永磁同步电机的控制方法
阅读说明：本技术 永磁同步电机的控制方法 (Control method of permanent magnet synchronous motor ) 是由 张瑞峰 柴璐军 王晓妮 杨高兴 詹哲军 梁海刚 贺志学 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及交流电机的控制方法,具体为永磁同步电机的控制方法。解决现有永磁同步电机的控制方法中因使用的电机参数不准确造成电机输出的转矩精度和电机运行效率被影响的问题。该控制方法通过电机定子温度T,使用在线查表得到定子电阻<I>R</I><Sub><I>s</I></Sub><I>(T)</I>；通过电机定子温度T、电流幅值<I>I</I><Sub><I>s</I></Sub>、电流矢量角<I>β</I>,使用在线查表得到定子电感<I>L</I><Sub><I>d</I></Sub><I>(T)</I>和<I>L</I><Sub><I>q</I></Sub><I>(T)</I>；使用磁链观测模型实时计算出磁链值<I>Ψ</I><Sub><I>f</I></Sub><I>(T</I><Sub><I>r</I></Sub><I>)</I>,从而提高了电机控制和解耦的准确性；利用转矩闭环的输出结果重新分配了给定的定子电流,维持了永磁同步电机按照较优的控制轨迹运行,降低了电机的发热和损耗。实现了电机的解耦控制、增强了电机控制系统的鲁棒性。(The invention relates to a control method of an alternating current motor, in particular to a control method of a permanent magnet synchronous motor. The problem that the torque precision of motor output and the motor operation efficiency are influenced due to inaccurate motor parameters in the existing control method of the permanent magnet synchronous motor is solved. The control method obtains the stator resistance through the temperature T of the motor stator by using an online table look-up R s (T) (ii) a Through the temperature T and the current amplitude of the stator of the motor I s Current vector angle β Obtaining stator inductance using online table lookup L d (T) And L q (T) (ii) a Real-time calculation of flux linkage values using flux linkage observation models Ψ f (T r ) Therefore, the accuracy of motor control and decoupling is improved; the given stator current is redistributed by utilizing the output result of the torque closed loop, the permanent magnet synchronous motor is maintained to run according to a better control track, and the heating and the loss of the motor are reduced. The decoupling control of the motor is realized, and the robustness of a motor control system is enhanced.)
技术领域
本发明涉及电机的控制方法，具体为永磁同步电机的控制方法。
背景技术
