函数min()表示取最小值。
该方法相对于以往的控制方法，可以提高电机的运行效率。
有益效果：在全速域范围内将效率和转矩作为优化目标，并考虑电压和电流的限制因素，设计分配d-q轴电流的方法，在保证转矩输出能力的同时，提高电机的运行效率。该方法在原有的电机矢量控制***的基础上，可以通过较为容易地修改代码实现，因此具有易于实现的特点。
附图说明
图1感应电机效率优化控制方法的***整体框图；
图2弱磁区，电机损耗对比图；
图3弱磁区，电机效率对比图；
图4弱磁区，电机转速响应对比图；
图5弱磁区，新方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；
图6弱磁区，以往方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；
图7基速以下，电机损耗对比图；
图8基速以下，电机效率对比图；
图9基速以下，电机转速响应对比图；
图10基速以下，新方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；
图11基速以下，以往方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提出一种感应电机效率优化的控制方法，感应电机效率优化控制方法的***整体框图如图1所示。
其中旋转变换(2s/2r)和反旋转变换(2r/2s)即为PARK和IPARK变换，3/2变换为CLARK变换。控制器部分采用4个PI控制器，分别为转速控制器(ASR)，转矩控制器(ATR)，电压控制器(ACMR)和(ACTR)，且相应控制器输出值即为相应的参考值，例如转矩控制器(ATR)的输出即为转矩参考值。
本发明提出一种感应电机效率优化的控制方法，其实施步骤如下：
步骤一
实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系(α-β)中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为***需要的有效信息；
步骤二
根据步骤一中得到的感应电机的相电流变换值和转速，采用Park变换计算定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值；采用(1-4)式计算转子磁链和磁链的幅值和磁链的角度：
Figure BDA0002173590740000061
Figure BDA0002173590740000062
Figure BDA0002173590740000063
Figure BDA0002173590740000064
上面四式中
Figure BDA0002173590740000065
为磁链(wb)，i为电流(A)，下标r表示转子中的物理量，下标s表示定子中的物理量α、β分别表示相应的物理量在对应坐标轴上的分量，p为微分算子，Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和互感(H)，Rs、Rr为定子电阻和转子电阻(ohm)，ωr为电机输出的机械角速度(rad/s)。
采用式(5)计算电磁转矩：
Figure BDA0002173590740000066
上式中np为电机的极对数，下标q表示该物理量在(d-q)坐标系中q轴上的分量。
根据计算得到的定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值，以及转子的机械角速度，采用式(6)计算得到同步角速度：
Figure BDA0002173590740000067
上式中
Figure BDA0002173590740000068
根据电压和电流限制式(8-9)及额定励磁电流isdrated计算得到电机的基速ωebase：
Figure BDA0002173590740000071
上式中Ismax为电流矢量的幅值最大值，Usmax为电压矢量的幅值最大值,
Figure BDA0002173590740000072
电压和电流限制：
Figure BDA0002173590740000073
Figure BDA0002173590740000074
步骤三
根据电机的损耗模型(11)及电磁转矩的计算方法(5)得到无约束条件下使损耗最小的励磁电流：
Figure BDA0002173590740000075
式中
Figure BDA0002173590740000076
下标d表示该物理量在(d-q)坐标系中d轴上的分量，Ri铁损耗的等效电阻。
损耗模型：
Figure BDA0002173590740000077
上式中Ploss为电机总损耗，Pcur为转子铜损耗，Pcus为定子铜损耗，Piron为铁损耗。
步骤四
将Park变换得到的isq和同步角速度ωe带入电压限制边界，即式(12)：
Figure BDA0002173590740000081
可得到相应的励磁电流isd2的值：
Figure BDA0002173590740000082
步骤五
将参考电磁转矩
Figure BDA0002173590740000083
替换式(10)中的电磁转矩Te计算isd1。当ωe小于等于ωebase时，采用isd1作为励磁电流的参考值；当ωe大于ωebase时，根据isd1与isd2的最小值作为励磁电流的参考值
Figure BDA0002173590740000084
并在输出部分以isdrated作为上限。
步骤六
将计算得到的励磁电流的参考值
Figure BDA0002173590740000085
带入下式，得到q轴电流参考值的限制isqlimit。
Figure BDA0002173590740000086
上式中
Figure BDA0002173590740000087
为一般矢量控制***中，在弱磁区考虑最大化转矩输出范围所得到的结果，
Figure BDA0002173590740000088
为电流限制的边界条件，函数min()表示取最小值。
仿真实验在Simulink中进行，下面给出本发明所提供的技术方案的仿真实验数据及结果。
电机参数：额定功率7.5kW，额定电压为380V，Rs为0.386(ohm)，Ls为0.06(H)，Rr为0.816(ohm)，Lr为0.06(H)，Ri为200(ohm)，Lm＝0.04(H)，ωebase为1545(rpm)，Usmax为461(V)，Ismax为61(A)，isdrated为40(A)，np为2。
电机的驱动采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法，逆变器主电路的直流母线电压为400(V)。
仿真中采用的效率计算公式为：
Figure BDA0002173590740000089
