一种内置式永磁同步电机mtpa控制方法
阅读说明：本技术 一种内置式永磁同步电机mtpa控制方法 (MTPA control method of built-in permanent magnet synchronous motor ) 是由 金宁治 马腾 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种永磁同步电机控制方法,涉及永磁同步电机控制领域,具体涉及一种内置式永磁同步电机MTPA控制方法,本发明通过电机观测电路,对内置式永磁同步电机的定子电流、电压和转速信号,得到内置式永磁同步电机旋转坐标系下定子电压状态方程和电磁转矩方程,进而获得磁饱和及交叉磁链效应条件下可以在转子参考系中得到内置式永磁同步电机的磁链模型及其时间导数,并在MTPA域内定义铜耗非线性优化方程,使用Lagrange数乘法求解,之后计算恒定转矩曲线方程和MTPA曲线方程,最后上述两方程联立构造最小化目标函数并应用结合了LMA方法的最小二乘法进行迭代计算并求解。本发明鲁棒性强,提升了整个系统的稳定性和效率。(The invention discloses a control method of a permanent magnet synchronous motor, relates to the field of permanent magnet synchronous motor control, in particular to a control method of a built-in permanent magnet synchronous motor MTPA, obtaining a stator voltage state equation and an electromagnetic torque equation under a rotating coordinate system of the built-in permanent magnet synchronous motor for stator current, voltage and rotating speed signals of the built-in permanent magnet synchronous motor, further obtaining a flux linkage model of the built-in permanent magnet synchronous motor and a time derivative thereof in a rotor reference system under the conditions of magnetic saturation and cross flux linkage effect, and defining a copper consumption nonlinear optimization equation in an MTPA (maximum power transfer) domain, solving by Lagrange number multiplication, then calculating a constant torque curve equation and an MTPA curve equation, and finally constructing a minimized objective function by combining the two equations and applying a least square method combined with an LMA (local area network) method to carry out iterative calculation and solving. The invention has strong robustness and improves the stability and efficiency of the whole system.)
技术领域
本发明涉及内置式永磁同步电机控制领域，具体涉及一种内置式永磁同步电机MTPA控制方法。
背景技术
内置式永磁同步电机(IPMSM)由于具有更高的功率密度、更高的转矩密度和更高的效率而被广泛用于诸如伺服控制，风力发电和电力运输等应用场景。与面装式永磁同步电机(SPMSM)相比，IPMSM在高速运行下具有更好的刚度，因为其永磁体被埋在转子内部。为了充分利用磁阻转矩，研究了每安培最大转矩(MTPA)控制。MTPA控制是在各种电流矢量中搜索最小的电流矢量，以产生最大转矩。
现有技术中对于内置式永磁同步电机的扭矩控制通过查表法来避免复杂的实时计算，但构建查找表的过程昂贵且耗时并且在使用过程中需要耗费大量的内存和应用准确的插值算法。此外还有应用高频电流注入法和虚拟信号注入法，但是其动态性能很难满足工业应用的要求和无法快速跟踪扭矩参考的变化，其精度无法达到预期效果
