一种内置式永磁同步电机控制方法
阅读说明：本技术 一种内置式永磁同步电机控制方法 (Control method for built-in permanent magnet synchronous motor ) 是由 柴璐军 张瑞峰 杨高兴 贺志学 梁海刚 詹哲军 李岩 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及永磁同步电机控制方法,具体为一种内置式永磁同步电机控制方法。解决现有永磁同步电机控制方法中没有实时而准确使用电机参数,因而电机输出的转矩精度和电机运行效率被影响的问题。本发明的控制方法同时在线考虑了温度变化和电机饱和效应对电机参数的影响,提高了电机在每个工作点参数的准确性；本发明在前馈通道上基于电机温度<I>t、</I>电流幅值<I>i</I><Sub><I>s</I></Sub><I>、</I>电流矢量角<I>β</I>在线实时查表和MTPA实时查表,反馈通道上使用磁链计算模型实时计算出磁链<Image he="24" wi="30" file="217388DEST_PATH_IMAGE002.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>,省去了对转子温度的检测设备；且利用转矩闭环的输出结果重新分配了<I>d</I>轴电流<Image he="24" wi="14" file="462425DEST_PATH_IMAGE004.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>和<I>q</I>轴电流<Image he="27" wi="14" file="540365DEST_PATH_IMAGE006.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>,维持永磁同步电机按照MTPA轨迹运行,降低了电机的发热和损耗。(The invention relates to a control method of a permanent magnet synchronous motor, in particular to a control method of a built-in permanent magnet synchronous motor. The method solves the problem that the motor parameters are not accurately used in real time in the existing permanent magnet synchronous motor control method, so that the torque precision output by the motor and the motor operation efficiency are influenced. The control method of the invention simultaneously considers the influence of temperature change and motor saturation effect on the motor parameters on line, and improves the accuracy of the motor parameters at each working point; the invention is based on motor temperature in the feed-forward path t、 Amplitude of current i s 、 Current vector angle β On-line real-time table look-up and MTPA real-time table look-up, and on feedback channel, using flux linkage calculation model to calculate flux linkage in real time Detection equipment for the temperature of the rotor is omitted; and redistribute output results using torque closed loop d Shaft current And q shaft current And the permanent magnet synchronous motor is maintained to run according to the MTPA track, so that the heating and the loss of the motor are reduced.)