永磁同步电机以其具有高效、节能、高功率密度等优势在轨道交通领域得到了广泛的应用。对于永磁同步电机而言，最重要的性能要求是在各种环境下产生准确转矩并实现高效率的控制，而影响永磁电机转矩精度和高效率的控制的一个最重要因素是电机参数在电机运行过程中的变化，这导致了电机控制算法与被控电机的不匹配。电机参数的变化主要由电机工作温度和定子电流变化引起的铁芯磁饱和效应引起，从而造成电机参数中的定子电感Ld、Lq、定子电阻Rs和永磁体磁链Ψf的变化。传统的矢量控制方法在永磁同步电机控制中被广泛使用，但其没有考虑温度对电机参数Rs、Ψf，以及铁芯饱和效应对Ld、Lq的影响，电机输出的转矩精度和电机运行效率将很大程度上被影响。
发明内容
本发明解决现有永磁同步电机的控制方法中因使用的电机参数不准确造成电机输出的转矩精度和电机运行效率被影响的问题，提出一种永磁同步电机的控制方法，该控制方法可以实时而准确的确定电机参数，从而降低电机参数不准确对电机控制的影响。同时，在准确的确定电机参数的基础上，提供一种永磁同步电机鲁棒解耦控制方法，实现了电机的解耦控制、增强了电机控制系统的鲁棒性。
本发明是采用如下技术方案实现的：永磁同步电机的优化控制方法，其控制框图包括旋转变压器模块、温度传感器模块、定子电阻计算模块、Clark变换模块、Park变换模块、定子电感计算查表模块、永磁体磁链计算模块、转矩计算模块、电流计算模块、给定电流生成模块、鲁棒解耦控制器模块、PWM调制模块、三相逆变桥模块；
1)旋转变压器模块
旋转变压器安装在永磁同步电机上，通过旋转变压器测量得到永磁同步电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分，得到永磁同步电机的转速we；
2)温度传感器模块
电机定子中埋有温度传感器，由温度传感器得到电机的实时定子温度T；
3)定子电阻计算模块
电机温度变化导致电机定子电阻Rs的变化，测试并绘制电机定子的温度阻值对照表，通过温度传感器获取定子实时温度值T，并通过查询电机定子的温度阻值对照表得到定子电阻Rs(T)；
4)Clark变换模块
采集两相定子电流ia、ib，经过Clark变换得到定子电流iα、iβ；
5)Park变换模块
定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下的电流id、iq；
6)定子电感计算查表模块
定子电感Ld和Lq与电机定子温度T、定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS三个变量相关；
先制作在一定温度区间内的不同温度点下，定子电感Ld、Lq随IS和βS变化的表格；
随后用实时采集到的定子温度T、定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS，通过查询表格，得到定子电感Ld(T)、Lq(T)；
7)永磁体磁链计算模块
永磁体磁链计算模块的输入为：电流id、iq，定子电阻Rs(T)，定子电感Ld(T)和Lq(T)，上一计算周期(或称上一拍)的定子电压u’d，u’q，上一计算周期(或称上一拍)计算得到的永磁体磁链Ψf’(Tr)，转速we。永磁体磁链计算模块的输出Ψf(Tr)计算方式如下：
其中：Kp_Ψf和Ki_Ψf是控制参数，分别表示估计的电流值，t为采集时刻，Tr代表永磁体的实际工作温度；
调试得到Kp_Ψf和Ki_Ψf的过程如下：给定Ki_Ψf一个较小的参数(例如0.001)，先调节参数Kp_Ψf使输出得到的Ψf(Tr)处于等幅震荡的状态，这时再调节参数Ki_Ψf，使输出Ψf(Tr)收敛，这时得到的参数Kp_Ψf和Ki_Ψf是控制参数。
8)转矩计算模块
转矩计算模块的输入为电流id、iq，定子电阻Rs(T)，定子电感Ld(T)和Lq(T)，转速we，Ψf(Tr)；
转矩计算模块的输出——电磁转矩Teb按如下计算公式得到：
Tex1＝1.5npiq[(Ld(T)-Lq(T))id]
式中，np是电机的极对数。
Tex2＝1.5npiq[(Ld(T0)-Lq(T0))id]
式中，Ld(T0)和Lq(T0)分别是在额定工况下的定子电感的值。
Tex＝Tex1-Tex2
Test＝1.5npiq[ψf(Tr)+(Ld(T0)-Lq(T0))id]
Teb＝Tex+Test
9)电流计算模块
目标转矩T* e经过限幅和斜坡处理后，得到给定转矩T* e1；
T* e1、Teb、定子电感Ld(T)、定子电感Lq(T)、Ψf(Tr)和np为电流计算模块的输入；
给定转矩T* e1经过计算模块，得到给定电流值I*和电流角度β(如图3所示)；