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于数值优化技术的在线MTPA控制方法，并充分考虑了磁饱和及交叉磁化效应。为了减轻饱和操作条件下的收敛不良风险，采用了Levenberg-Marquardt算法(LMA)，该算法可确保在高转矩参考值下可靠地计算当前参考值。另外，扭矩参考限制器实现为满足电流限制，可以实时修改该电流限制以适应逆变器或电动机的主动热管理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内置式永磁同步电机MTPA控制方法，鲁棒性强，收敛性能好，在保证算法准确性的情况下减少计算负担削减硬件投入，提升计算效率。
一方面本发明实施例提供了一种内置式永磁同步电机MTPA控制方法，具体步骤为：
通过电机观测电路，对内置式永磁同步电机的定子电流、电压和转速信号，经过Park变换，进而得到直、交轴电流，直、交轴电压，电角速度。从而得到内置式永磁同步电机旋转坐标系下的定子电压状态方程和电磁转矩方程。
在磁饱和及交叉磁链效应条件下可以在转子参考系中得到内置式永磁同步电机的磁链模型及其时间导数。
在MTPA域内定义铜耗非线性优化方程。并使用Lagrange数乘法求解。
求解之后可以得到含id和iq的恒定转矩曲线方程和MTPA曲线方程。
将上述两方程联立并构造最小化目标函数并应用结合了LMA方法的最小二乘法进行迭代计算。便可获得最优解。
另一方面本发明还提供了一种参考转矩限制器，其中：
首先将MTPA域中的电流约束方程的拉格朗日方程列出，并在约束条件下进行求解。
根据简化的约束条件和拉格朗日方程可以得出最小化的目标函数。
由目标函数使用LMA方法进行求解可以得到最大的参考转矩。
上述技术方案具有如下有益效果：本发明阐述的基于鲁棒数值优化技术的内置式永磁同步电机MTPA控制方法易于实现，鲁棒性强，计算速度快，计算结果精准，可以防止过大的电流在MTPA工作期间产生过多损耗，超出发热限制，提升了整个系统的稳定性和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是示出根据本发明一个实施例的MTPA算法的总体流程图；
图2是示出根据本发明一个实施例的在线MTPA算法的整体框图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
一种内置式永磁同步电机MTPA控制方法包括以下步骤：
从起始时刻开始，以预设的时间间隔在线测量内置式永磁同步电机正常运行时的三相电流、三相电压及转速信号，进而得到旋转坐标系下的交、直轴电流、电压以及电角速度；
具体地，通过Park变换得到旋转坐标系下的直轴电流id、交轴电流iq、直轴电压ud、交轴电压uq和电角速度ωr，进而得到内置式永磁同步电动机在旋转坐标系下的电压方程组为：
其中Rs为定子电阻、λd为直轴磁链、λq为交轴磁链。
进而可以通过交、直轴磁链和交、直轴电感可以得到电磁转矩方程：
其中P是极对数。
在磁饱和及交叉耦合的条件下，内置式永磁同步电机的在工作点附近的磁链模型及其时间导数可以表示为：
其中Ldd、Ldq、Lqd、Lqq为动态电感是交、直轴电感相对于交、直轴电流的变化率，
定义出最大转矩电流比的拉格朗日方程为：
其中μ为拉格朗日乘数，
并且必要的优化条件可提取为：
通过磁链和动态电感的方程，可将上述三个方程组成的方程组消去μ简化为含有两个未知数id和iq的两个方程，并且将其定义为f(id,iq)和g(id,iq)，表示为：
列写出上述方程组中两方程的最小化目标函数为：
E(x)＝F(x)TF(x)＝f2(x)+g2(x)
其中x为参数的电流矢量，其被定义为：
F(x)＝[f(id,iq),g(id,iq)]T
采用迭代法来寻找E(x)的最小值的点，使用LMA方法来进行迭代计算，其迭代公式为：
其中H(xk)为F(xk)的Hessian矩阵，其具体为J(xk)J(xk)T，μk为阻尼系数。
本发明实施例还提供了一种参考转矩限制器，包括以下步骤：
根据上述电磁转矩方程，可以定义电磁转矩的拉格朗日方程为：
其中v为拉格朗日乘数。
电磁转矩拉格朗日方程的必要优化条件为：
根据上述方程化简后的方程组为：
内置式永磁同步电机的电流限制条件为p(id,iq)，最大转矩电流比控制方程为q(id,iq)。求其最大值的目标函数可以定义为：
R(id,iq)＝p(id,iq)2+q(id,iq)2
利用LMA方法计算出最大参考电流和最大电磁转矩其具体计算方法为：
根据上述过程同样可以求出最小电磁转矩。
附图1显示了提出的MTPA算法的总体流程图。首先，在通过LMA解决MTPA方程和电流限制的情况下，实施扭矩参考限制器。此后，检查指令转矩Te,cmd是否可行，并在给定的电流极限Imax下产生可用的
附图2显示了在线MTPA算法的整体框图。对于给定的指令转矩Te,cmd，通过线性插值的方法从二维LUT中获得λdq，并通过其差值提取Ldq，将上述提取的参数输入至在线计算模块，由其计算生成转矩参考值
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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