CN111245328B - 查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法 - Google Patents

查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：分别设计d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表，分别查询d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表得到d轴基础电流给定和q轴基础电流给定；设置转矩调节器，转矩调节器的输出是q轴电流附加调节量；设置弱磁调节器，弱磁调节器的输出是d轴电流附加调节量，最终使用的d轴电流给定值是d轴基础电流给定与d轴电流附加调节量之和，最终使用的q轴电流给定值是q轴基础电流给定与q轴电流附加调节量之和。本发明能够兼顾***动态响应性能和控制精度。

Description

查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法。
背景技术
和异步牵引电机相比，永磁同步牵引电机具有功率因数高、***效率高、转矩密度大、变频器容量小和动态响应能力强的优点。尤其是最近的二十年内，稀土永磁材料快速发展，新型永磁材料具有高剩磁密度、高磁能积和高矫顽力等特点，使得永磁同步电机得到快速发展。我们日常使用的电机多为三相电机，而双三相电机可以在较小的绕组电流下，实现更大的输出转矩，有利于提高电机的功率密度和转矩密度。双三相永磁同步电机，同时具备了永磁电机和多相电机的优点，在舰船电力推进、轨道交通牵引和电动汽车领域具有光明的应用前景。
对于永磁同步电机，以转速为控制目标的是转速控制模式；以转矩为控制目标的是转矩控制模式。即使在转速控制模式下，常常也会以输出转矩控制作为调节转速的手段。因此说高效准确的转矩控制对于永磁同步电机来讲非常重要。轨道交通车辆通常就工作在转矩控制模式，以跟踪转矩指令为控制目标。此外，对于需要运行在高速区的永磁同步电机，需要实施准确的弱磁控制，以弥补逆变器直流母线电压不足的问题。高效准确的弱磁控制既可以保证电机的稳定性，又可以提高直流母线电压的利用率，对于永磁同步电机来讲，同样非常重要。
转矩控制和弱磁控制对于永磁同步电机都非常重要，那么在电机高速区能够兼顾转矩控制和弱磁控制的高性能控制方法研究就更加重要。本发明内容的技术背景就是考虑转矩控制精度、转矩响应速度、弱磁控制精度、弱磁响应速度条件下的永磁同步电机高性能控制方法。
有一种永磁同步电机控制方法叫做查表法，其控制框图如图1所示，这是一种常用的电机控制方法。在图1中，直轴(也称d轴)电流给定和交轴(也称q轴)电流给定分别是通过查询
Figure BDA0002322805840000021
二维电流表和
Figure BDA0002322805840000022
二维电流表得到的，二维电流表的第一个维度是转矩给定
Figure BDA0002322805840000023
第二个维度是电机的归一化转速ωu。归一化转速的表达式如(1)、(2)所示，其中ωre是转子电加速度，Vdc是逆变器的直流母线电压，Vm是直流母线电压对应的最大相电压基波峰值。
Figure BDA0002322805840000024
Figure BDA0002322805840000025
两个二维电流表可以通过电机的有限元模型仿真得到，也可以通过大量实验数据提取得到。查表法可以根据转矩指令、电机转速和直流母线电压情况，快速的得到d轴电流给定和q轴电流给定，具有非常好的动态响应性能。尤其是在电机的基速以上，既满足转矩指令要求，又满足弱磁控制要求，非常的简单高效。但是由于电机参数在运行中可能受到环境影响，出现电机参数漂移，查表法往往难以达到相当高的转矩控制精度和弱磁控制精度。
还有一种永磁同步电机控制方法叫做调节器法，其控制框图如图2所示，这也是一种常用的永磁同步电机控制方法。在该方法中，首先通过MTPA控制算法得到基础的d轴电流给定idM和q轴电流给定iqM，需要特别强调的是，这里的MTPA算法仅考虑电机的转矩指令，并根据电机参数计算出最优的d轴电流给定idM和q轴电流给定iqM，如(3)所示，使电机在该转矩输出下绕组电流幅值最小，由于idM和iqM的表达式过于复杂，通常用二次多项式进行拟合得到由
Figure BDA0002322805840000031
计算idM和iqM的表达式。这里的MTPA算法没有将电机的转速和直流母线电压情况考虑进来，是在直流母线电压足够高的情况下理论计算值。
Figure BDA0002322805840000032
在d轴电流给定idM和q轴电流给定iqM的基础上，进一步应用转矩调节器和弱磁调节器生成附加转矩调节电流Δiq和弱磁调节电流Δid，MTPA算法计算的电流给定和弱磁调节器生成的附加电流给定共同作用，作为最终的d轴电流给定和q轴电流给定。
针对永磁同步电机的调节器控制方法，MTPA计算得到的初始d轴电流给定idM和q轴电流给定iqM与最终使用的d轴电流给定
Figure BDA0002322805840000041
和q轴电流给定
