阅读说明：本技术 内置式永磁同步电机的改进控制方法 (Improved control method of built-in permanent magnet synchronous motor ) 是由 杨高兴 张瑞峰 柴璐军 路瑶 贺志学 张吉斌 丁志勇 梁海刚 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的控制方法,具体为内置式永磁同步电机的改进控制方法。解决现有使用参数在线辨识的永磁同步电机控制方法存在缺陷,使用不太理想的问题。本发明对转矩电流进行在线计算,根据电机动态参数进行实时修正,获得包含较准确的电机参数信息的电流计算模型,并利用该模型,进而计算得到转矩电流,且在低速和高速都可以对转矩电流进行实时修正,以此实现精确的转矩电流控制。该算法能够使电机运行在比较准确的工作点,具有良好的参数鲁棒性和动态响应特性。通过在前馈电压计算模块中对电机参数的变化情况进行在线估算,实现对参考电压的精确计算控制,提高电机控制精度。(The invention relates to a control method of a permanent magnet synchronous motor, in particular to an improved control method of a built-in permanent magnet synchronous motor. The method solves the problems that the existing permanent magnet synchronous motor control method using parameter online identification has defects and is not ideal in use. The invention carries out on-line calculation on the torque current, carries out real-time correction according to the dynamic parameters of the motor, obtains a current calculation model containing more accurate motor parameter information, further calculates to obtain the torque current by utilizing the model, and can carry out real-time correction on the torque current at low speed and high speed so as to realize accurate torque current control. The algorithm can enable the motor to operate at a more accurate working point, and has good parameter robustness and dynamic response characteristics. The change condition of the motor parameter is estimated on line in the feed-forward voltage calculation module, so that the accurate calculation control of the reference voltage is realized, and the control accuracy of the motor is improved.)

内置式永磁同步电机的改进控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制方法，具体为内置式永磁同步电机的改进控制方法。

背景技术

传统的内置式永磁同步电机最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制方法通过对电机转矩模型进行求导运算，得出D轴电流给定

再通过给定转矩T^*以及电机参数进行计算得到Q轴电流

在转矩一定的情况下，D-Q轴电流满足以下公式：

由于最大转矩电流比(MTPA)控制方法中电流计算式中包含永磁磁链、D-Q轴电感等参数，在实际运行中，这些参数会随着负载扰动、温度变化和磁路饱和等因素发生非线性变化，给最大转矩电流比(MTPA)控制方法的电流计算带来比较大的波动。因此，提高给定电流和给定电压的计算准确度，成为永磁同步电机控制的关键之一。

为了提高永磁同步电机控制的准确性，大多数学者一般使用参数在线辨识的方法；近年来，有学者提出了一种基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制方法，该方法通过分析电机转矩与功率之间的关系，使用检测值代替电机参数，将高频电流信号注入到转矩公式中，依据泰勒级数展开公式，将含有高频信号的转矩信号分别通过带通滤波器，低通滤波器，得到最大转矩电流比所需的转矩对电流角变化率，将其通过一个积分器，控制其为零来实现最大转矩电流比控制。这种方法得到MTPA角度的计算方法收敛速度较慢，动态响应时间较长，算法复杂，且信号分析过程较繁琐，动态响应较差，实际应用中不太理想。

发明内容

本发明解决现有使用参数在线辨识的永磁同步电机控制方法存在缺陷，使用不太理想的问题，提供一种内置式永磁同步电机的改进控制方法。该控制方法通过实时而准确的确定电机参数，并对电机控制的电机电流进行精准的分配，进而较精确的对电机实现控制，使其具有良好稳态控制精度和动态响应速度；且该方法简单没有繁琐的计算过程。

本发明是采用如下技术方案实现的：内置式永磁同步电机的改机控制方法，共分4个模块，分别为采样计算模块1、电机参数计算模块2、转矩电流计算模块3、电流前馈解耦计算模块4；

1)采样计算模块

采集逆变器直流母线电压U_dc，以及电机定子电流i_a、i_b；对定子电流i_a、i_b进行Clarke变换和Park变换，得到同步旋转坐标系中定子电流D轴分量i_D和定子电流Q轴分量i_Q；