给定转矩T* e1经过计算模块，得到给定电流值I*和电流角度β的计算过程如下：
通过运算得到标幺值基值teb和ibx，其中ibx是电流的标幺值基值，通过ibx＝ψf(Tr)/(Lq(T)-Ld(T))计算得到；teb是转矩的标幺值基值，可以通过teb＝npψf(Tr)ibx计算得到；标幺值基值随着电机参数的变化而变化。
给定转矩
在标幺值的形式下，控制算法的转矩和电流的关系表示为：
给定电流值I*通过公式
电流角度β通过计算得到；
考虑到
T* e1与Teb的差经过PI调节器，输出为Δβ，Δβ是对给定电流角度的补偿值，通过辨识实时转矩与给定转矩进行对比，对给定电流角度进行校正；
最终得到电流角度β1通过如下公式计算得到：
β1＝β+Δβ
10)给定电流生成模块
给定电流生成模块的输入为给定电流值I*和电流角度β1；
计算过程如下：
11)鲁棒解耦控制器
鲁棒解耦控制器的输入参数有电流id *、iq *、id、iq、定子电阻Rs(T)、定子电感Ld(T)和Lq(T)、永磁体磁链Ψf(Tr)和转速we，其输出参数为定子电压ud、uq；
控制算法中间变量ud1、uq1计算过程如下：
式中，βx是控制参数，控制参数βx随着调制策略的不同而变化，控制参数βx与开关频率成一定的比例，其表示如下：
βx＝βb×fkx
式中，βb是控制参数基准值，在0.1－1.0之间选择，fkx是逆变器的开关频率；
通过以上的控制算法计算得到ud1、uq1，实现了永磁同步电机的解耦控制；
控制算法中间变量ud2、uq2计算过程如下：
式中，δd、δq是鲁棒控制器的关键部分，其计算公式如下：
式中，λ为控制参数，控制参数λ采用试凑法选取，可取80；id1、iq1为算法过程中的中间变量，id1、iq1的计算公式如下：
其中，δ’d、δ’q是上一计算周期(或称上一拍)计算得到的变量；
电压ud、uq的计算过程如下：
这里为了增强控制系统的稳定性，实现控制解耦，在dq轴上分别加入项RS(T)×kR×id和RS(T)×kR×iq+Ψf(Tr)we，KR为阻尼系数，取为0.9；
12)PWM调制模块
PWM调制模块的输入为定子电压ud、uq，直流母线电压udc，转速we和角度θ；PWM调制模块的输出为6路PWM波，驱动三相逆变桥模块工作。
本发明带来的有益效果：
(1)本发明通过电机定子温度T、电流幅值Is、电流矢量角β在线查表得到准确的电机参数定子电阻Rs(T)，定子电感Ld(T)和Lq(T)，使用磁链观测模型实时计算出磁链值Ψf(Tr)，省去了对转子温度的检测设备，提高了电机控制和解耦的准确性；且利用转矩闭环的输出结果重新分配了给定的定子电流，保持永磁同步电机在较优的轨迹运行，降低了电机的发热和损耗。
(2)通过在电流环中使用鲁棒解耦控制方法，提高了系统控制的抗干扰性能，并实现了永磁同步电机的解耦控制。
附图说明
图1为本发明所述控制方法的控制框图；
图2为定子电感计算查表模块的流程框图；
图3为电流计算模块控制框图；
图4为鲁棒解耦控制器的控制框图；
图5为分段调制算法示意图。
具体实施方式
永磁同步电机的控制方法，其控制框图(如图1所示)包括旋转变压器模块1、温度传感器模块2、定子电阻计算模块3、Clark变换模块4、Park变换模块5、定子电感计算查表模块6、永磁体磁链计算模块7、转矩计算模块8、电流计算模块9、给定电流生成模块10、鲁棒解耦控制器模块11、PWM调制模块12、三相逆变桥模块13；
1)旋转变压器模块
旋转变压器安装在永磁同步电机上，通过旋转变压器测量得到永磁同步电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分，得到永磁同步电机的转速we；
2)温度传感器模块
电机定子中埋有温度传感器，由温度传感器得到电机的实时定子温度T；
3)定子电阻计算模块
电机温度变化导致电机定子电阻Rs的变化，测试并绘制电机定子的温度阻值对照表，通过温度传感器获取定子实时温度值T，并通过查询电机定子的温度阻值对照表得到定子电阻Rs(T)；
4)Clark变换模块
采集两相定子电流ia、ib，经过Clark变换得到定子电流iα、iβ；
5)Park变换模块
定子电流iα、iβ经过Park变换得到d-q静止坐标系下的电流id、iq；
6)定子电感计算查表模块
定子电流的变化会引起定子铁芯的磁饱和效应，随着d、q轴电流的变化，定子电感Ld、Lq都会发生变化，同时电机的定子温度T也会对定子电感产生影响。为了得到较为准确的定子电感参数Ld和Lq，采用查表法来得到定子电感Ld和Lq；