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制方法，具体为一种内置式永磁同步电机控制方法。
背景技术
内置式永磁同步电机以其高功率密度、高功率因数、高过载能力等优点被逐渐广泛使用在导轨电车等城市交通运输领域，对于载客运营的导轨电车，牵引电机输出的转矩精度和高效率性能十分重要，是衡量牵引系统性能的关键。然而内置式永磁同步电机的电机参数受定子铁芯饱和效应和温度变化影响较大，影响导轨电车车载内置式永磁同步电机转矩精度的一个最重要因素是电机运行中，因电机工作温度和定子电流变化引起的电机参数Ld、Lq、Rs、Ψf变化。而永磁同步电机的电机参数的精确性对电机控制精度至关重要，因而在导轨电车运行中控制算法能实时获得准确的电机参数十分必要。在控制方法中若不能实时准确使用电机参数，将会影响永磁同步电机控制精度，降低电机输出转矩的精度和效率。
永磁同步电机的控制分为MTPA(最大转矩电流比)控制与弱磁控制两部分，如果在MTPA控制中不考虑饱和效应和温度变化对电机参数的影响，电机将不能正确的运行在MTPA控制轨迹下，电机在各个转矩指令下输出的转矩都会出现偏差。
发明内容
本发明解决现有永磁同步电机控制方法中没有实时而准确使用电机参数，因而电机输出的转矩精度和电机运行效率被影响的问题，提供一种内置式永磁同步电机控制方法。该控制方法是在永磁同步电机的工作电压和电流范围内，考虑电机的温度变化和定子电流变化引起铁芯磁饱和效应因素对电机参数的影响，在使用MTPA控制方式时，提供一种使用转矩闭环调整电流矢量角，在线实时查找与使用电机参数的控制方法，来提高永磁同步电机转矩输出精度。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种内置式永磁同步电机控制方法，分如下控制模块：温度传感器模块、旋转变压器模块、Clark变换模块、Park变换模块、转矩指令处理模块、MTPA查表模块、定子电感与电阻参数查表模块、电压计算模块、磁链计算模块、反馈转矩计算模块、电流矢量角度调整模块、脉冲调制模块；
1)温度传感器模块
温度传感器埋在永磁同步电机定子，由温度传感器采集得到电机的实时定子温度t。
2)旋转变压器模块
旋转变压器安装在永磁同步电机上，通过旋转变压器采集得到永磁同步电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分，可以得到永磁同步电机的转速we。
3)Clark变换模块
电流传感器采集定子的两相电流得到ia、ib，然后经过Clark变换得到定子电流iα、iβ。
4)Park变换模块
Clark变换模块得到iα、iβ，经过Park变换得到d-q旋转坐标系下的电流id、iq。
5)转矩指令处理模块
转矩指令处理模块的输入为目标转矩Te；经过限幅与转矩斜坡处理后，转矩指令处理模块的输出为给定转矩
6)MTPA查表模块
MTPA查表模块中的输入为
7)定子电感与电阻参数查表模块
定子电感与电阻参数查表模块的输入是电流幅值is、电流矢量角β1、定子温度t，其中电流矢量角β1是在MTPA查表模块得到的β值基础上由电流矢量角度调整模块输出的Δβ修正得到。
定子电感与电阻参数查表模块的输出是Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)、
通过基于电机定子温度t、电流幅值is、电流矢量角β1实时查表插值算法，得到随电流幅值is、电流矢量角β1、定子温度t变化的定子电感Ld(is、β1、t)，Lq(is、β1、t)。
通过基于电机温度t实时查表插值算法，得到随定子温度变化的定子电阻Rs(t)。
根据电流幅值is、电流矢量角β1，依据下式，得到d轴电流给定值
8)电压计算模块
电压计算模块由前馈电压模块和电流调节器模块两部分组成。
前馈电压模块的输入为Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)、ψf(t0)、