通过位置传感器(旋转变压器)采集电机转子位置角θ，并计算得到电机转子电角速度ω_r；

2)电机参数计算模块

电机参数计算模块输入变量为：

i_Q为电机定子Q轴电流实际值；

i_Q0为电感变化率发生转折时的Q轴电流分量；

L_Q0为在常温状态(或额定温度)下Q轴的电感分量，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

L_D0为在常温状态(或额定温度)下D轴的电感分量，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

ψ_f0为常温状态(或额定温度)下磁链值，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

t为磁钢温度；

ρ为曲线系数，一般为0.1％-0.3％；

γ_t磁钢温度系数，可从磁钢手册中查找到；

其输出变量为：

L_Q(i_Q,t)为Q轴电感随i_Q和温度t变化的值，

L_D(t)为D轴电感随温度t变化的值，L_D(t)＝L_D0γ_tt；

ψ_f(t)为磁链随温度t变化的值，ψ_f(t)＝ψ_f0γ_tt；

ΔL_err0为在常温下Q轴电感L_Q0和D轴电感L_D0的差值，ΔL_err0＝L_Q0-L_D0；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值，Δi_Q0＝i_Q-i_Q0；

3)转矩电流计算模块

转矩电流计算模块输入变量如下：

T^*为电机给定转矩；

ψ_f0为常温状态下电机磁链值；

ΔL_err0为Q轴电感初始值L_Q0和D轴电感初始值L_D0之差；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值；

t为磁钢温度；

ρ为曲线系数；

γ_t磁钢温度系数；

和

分别为电流前馈解耦计算模块反馈的D轴和Q轴给定参考电压；

U_Smax为逆变器允许最大相电压幅值，本控制方法中

输出变量如下：

为D轴给定电流；

为Q轴给定电流；

转矩电流计算模块根据输入的电机给定转矩T^*，通过最大转矩电流比(MTPA)计算方法，得到最大转矩电流比(MTPA)计算方法下的D轴电流

D轴给定电流：

其中，

作为

的补偿量在弱磁区对D轴给定电流进行修正，得到最终D轴预期望值给定电流

其中，在电机运行在弱磁区(一般为额定转速以下为非弱磁区，额定转速以上为弱磁区)时，首先利用电流前馈解耦计算模块反馈的D轴和Q轴给定参考电压，计算出给定参考电压的幅值U_S，U_S与逆变器允许最大相电压幅值U_Smax的偏差进行PI调节，调节器输出量为

当U_S＜U_Smax时，

等于0，表示不对D轴电流

进行调节；

Q轴给定电流

当i_Q＜i_Q0时，

当i_Q≥i_Q0时，

4)电流前馈解耦计算模块

电流前馈解耦计算模块的输入参数为：

i_D、i_Q、L_Q(i_Q,t)、L_D(t)、ψ_f(t)；输出参数为：给定参考电压

和

Δu_D为D轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_D的差值，再经过PI调节器输出的结果，即D轴电流闭环调节输出；

同理，Δu_Q为Q轴电流给定值

与Q轴电流反馈值i_Q的差值，再经过PI调节器输出的结果，即Q轴电流闭环调节输出；

电流前馈解耦计算模块输出的给定参考电压

和

输入到脉冲调制模块，产生调制脉冲以控制电机运行。

本发明所述的内置式永磁同步电机的改机控制方法，解决了现有电机控制算法易受参数变化影响、动态性能较差、算法复杂等问题；该方法可以保证内置式永磁同步电机平稳运行，且控制方法简单有效、精度高使用性强。

1)本发明对转矩电流进行在线计算，根据电机动态参数进行实时修正，获得包含较准确的电机参数信息的电流计算模型，并利用该模型，进而计算得到转矩电流，且在低速和高速都可以对转矩电流进行实时修正，以此实现精确的转矩电流控制。该算法能够使电机运行在比较准确的工作点，具有良好的参数鲁棒性和动态响应特性。