Figure BDA0002322805840000042
存在较大的差异，因此转矩调节器和弱磁调节器的输出波动范围很大。在高速弱磁区，如果转矩指令发生突变或者母线电压发生突降，会导致转矩调节器和弱磁调节器的输出大范围变化，影响了电机的动态响应性能，容易产生电流环饱和以及转矩响应速度慢。
综上所述，基于查表的永磁同步电机控制方法具有动态响应性能好的优点，而且其简单易用。但是查表法无法应用电机参数随环境漂移的问题，存在转矩控制精度和弱磁控制精度不高的问题，不适合在在高精度应用场合使用。基于调节器的永磁同步电机控制方法，其转矩控制精度和弱磁控制精度都比较高，但是其调节器输出范围需要大范围变化，存在动态响应能力不足的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，能够兼顾***动态响应性能和控制精度。
本发明提供了一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：
分别设计d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表，根据转矩给定和归一化转速分别查询d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表得到d轴基础电流给定和q轴基础电流给定；
设置转矩调节器，转矩调节器的给定是转矩给定，转矩调节器的反馈是转矩观测值，转矩调节器的输出是q轴电流附加调节量；
设置弱磁调节器，弱磁调节器的给定是最大允许电机基波相电压峰值，弱磁调节器的反馈是逆变器输出的基波相电压峰值，弱磁调节器的输出是d轴电流附加调节量
最终使用的d轴电流给定值是d轴基础电流给定与d轴电流附加调节量之和，最终使用的q轴电流给定值是q轴基础电流给定与q轴电流附加调节量之和。
上述技术方案还包括以下步骤：d轴电流调节器根据d轴电流给定值与d轴电流值的差值生成两相旋转坐标系下d轴电压分量，q轴电流调节器根据q轴电流给定值与q轴电流值的差值生成q轴电压分量；将上述电压差值分量分别进行坐标变换计算得到d轴的电压控制量和q轴的电压控制量，其经过空间矢量调制后产生驱动逆变器的脉冲信号；逆变器用于驱动双三相永磁同步电机。
上述技术方案还包括以下步骤：通过电流传感器获取永磁同步电机的相电流值；所述永磁同步电机的相电流值经过坐标变换得到d轴电流值和q轴电流值。
上述技术方案还包括以下步骤：d轴电流值和q轴电流值通过转矩观测计算得到转矩观测值。
上述技术方案中，通过d轴电压分量和q轴电压分量计算得到逆变器输出的相电压。
上述技术方案中，通过传感器获取永磁同步电机的转子位置，所述转子位置用于坐标变换运算。
上述技术方案中，弱磁调节器的输出小于或大于零，弱磁调节器输出小于或等于MTPA算法得到的d轴电流给定和d轴基础电流给定的差值。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
采用本发明的技术方案，可以克服查表法控制方法的不足，避免了查表法中转矩控制精度和弱磁控制精度不高的问题，保留了查表法的高动态响应性能。采用本发明的技术方案，可以克服调节器控制方法的不足，避免了转矩调节器和弱磁调节器输出大范围变化引起的动态响应能力不足的问题，保留了调节器法转矩控制精度和弱磁控制精度高的优点。本发明的技术方案使两种传统永磁同步电机控制方法优势互补，同时具备了两种传统方法的优势，克服了两种传统方法的不足。
采用本发明的技术方案，使用查表得到的基础电流给定idT引起电机端口电压高于umax时，d轴电流附加调节量Δid＜0，使用查表得到的基础电流给定idT引起电机端口电压小于umax时，d轴电流附加调节量Δid＞0。同时还限制了Δid≤idM-idT，防止在低速区弱磁调节输出的正的附加调节量。这样既可以保证弱磁控制的精度，又防止了低速区弱磁调节器的介入。
附图说明
图1基于查表的永磁同步电机控制方法示意图
图2基于转矩调节器和弱磁调节器的永磁同步电机控制方法示意图
图3本发明采用的查表法结合转矩调节器和弱磁调节器的永磁同步电机控制方法示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图3所示，本发明提供了一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，具体包括以下步骤：
设计两个二维电流表，分别是d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表，二维电流表的第一个维度是电磁转矩给定
Figure BDA0002322805840000071
第二个维度是电机的归一化转速ωre/Vm。这两个二维电流表可以通过电机的有限元模型仿真得到，也可以根据电机的实验数据拟合得到。电机运行过程中，根据转矩给定
Figure BDA0002322805840000072
和归一化转速ωre/Vm，查表得到d轴和q轴的基础电流给定idT和iqT。
设计转矩调节器和弱磁调节器.转矩调节器的给定是
Figure BDA0002322805840000081