电流调节器模块的输入为
电压计算模块的输出为ud、uq，作为指令电压
9)磁链计算模块
稳态工况下在前馈解耦控制中，电流调节器在电机参数不准确时，电流调节器输出的Δud与Δuq为非零值，补偿因电机参数不准确造成电压计算偏差。
因前馈电压的计算模块中电感与电阻参数使用在线实时查表值Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)，精度较高，控制系统中由电机参数不准确造成的控制偏差主要来自转子磁链Ψf
磁链计算模块输入是id、iq、uq，Ld(is、β1、t)，输出是ψf(t)，
可由如下公式求得ψ'f(t)
ψ'f(t)经过滤波与限幅后得到ψf(t)
ψf(t)的限幅区间为
10)反馈转矩计算模块
反馈转矩计算模块的输入为id、iq、ψf(t)、ψf(t0)、Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)；
反馈转矩计算模块的输出为Teb，按如下步骤计算：
Tee1＝1.5npiqψf(t)
式中，np为电机的极对数
Tee2＝1.5npiqψf(t0)
Tee＝Tee1-Tee2
Test＝1.5npiq[ψf(t0)+(Ld(t、is、β1)-Lq(t、is、β1))id]
Teb＝Tee+Test
11)电流矢量角度调整模块
电流矢量角度调整模块的输入是Teb、Te *、β。
电流矢量角度调整模块的输出是β1。
Teb与给定转矩Te *做一个转矩闭环调节器，调节器输出为电流矢量角的补偿量Δβ，来调整电流角度β，两者之和为β1，
β1＝β+Δβ
12)脉冲调制模块
模脉冲调制模块的输入是ud、uq、udc、θ，输出为三相逆变桥IGBT的导通时间Ta、Tb、Tc，IGBT导通驱动电机运行。
本发明带来的有益效果：
(1)本发明同时在线考虑了温度变化和电机饱和效应对电机参数的影响，提高了电机在每个工作点参数的准确性，本控制方法使得永磁同步电机在宽泛的环境条件下依旧能保持高的控制精度；
(2)本发明在前馈通道上基于电机温度t、电流幅值is、电流矢量角β在线实时查表和MTPA实时查表，反馈通道上使用磁链计算模型实时计算出磁链
(3)使用本发明的算法可以提高转矩的输出精度和平稳性，提升了永磁同步电机的效率和导轨电车运行性能。
附图说明
图1是本发明所述的控制方法的总体图；
图2是是本发明所述的永磁同步电机电流矢量图；
图3是本发明所述的永磁同步电机电感与电阻参数查表流程图；
图4是本发明所述的磁链计算模块控制框图；
图5是本发明所述的电流矢量角度调整控制框图；
图6是本发明所述的多模式调制策略框图。
具体实施方式
一种内置式永磁同步电机控制方法，分如下控制模块(如图1所示)：温度传感器模块1、旋转变压器模块2、Clark变换模块3、Park变换模块4、转矩指令处理模块5、MTPA查表模块6、定子电感与电阻参数查表模块7、电压计算模块、磁链计算模块9、反馈转矩计算模块10、电流矢量角度调整模块11、脉冲调制模块12；
1)温度传感器模块
温度传感器埋在永磁同步电机定子，由温度传感器采集得到电机的实时定子温度t。
2)旋转变压器模块
旋转变压器安装在永磁同步电机上，通过旋转变压器采集得到永磁同步电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分，可以得到永磁同步电机的转速we。
3)Clark变换模块
电流传感器采集定子的两相电流得到ia、ib，然后经过Clark变换得到定子电流iα、iβ。
4)Park变换模块
Clark变换模块得到iα、iβ，经过Park变换得到d-q旋转坐标系下的电流id、iq。
5)转矩指令处理模块
转矩指令处理模块的输入为目标转矩Te,其值源于VCU控制单元；经过限幅与转矩斜坡处理后，转矩指令处理模块的输出为给定转矩
6)MTPA查表模块
MTPA查表模块需选取电机额定点的参数来实现，MTPA查表模块中的输入为
最大转矩电流比算法具体如下：
电流的标幺基值ib如下式所示：
其中Ld(t0)和Lq(t0)分别是在额定工况下的定子电感的值、ψf(t0)是在额定工况下永磁体磁链的值，
转矩的标幺基值teb为下式所示：
teb＝1.5npψf(t0)ib
式中，np是电机的极对数，
对于输入的转矩
按照最大转矩电流比的算法构建一个ten与d轴电流标幺值idn的表格，用一维插值查表算法对于每一个