定子电感Ld和Lq与电机定子温度T、定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS三个变量相关(如图2所示)；
其中：
考虑到iq为0时，程序计算时会出现问题，因此给分母加一个特别小的数字kα，kα可以等于0.0000001；
进一步地，定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS分别经过低通滤波，得到滤波后的值ISLPF和βSLPF。
先制作在一定温度区间内的不同温度点下，定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的表格(表格数量与温度区间内所设温度点的数量一致，与每个温度点对应的表格反映定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的内容)；具体实施时，温度区间为[-30℃，160℃]区间，并以每个十的整数倍的温度值作为温度点，这样，在[-30℃，160℃]区间，有二十个温度点：-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、……、150℃、160℃；具体的制作表格的过程为：测试的永磁同步电机和对拖电机同轴或通过齿轮箱连接，将对拖电机运行在额定转速以下，在转速稳定且定子温度在某一温度点(以-20℃为例)的情况下，给定永磁同步电机不同的电流指令IS，IS>0和βS，90°<βS<180°(或ISLPF，ISLPF>0和βSLPF，90°<βSLPF<180°)(电流i* d、i* q)，用高频注入法测得与不同的IS和βS(或ISLPF和βSLPF)对应的电机定子电感Ld、Lq；改变定子温度，从而获得多组不同温度点下的定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的表格。
随后用实时采集到的定子温度T、定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS(或ISLPF和βSLPF)，通过查询表格，得到实时的定子电感Ld(T)、Lq(T)；查表的过程如下：实时采集的定子温度T不等于任何温度点的温度值时，选择离定子温度T最近的两个温度点Tx、Tx+10的定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的表格作为查表使用的第一表格和第二表格(如，定子温度T为23℃，选择温度点Tx＝20℃和Tx+10＝30℃的表格作为第一和第二表格)；实时采集的定子温度T等于某温度点的温度值时，选择与定子温度T相等的温度点Tx的定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的表格，和该温度点增温侧相邻的温度点Tx+10的定子电感Ld、Lq随IS和βS(或ISLPF和βSLPF)变化的表格，作为查表使用的第一表格和第二表格；根据采集的定子电流的幅值IS和定子电流的相位βS(或ISLPF和βSLPF)，在第一表格里查到Ld1(T)和Lq1(T)，在第二表格里查到Ld2(T)和Lq2(T)；按如下公式得到Ld(T)和Lq(T)：
Ld(T)和Lq(T)为当前工况下(当前温度T，当前IS和βS(或ISLPF和βSLPF))的电机定子电感值。
7)永磁体磁链计算模块
永磁同步电机转子中永磁材料受温度变化影响大，电机永磁体磁链与温度的变化关系可以表示为
其中：Ψf(T0)是额定工况下的永磁体磁链，Ψf(Tr)是电机实际运行温度下的永磁体磁链，T0可取为20℃，Tr是永磁体实际工作温度，α是剩磁的温度系数。
由于电机的永磁体安装在电机的转子上，无法得到其实际工作温度，因此采用磁链观测模型实时得到磁链值Ψf(Tr)，永磁体磁链计算模块的输入为：电流id、iq，定子电阻Rs(T)，定子电感Ld(T)和Lq(T)，上一计算周期(或称上一拍)的定子电压u’d，u’q，上一计算周期(或称上一拍)计算得到的永磁体磁链Ψf’(Tr)，转速we，永磁体磁链计算模块的输出Ψf(Tr)计算方式如下：
其中：Kp_Ψf和Ki_Ψf是控制参数，分别表示估计的电流值，t为采集时刻，Tr代表永磁体的实际工作温度；
调试得到Kp_Ψf和Ki_Ψf的过程如下：给定Ki_Ψf一个较小的参数(例如0.001)，先调节参数Kp_Ψf使输出得到的Ψf(Tr)处于等幅震荡的状态，这时再调节参数Ki_Ψf，使输出Ψf(Tr)收敛，这时得到的参数Kp_Ψf和Ki_Ψf是控制参数；