1.电机的参考转速为2500rpm，为了加快仿真到达稳态的时间，初始负载转矩为0Nm，并在1s时为5Nm。以往弱磁控制中采用的电压反馈控制方法，当负载转矩降低时，在弱磁区电流分配会沿电压环，因此就这种控制方法，与本发明采用的新方法设置对比仿真实验。图2和图3显示了两种方法的电机损耗、效率的对比，图4显示了两种方法的电机转速对比，图5和图6显示了两种方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果。
仿真结果表明，采用所提出的新方法得到的电机损耗较低，稳态时为214.09W，效率较高，稳态时为0.862；采用以往弱磁控制中采用的电压反馈控制方法得到的电机损耗较高，稳态时为535.10W，效率较低，稳态时为0.709。对比图4中的数据图形，两种方法的转速曲线几乎相同；观察图5和图6的数据图形，电流的跟踪效果良好，电机运行进入稳态时，新方法的d轴电流为5.93(A)，q轴电流为10.35(A)，以往方法的d轴电流为13.93(A)，q轴电流为4.27(A)，而电流分配结果的不同正是两者效率不同的原因。因此可以得出：转速位于电机的基速以上时，所提出的新方法使电机运行的效率更高。
2.电机的参考转速为700rpm，为了加快仿真到达稳态的时间，初始负载转矩为0Nm，并在0.05s时为20Nm。在矢量控制***中，转速小于基速时，一般采用额定励磁电流作为励磁电流参考值，因此就这种控制方法，与本发明采用的新方法设置对比仿真实验。图7和图8显示了两种方法的电机损耗、效率的对比，图9显示了两种方法的电机转速对比图10和图11显示了两种方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果。
仿真结果表明，采用所提出的新方法得到的电机损耗较低，稳态时为333.14W，效率较高，稳态时为0.814；采用以往弱磁控制中采用的电压反馈控制方法得到的电机损耗较高，稳态时为928.42W，效率较低，稳态时为0.601。对比图9中的数据图形，两种方法的转速曲线几乎相同；观察图10和图11的数据图形，电流的跟踪效果良好，电机运行进入稳态时，新方法的d轴电流为16.93(A)，q轴电流为14.28(A)，以往方法的d轴电流为39.85(A)，q轴电流为6.07(A)，而电流分配结果的不同正是两者效率不同的原因。因此可以得出：转速位于基速以下时，所提出的新方法使电机运行的效率更高。

Claims (4)

1.一种感应电机效率优化的控制方法，包含以下步骤：
步骤一
实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系α-β中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为***需要的有效信息；
步骤二
根据步骤一中得到的感应电机的转速和在静止坐标系中的电流值，采用PARK变换计算定子电流在旋转坐标系d-q中的值；采用磁链的电流型观测器计算转子磁链并计算其幅值和角度；根据电磁转矩在旋转坐标系d-q中的计算方法计算电磁转矩；根据计算得到的定子电流在旋转坐标系d-q中的值，以及转子的旋转角速度，计算得到同步角速度ωe；根据电压和电流限制及额定励磁电流isdrated计算得到电机的基速ωebase；
步骤三
根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到无约束条件下使损耗最小的励磁电流：
Figure FDA0002693890370000011
上式中
Figure FDA0002693890370000012
Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和互感H，Rs、Rr为定子电阻和转子电阻ohm，Ri铁损耗的等效电阻，np为电机的极对数，下标s表示电机定子中的物理量，下标d表示该物理量在d-q坐标系中d轴上的分量；
将q轴电流isq和同步角速度ωe带入电压限制边界，得到相应的励磁电流：
Figure FDA0002693890370000013
上式中
Figure FDA0002693890370000021
Usmax为电压矢量的幅值最大值；
将参考电磁转矩
Figure FDA00026938903700000211
替换isd1表达式中的电磁转矩Te计算isd1；当ωe小于等于ωebase时，采用isd1作为励磁电流的参考值，即
Figure FDA0002693890370000022
当ωe大于ωebase时，根据isd1与isd2的最小值作为励磁电流的参考值，并在输出部分以isdrated作为上限；
步骤四
根据计算得到的励磁电流的参考值并考虑转矩最大化和电流限制，可以得到q轴电流的限制值，即isqlimit。
2.根据权利要求1所述的一种感应电机效率优化的控制方法，其特征在于：所述步骤二中磁链的电流型观测器及磁链幅值和磁链角度的计算方法如下：
Figure FDA0002693890370000023
Figure FDA0002693890370000024
Figure FDA0002693890370000025
Figure FDA0002693890370000026
上面四式中
Figure FDA0002693890370000027
为磁链wb，i为电流A，下标r表示转子中的物理量，α、β分别表示相应的物理量在对应坐标轴上的分量，p为微分算子，ωr为电机输出的机械角速度rad/s；
电磁转矩的计算方法如下：
Figure FDA0002693890370000028
同步角速度的计算方法如下：
Figure FDA0002693890370000029
上式中
Figure FDA00026938903700000210
电压和电流限制如下：
Figure FDA0002693890370000031
Figure FDA0002693890370000032
上式中Ismax为电流矢量的幅值最大值。
3.根据权利要求1所述的一种感应电机效率优化的控制方法，其特征在于：所述步骤三中的损耗模型如下：
Figure FDA0002693890370000033
上式中Ploss为电机总损耗，Pcur为转子铜损耗，Pcus为定子铜损耗，Piron为铁损耗。
4.根据权利要求1所述的一种感应电机效率优化的控制方法，其特征在于：所述步骤四中的q轴电流的限制值如下：
Figure FDA0002693890370000034
上式中
Figure FDA0002693890370000035
为矢量控制***中，在弱磁区考虑最大化转矩输出范围所得到的结果，
Figure FDA0002693890370000036
为电流限制的边界条件，函数min( )表示取最小值。
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