idn、iqn乘以电流基值ib得到d、q轴的电流值id、iq，即id＝idn×ib，iq＝iqn×ib，再根据下式计算得到电流幅值is、电流矢量角β，如图2所示，因ib计算时使用了固定的电机参数，会导致解析出的β值不准确，β值在电流矢量角度调整环节做出修正。
7)定子电感与电阻参数查表模块
电机温度变化会导致绕组电阻Rs的变化，影响绕线损失，控制算法中Rs变化会影响电阻压降。导轨电车车载永磁同步电机的Rs值较大，Rs变化的影响不可忽略。
定子电流的变化会引起定子铁芯磁饱和效应，导致定子电感Ld、Lq的值发生变化。温度会影响转子永磁体磁链Ψf，磁链变化会改变d轴和q轴的饱和度，此外，电机硅钢片的导磁性会随温度的升高而降低，电机铁芯材料磁导率变化也会影响电感的饱和度，因此，Ld和Lq的值作为温度和电流函数将会改变。
电感与电阻参数查表模块的输入是电流幅值is、电流矢量角β1、定子温度t，其中电流矢量角β1是考虑电机参数变化、采样延时等导致的电机输出转矩精度下降因素，由MTPA查表模块得到的β值基础上由转矩闭环算法模块输出的Δβ修正得到。
定子电感与电阻参数查表模块的输出是Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)、
通过基于电机定子温度t、电流幅值is、电流矢量角β1实时查表插值算法，得到随电流幅值is、电流矢量角β1、定子温度t变化的定子电感Ld(is、β1、t)，Lq(is、β1、t)。
定子电阻Rs受电流的影响较小，主要受温度的影响，通过基于电机温度t实时查表插值算法，得到随定子温度变化的定子电阻Rs(t)。
根据电流幅值is、电流矢量角β1，依据下式，得到d轴电流给定值
其中，确定Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)的表格可以使用电机设计人员提供的参数表，也可以通过试验获得，试验获取表格的方法如下：
首先在对拖试验环境下，在额定温度下反拖测试出电机的转子磁链ψf(t0)。
然后电机运行在额定转速，给被试电机加载，通过安装在定子上的温度传感器测试绕组或铁芯的温度，作为电感环境温度。电机的额定温度设定为20℃，在[-20℃，160℃]区间电机每上升10℃做一次试验，温度值稳定时，记录此刻的温度t；在每一个试验温度点(共十九个温度点)通过上位机给定不同d、q轴电流id1、iq1，记录电流调节器模块输出值ud1、uq1、扭矩仪的实测转矩Te1，计算出Rs、Ld、Lq，记录电机参数；同时用公式计算出电流幅值is，用公式
电机参数查表方法：
温度传感器实时采集定子温度t，每一个实时采集的定子温度t，都对应两个查表温度ts与ts+10，ts与ts+10是[-20℃，160℃]区间内的两个相邻的试验温度点，t是处于[ts，ts+10]区间的一个值；
ts+10＝ts+10
其中ts为10的整数倍，且取值范围为[-20℃，160℃]。
算法中对于每一个查表温度ts，都有一个关于电流幅值is与电流矢量角β1的Ld参数二维表，和一个关于电流幅值is与电流矢量角β1的Lq参数二维表；其中is的查表间隔设定为最大电流的0.05倍，β1查表的角度间隔设定为6度；在每个查表温度ts下，Ld和Lq的实时值分别由该时刻的is和β1，基于Ld、Lq参数二维表进行二维线性插值得到。因此查表温度ts、ts+10下分别得到d轴电感的两个电感参数Ld(is、β1、ts)、Ld(is、β1、ts+10)，和q轴电感的的两个电感参数Lq(is、β1、ts)、Lq(is、β1、ts+10)，然后Ld(is、β1、ts)与Ld(is、β1、ts+10)，Lq(is、β1、ts)与Lq(is、β1、ts+10)依据实时温度t分别关于温度ts，ts+10进行一维线性插值，得到对应实时采样温度t的电感值Ld(is、β1、t)和Lq(is、β1、t)，流程如图3所示；
对于定子电阻Rs，每一个实时温度t都有两个分别对应两个查表温度ts与ts+10的温度值Rs(ts)、Rs(ts+10)，然后Rs(ts)与Rs(ts+10)依据实时温度t分别关于温度ts、ts+10进行一维线性插值，得到对应实时采样温度t的电阻值Rs(t)。
8)电压计算模块
电压计算模块由前馈电压模块8和电流调节器模块两部分组成。
前馈电压模块的输入为Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)、ψf(t0)、
电流调节器模块的输入为
电压计算模块的输出为ud、uq，作为指令电压