和
8)转矩计算模块
转矩计算模块的输入为电流id、iq，定子电阻Rs(T)，定子电感Ld(T)和Lq(T)，转速we，Ψf(Tr)；
转矩计算模块的输出——电磁转矩Teb按如下计算公式得到：
Tex1＝1.5npiq[(Ld(T)-Lq(T))id]
式中，np是电机的极对数；
Tex2＝1.5npiq[(Ld(T0)-Lq(T0))id]
式中，Ld(T0)和Lq(T0)分别是在额定工况下的定子电感的值；
Tex＝Tex1-Tex2
Test＝1.5npiq[ψf(Tr)+(Ld(T0)-Lq(T0))id]
Teb＝Tex+Test
9)电流计算模块
目标转矩T* e经过限幅和斜坡处理后，得到给定转矩T* e1；
T* e1、Teb、定子电感Ld(T)和Lq(T)、Ψf(Tr)和np为电流计算模块的输入；
给定转矩T* e1经过计算模块，得到给定电流值I*和电流角度β(如图3所示)；
给定转矩T* e1经过计算模块，得到给定电流值I*和电流角度β的计算过程如下：
通过运算得到标幺值基值teb和ibx，其中ibx是电流的标幺值基值，通过ibx＝ψf(Tr)/(Lq(T)-Ld(T))计算得到；teb是转矩的标幺值基值，可以通过teb＝npψf(Tr)ibx计算得到；标幺值基值随着电机参数的变化而变化。
给定转矩
在标幺值的形式下，控制算法的转矩和电流的关系表示为：
给定电流值I*通过公式计算得到；
电流角度β通过
考虑到为0时，程序计算时会出现问题，因此给分母加一个特别小的数字kb，kb可以等于0.0000001；
T* e1与Teb的差经过PI调节器，输出为Δβ，Δβ是对给定电流角度的补偿值，通过辨识实时转矩与给定转矩进行对比，对给定电流角度进行校正；
最终得到电流角度β1通过如下公式计算得到：
β1＝β+Δβ
10)给定电流生成模块
给定电流生成模块的输入为给定电流值I*和电流角度β1；
计算过程如下：
11)鲁棒解耦控制器
鲁棒解耦控制器一方面实现永磁同步电机的解耦控制，另一方面提高电机控制的抗干扰功能，其输入参数有电流id *、iq *、id、iq、定子电阻Rs(T)、定子电感Ld(T)和Lq(T)、永磁体磁链Ψf(Tr)和转速we，其输出参数有定子电压ud、uq；
鲁棒解耦控制器如图4所示。
控制算法中间变量ud1、uq1计算过程如下：
式中，βx是控制参数，控制参数βx随着调制策略的不同而变化，控制参数βx与开关频率成一定的比例，其表示如下：
βx＝βb×fkx
式中，βb是控制参数基准值，在0.1－1.0之间选择(如，0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、0.9、1.0；其中优选0.5)，fkx是逆变器的开关频率；
通过以上的控制算法计算得到ud1、uq1，实现了永磁同步电机的解耦控制；
控制算法中间变量ud2、uq2计算过程如下：
式中，δd、δq是鲁棒控制器的关键部分，其计算公式如下：
式中，λ为控制参数，控制参数λ采用试凑法选取，可取80。id1、iq1为算法过程中的中间变量，id1、iq1的计算公式如下：
其中，δ’d、δ’q是上一计算周期(或称上一拍)计算得到的变量；
电压ud、uq的计算过程如下：
这里为了增强控制系统的稳定性，实现控制解耦，在dq轴上分别加入项RS(T)×kR×id和RS(T)×kR×iq+Ψf(Tr)we，KR为阻尼系数，可以取为0.9；
12)PWM调制模块
PWM调制模块的输入为定子电压ud、uq，直流母线电压udc，转速we和角度θ。PWM调制模块的输出为6路PWM波，驱动三相逆变桥模块工作。
因散热等条件的制约，大功率永磁同步电机的调制算法受到开关频率的限制，一般采用多种调制方式相结合的分段调制策略。分段调制策略的示意图如图5所示。
分段调制分为异步调制和同步调制，同步调制受到开关频率的限制可分为多段，最终进入方波调制。方波调制下，电压利用率高、谐波小。同步分段调制算法中，可采用的调制算法有SPWM调制、特定次谐波消除PWM(SHEPWM)调制等，各种调制算法有其优缺点和适用范围。
本发明中提出的控制方法，可以在DSP芯片中实现，永磁同步电机控制由两级中断实现，一级中断中运行电机控制算法(即步骤1－11)，设计控制周期为250us；另一级中断中运行电机PWM调制算法，其中断周期与当前的调制策略与电机运行频率相关。
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