2)在传统永磁同步电机矢量控制算法的基础上，对电机参数进行拟合，并对转矩电流进行准确的计算分配，利用计算的转矩电流，实现内置式永磁同步电机的精确控制。

3)通过在电流前馈解耦计算模块中根据电机参数(永磁体磁链、D轴电感和Q轴电感)的变化情况实现对参考电压的精确计算控制，提高电机控制精度。

4)本发明与已有方法相比，具有电机参数动态调节功能以及转矩电流准确计算功能，且提高了电机给定电压的精确性，具有良好参数鲁棒性的同时，无需复杂的信号注入、信号提取等步骤，简化了转矩电流控制的方法，因此无需考虑系统带宽的影响，并且算法简单，计算速度快，动态性能良好。

附图说明

图1为本发明所述的内置式永磁同步电机的改进方法控制框图。

具体实施方式

内置式永磁同步电机的改机控制方法，共分4个模块(如图1所示)，分别为采样计算模块1、电机参数计算模块2、转矩电流计算模块3、电流前馈解耦计算模块4；

1)采样计算模块

采集逆变器直流母线电压U_dc，以及电机定子电流i_a、i_b；对定子电流i_a、i_b进行Clarke变换和Park变换，得到同步旋转坐标系中定子电流D轴分量i_D和定子电流Q轴分量i_Q；

通过位置传感器(旋转变压器)采集电机转子位置角θ，并计算得到电机转子电角速度ω_r；

2)电机参数计算模块

电机参数计算模块主要是对电机磁链、电感等参数进行实时计算的功能模块；

电机参数计算模块具体如图1中所示，其输入变量为：

i_Q为电机定子Q轴电流实际值；

i_Q0为电感变化率发生转折时的Q轴电流分量；

L_Q0为在常温状态(或额定工况)下Q轴的电感分量，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

L_D0为在常温状态(或额定工况)下D轴的电感分量，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

ψ_f0为常温状态(或额定工况)下磁链值，一般为常温下测量值或电机设计给定值；

t为磁钢温度，目前磁钢温度t是通过在电机定子中埋有温度传感器的方式获得的值；由于电机磁钢温度变化比较平缓，在短时间内可以认为是固定值；

ρ为曲线系数，在Ansoft环境下采用有限元分析方法拟合曲线得到近似值，一般为0.1％-0.3％；

γ_t磁钢温度系数，可从磁钢手册中查找到；

其输出变量为：

L_Q(i_Q，t)为Q轴电感随i_Q和温度t变化的值；

L_D(t)为D轴电感随温度t变化的值；

ψ_f(t)为磁链随温度t变化的值；

ΔL_err0为在常温下Q轴电感L_Q0和D轴电感L_D0的差值；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值；

其中，永磁同步电机控制中需要用到的三个电机参数分别是永磁体磁链、交轴电感和直轴电感。

在永磁同步电机中D轴磁路上埋设有永磁体，因此D轴磁通不仅需要穿过铁心和气隙，还需要穿过永磁体，而Q轴磁通只需穿过铁心和气隙，由于铁心的磁导率很高，永磁体的磁导率接近于空气的磁导率，所以D轴磁路的磁阻要大于Q轴磁路的磁阻，从而导致Q轴电感L_Q大于D轴电感L_D。此外，Q轴磁路比D轴磁路更容易饱和，因此随着Q轴电流i_Q的增加L_Q会明显减小，而L_D随D轴电流i_D的变化相对较小。

在Ansoft环境下采用有限元分析方法，获取电机磁链和交直轴电感；

其中直轴电感和磁链近似恒定不变；交轴电感则受交轴电流影响较大，且具有非线性关系，近似拟合曲线如下：

上式中，当Q轴电流i_Q较小时，Q轴磁路没有进入饱和状态，所以交轴电感基本为一个常数，只是随着温度变化而缓慢变化的常量；随着i_Q不断增加，Q轴磁路进入饱和，交轴电感随之减小，此转折点i_Q值记作i_Q0；