9)磁链计算模块
永磁同步电机转子中永磁材料受温度变化影响大，导轨电车永磁同步电机转子选用铷铁硼材料对温度尤为敏感，温度变化时磁铁材料的剩磁Br和内禀矫顽力Hic都会发生变化，磁体材料的剩磁与温度的关系如下式所示。
其中t0是额定温度，本发明中，把电机的额定温度设定在20℃，t是永磁体实际工作温度，Br0是额定温度下的磁体剩磁，Brt是实际工作温度下的永磁体磁体剩磁，α是剩磁的温度系数，电机转子磁链与电机剩磁有如下关系，
ψf(t)＝∫BrtdA
其中，A是磁链通过的区域，因此，电机磁链与温度的变化关系如下
ψf(t0)是额定温度下的转子磁链，ψf(t)是电机实际运行温度下的转子磁链。
永磁体安装在电机转子中，ψf(t)在电机运行的的情况下难以测量得到，本发明中采用磁链计算模型，计算得到实时磁链值ψf(t)。
稳态工况下在前馈解耦控制中，电流调节器在电机参数不准确时，电流调节器输出的Δud与Δuq为非零值，补偿因电机参数不准确造成电压计算偏差。
因前馈电压的计算模块中电感与电阻参数使用在线实时查表值Ld(is、β1、t)、Lq(is、β1、t)、Rs(t)，精度较高，控制系统中由电机参数不准确造成的控制偏差主要来自转子磁链Ψf
磁链计算模块输入是id、iq、uq，Ld(is、β1、t)，输出是ψf(t)，
可由如下公式求得ψ'f(t)
ψ'f(t)经过滤波与限幅后得到ψf(t)
ψf(t)的限幅区间为
10)反馈转矩计算模块
电机转矩由励磁转矩和磁阻转矩构成，其中励磁转矩与转子磁链相关而和电感无关，因此可用计算出的磁链ψf(t)计算出励磁转矩Tee1，用额定温度下的转子磁链ψf(t0)计算励磁转矩Tee2，两者之差Tee作为受温度变化影响转子磁链变化时，励磁转矩发挥的偏差；同时根据查表得到电感参数计算出电机电磁转矩Test，Tee与Test之和作为电机的反馈转矩Teb。
反馈转矩计算模块的输入为id、iq、ψf(t)、ψf(t0)、Ld(is、β1、t)、Ld(is、β1、t)、Rs(t)
反馈转矩计算模块的输出为Teb，按如下步骤计算：
Tee1＝1.5npiqψf(t)
式中，np为电机的极对数
Tee2＝1.5npiqψf(t0)
Tee＝Tee1-Tee2
Test＝1.5npiq[ψf(t0)+(Ld(t、is、β1)-Lq(t、is、β1))id]
Teb＝Tee+Test
11)电流矢量角度调整模块
MTPA控制电流轨迹如下式所示，被电机参数决定；因永磁同步电机运行中电机参数受温度与饱和度的影响不断变化，在MTPA查表模块中根据固定电机参数计算得到电机电流矢量角β通常不准确；因此is分配到d、q轴上指令电流与不准确，导致电机实际运行时已不是MTPA状态，使电机输出的转矩精度降低。因此电流矢量角β需要调整，
电流矢量角度调整模块的输入是Teb、Te *、β。
电流矢量角度调整模块的输出是β1。
Teb与给定转矩Te *做一个转矩闭环调节器，调节器输出为电流矢量角的补偿量Δβ，来调整电流角度β，两者之和为β1，如图5所示，如下式所示。
β1＝β+Δβ
电流矢量角的校正，目的是希望实现反馈转矩对给定转矩的无静差跟踪，提高转矩的控制精度，但是电机的转矩输出精度不可能达到100％，给定转矩Te *和反馈之间Teb始终会存在静差，因此转矩闭环调节器只设置比例环节，如下式所示
Δβ＝kpΔTe
式中kp为比例系数，kp的值需在试验中调试，依据电流is和电机的定子温度t的变化分段设定，或者根据试验数据拟合。kp的取值范围为[-0.03，0.03]
ΔTe的限幅范围为[-0.05Tn，0.05Tn]，其中Tn为额定转矩。
Δβ的限幅范围为[-5°，5°]。
β1的限幅范围牵引工况下为[90°，180°]、制动工况下为[180°，270°]。
12)脉冲调制模块
导轨电车牵引系统属于大功率的电传动系统，首要特点是高电压、大电流，电机峰值功率达到360kW，受到散热条件的限制，IGBT的开关频率最高只有900Hz，但逆变器的输出频率可高达到300Hz，传统的svpwm调制算法并不能满需求，调制算法采用多模式调制策略，如图6所示，包括异步调制、同步调制、特殊同步调制、最后进入方波控制，提升母线电压利用率。
模脉冲调制模块的输入是ud、uq、udc、θ,输出为三相逆变桥IGBT的导通时间Ta、Tb、Tc，IGBT导通驱动电机运行。
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