转矩调节器的反馈是转矩观测值Tecal，通过d轴电流值和q轴电流值进行转矩观测计算得到转矩观测值。转矩调节器的输出是q轴电流附加调节量Δiq。
弱磁调节器的给定是最大允许电机基波相电压峰值umax，弱磁调节器的反馈是逆变器输出的基波相电压峰值，通过d轴电压分量vd和q轴电压分量vq计算得到逆变器输出的基波相电压峰值；弱磁调节器的输出是d轴电流附加调节量Δid。
将基础电流给定idT和弱磁调节附加电流给定Δid求和，得到最终使用的d轴电流给定
Figure BDA0002322805840000082
将基础电流给定iqT和转矩调节附加电流给定Δiq求和，得到最终使用的q轴电流给定
Figure BDA0002322805840000083
采用电流给定
Figure BDA0002322805840000084
和
Figure BDA0002322805840000085
对永磁同步电机实施常规的矢量控制策略。
其中，弱磁调节器的输出Δid的值可以大于零也可以小于零，是一种可以双向输出的弱磁调节器，这不同于传统的单向输出弱磁调节器，在单向输出弱磁调节器中，Δid必须小于零。在双向输出的弱磁调节器中，Δid的值必须满足限幅条件Δid≤idM-idT，其中的idM即由MTPA算法计算得到的d轴电流给定
Figure BDA0002322805840000086
d轴电流调节器根据d轴电流给定值
Figure BDA0002322805840000087
与d轴电流值id的差值生成两相旋转坐标系下d轴电压分量，q轴电流调节器根据q轴电流给定值
Figure BDA0002322805840000088
与q轴电流值iq的差值生成q轴电压分量；将上述电压差值分量分别进行坐标变换计算得到d轴的电压控制量和q轴的电压控制量，其经过空间矢量调制后产生驱动逆变器的脉冲信号；逆变器用于驱动双三相永磁同步电机。
通过电流传感器获取永磁同步电机的相电流值；所述永磁同步电机的相电流值经过坐标变换得到d轴电流值和q轴电流值。
上述技术方案中，通过传感器获取永磁同步电机的转子位置，所述转子位置用于坐标变换运算。本控制方法中使用的转子速度和转子位置可以通过旋转变压器等机械式位置传感器得到，也可以通过转子位置和转速估计算法计算得到。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：
分别设计d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表，上述两个电流给定二维表通过电机的有限元模型仿真或者根据电机的实验数据拟合得到；电流给定二维表的第一个维度是电磁转矩给定，第二个维度是电机的归一化转速；根据转矩给定和归一化转速分别查询d轴电流给定二维表和q轴电流给定二维表得到d轴基础电流给定和q轴基础电流给定；
设置转矩调节器，转矩调节器的给定是转矩给定，转矩调节器的反馈是转矩观测值，通过d轴电流值和q轴电流值进行转矩观测计算得到转矩观测值；转矩调节器的输出是q轴电流附加调节量；
设置弱磁调节器，弱磁调节器的给定是最大允许电机基波相电压峰值，弱磁调节器的反馈是逆变器输出的基波相电压峰值；通过d轴电压分量和q轴电压分量计算得到逆变器输出的基波相电压峰值；弱磁调节器的输出是d轴电流附加调节量；
最终使用的d轴电流给定值是d轴基础电流给定与d轴电流附加调节量之和，最终使用的q轴电流给定值是q轴基础电流给定与q轴电流附加调节量之和；
其中，归一化转速ωu的表达式如公式(1)、(2)所示，ωre是转子电加速度，Vdc是逆变器的直流母线电压，Vm是直流母线电压对应的最大相电压基波峰值；
Figure FDA0003334940900000011
Figure FDA0003334940900000012
2.根据权利要求1所述的查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于还包括以下步骤：d轴电流调节器根据d轴电流给定值与d轴电流值的差值生成两相旋转坐标系下d轴电压分量，q轴电流调节器根据q轴电流给定值与q轴电流值的差值生成q轴电压分量；将上述电压差值分量分别进行坐标变换计算得到d轴的电压控制量和q轴的电压控制量，其经过空间矢量调制后产生驱动逆变器的脉冲信号；逆变器用于驱动双三相永磁同步电机。
3.根据权利要求2所述的查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于还包括以下步骤：通过电流传感器获取永磁同步电机的相电流值；所述永磁同步电机的相电流值经过坐标变换得到d轴电流值和q轴电流值。
4.根据权利要求3所述的查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于通过传感器获取永磁同步电机的转子位置，所述转子位置用于坐标变换运算。
5.根据权利要求4所述的查表法结合调节器的永磁同步电机控制方法，其特征在于弱磁调节器的输出小于或大于零，弱磁调节器输出小于或等于MTPA算法得到的d轴电流给定和d轴基础电流给定的差值。
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