永磁体磁链受磁钢温度影响，交直轴电感也受到磁钢温度和交直轴电流的共同影响。在Ansoft环境下采用有限元分析方法电机动态参数可表示为：

对于D轴电感L_D随D轴电流i_D的变化较小，只随温度的变化明显，具体D轴电感L_D随温度变化的曲线如下式：

L_D(t)＝L_D0γ_tt

磁链ψ_f随温度变化的曲线如下式：

ψ_f(t)＝ψ_f0γ_tt

Q轴电感L_Q曲线表达如下：

Q轴和D轴电感差值用ΔL_err表示，表达公式如下：

Δi_Q0表示Q轴电流i_Q和i_Q0之间的差值，表达式如下：

Δi_Q0＝i_Q-i_Q0

ΔL_err0表示Q轴电感初始值L_Q0和D轴电感初始值L_D0之差，表达式如下：

ΔL_err0＝L_Q0-L_D0

3)转矩电流计算模块

转矩电流计算模块主要是根据给定转矩实时计算出D轴给定电流和Q轴给定电流功能的模块；

输入变量如下：

T^*为电机给定转矩；

ψ_f0为常温状态(或额定工况)下电机磁链值；

ΔL_err0为Q轴电感初始值L_Q0和D轴电感初始值L_D0之差；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值；

t为磁钢温度；

ρ为曲线系数；

γ_t为磁钢温度系数；

和

分别为电流前馈解耦计算模块输出的D轴和Q轴给定参考电压；

U_Smax为逆变器允许最大相电压幅值，本控制方法中

输出变量如下：

为D轴给定电流；

为Q轴给定电流；

转矩电流计算模块根据输入的电机给定转矩T^*，通过最大转矩电流比(MTPA)计算方法，得到最大转矩电流比(MTPA)计算方法下的D轴电流

D轴给定电流

的表达式如下：

其中，

作为

的补偿量在弱磁区对D轴给定电流进行修正，得到最终D轴预期望值给定电流

其中，在电机运行在弱磁区(一般为额定转速以下为非弱磁区，额定转速以上为弱磁区)时，首先利用电流前馈解耦计算模块反馈的D轴和Q轴给定参考电压，计算出给定参考电压的幅值U_S，U_S与逆变器允许最大相电压幅值U_Smax的偏差进行PI调节，调节器输出量为

当U_S＜U_Smax时，

等于0，表示不对D轴电流

进行调节；

电流前馈解耦计算模块反馈的D轴和Q轴给定参考电压幅值表达式为：

Q轴电流

计算步骤如下：

对于给定的电机电磁转矩T^*，以及电机定子D轴电流

可计算出Q轴电流

上式中ψ_f为永磁体磁链；L_D，L_Q分别为D轴和Q轴电感实际值；p为极对数；

若要得到比较准确的Q轴电流

需要对上述公式中的定量电机参数ψ_f、L_D、L_Q分别进行动态调节；将电机参数计算模块2中的输出相应变量磁链ψ_f(t)、D轴电感参数L_D(t)、Q轴电感参数L_Q(i_Q，t)带入上式中，整理可得下式：

将上式进行化简，可得表达式如下：

当i_Q＜i_Q0时，定子Q轴电流给定值表达式为：

当i_Q≥i_Q0时，定子Q轴电流给定值表达式为：

上式中，参数ψ_f0、ΔL_err0、Δi_Q0、γ_t、t可由模块2得到；

从上式中可以看出，磁钢温度t一般为缓慢变化量，在Q轴电流

的求取过程中，将

和磁链、电感之间的变化关系，转化为

和Q轴反馈电流i_Q、磁钢温度t之间的变化关系，状态量可测量，达到电机的准确控制。

4)电流前馈解耦计算模块

电流前馈解耦计算模块的输入参数为：

i_D、i_Q、L_Q(i_Q,t)、L_D(t)、ψ_f(t)；输出参数为：给定参考电压和

其电流前馈解耦计算模块的表达式为：

Δu_D为D轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_D的差值，再经过PI调节器输出的结果，即D轴电流闭环调节输出；

同理，Δu_Q为Q轴电流给定值与Q轴电流反馈值i_Q的差值，再经过PI调节器输出的结果，即Q轴电流闭环调节输出；

将模块输入变量带入上述表达式，得到表达式如下式：

电流前馈解耦计算模块输出的给定参考电压

和

输入到脉冲调制模块，产生调制脉冲以控制电机运行。