阅读说明：本技术 一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统 (Permanent magnet synchronous motor directional correction system based on Longberger observer ) 是由 非凡 李静 陈雨薇 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统,该系统包括电流闭环调节模块、定向偏移量检测模块和空间定向角度补偿模块；其中,电流闭环调节模块通过dq电流指令与dq电流反馈的偏差分别经过PI控制器得到dq电压指令,定向偏移量检测模块采用龙伯格观测器进行空间定向偏差的检测,空间定向角度补偿模块对定向偏移量检测模块输出的检测变量进行pi调节得到空间定向的补偿量,并施加到电流角度上,得到补偿后的角度。本发明不需要进行任何额外物理量的测量；通用性极强,对于参数具有一定的耐受性；解决了参数摄动下,永磁同步电机定向的偏差识别；解决了偏差识别后的定向校准问题,提升了扭矩输出精度。(The invention discloses a permanent magnet synchronous motor directional correction system based on a Luenberger observer, which comprises a current closed loop adjusting module, a directional offset detecting module and a space directional angle compensating module; the current closed-loop adjusting module obtains a dq voltage instruction through the deviation between the dq current instruction and the dq current feedback respectively through a PI (proportional-integral) controller, the directional offset detecting module detects the space directional deviation by adopting a Luenberger observer, and the space directional angle compensating module adjusts the PI of a detection variable output by the directional offset detecting module to obtain a space directional compensation quantity and applies the compensation quantity to a current angle to obtain a compensated angle. The invention does not need to measure any extra physical quantity; the universality is extremely strong, and certain tolerance is realized on parameters; the problem of deviation identification of the orientation of the permanent magnet synchronous motor under parameter perturbation is solved; the problem of directional calibration after deviation identification is solved, and torque output precision is improved.)

一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统。

背景技术

在车用内置式永磁同步电机(IPMSM)控制系统中，由于实际应用场景中被控对象-IPMSM不可避免地出现变化而使得控制程序中预先固化的控制参数失效，导致电机高速运行弱磁不足引起电压饱和，危及电机驱动系统的稳定性。

内嵌式永磁同步电机具有功率密度大，运行范围宽和效率高的特点而被广泛用于电动汽车的驱动电机；其转矩方程为：

其中，T_e为电机的电磁转矩；P_n为电机磁极对数；为转子永磁体磁通；i_q为q轴电流，i_d为d轴电流；L_d为d轴电感；L_q为q轴电感；在IPMSM正常驱动过程中，T_e＞0，i_q＞0，i_d＜0，L_d＜L_q。

由上式可以看出，转矩与电流成正相关，但不同的dq轴电流组合会对应不同的转矩，每个固定的电流幅值下都会有一组特定的dq电流组合使电机在该电流下能输出最大的转矩。由于磁场饱和，在电流大于某个范围后dq轴电感L_d、L_q随着电流的变化而变化，变化范围最大可达200％之多。这些参数的变化使得在线求解每个电流下的最优dq电流组合变得十分困难甚至不可行。因此在车用电机控制中，一般通过实验的方法测试标定得到每个转矩对应的最优电流组合。全转矩范围内的所有这样的电流组合连成的线叫做IPMSM的最大转矩电流比(MTPA)曲线。

此外，车用IPMSM的运行依赖由逆变器将动力电池的母线转换为三相交流电，这就意味着电机端电压受到直流母线的约束；IPMSM的电压方程为：

其中，V_d为电机d轴电压，V_q为电机q轴电压；R_s为定子电阻，ω为电机的电角速度。

在高速稳态下，电机端电压V_s的幅值近似为：

当电机转速升高时，电机端电压升高，当期超过母线电压能提供的交流电压幅值时就需要进行弱磁控制，而当前母线下能提供的最大交流电压为电压限制V_{s_lmt}，表达式一般为：

其中，V_dc为母线电压，MI_max为电机控制系统最大调制比(maximum modulationindex)，其取值一般为1附近，最大为1.1027。

为了获得既能满足转矩方程，又能满足电压限制的电流组合，仍然通过实验的手段标定获取不同母线和转速下每个转矩对应的dq电流组合；而后将这些数据制成表格存储在数字控制芯片中，在电机实时运行时通过查表将不同转速和母线电压下的转矩指令转换成对应的dq电流指令。

上述过程能正常工作的前提是，通过对样机实验标定获取的电流组合能够适用于同款每一台电机；而在实际应用中，有以下几个方面会造成这种假设不再成立：

1、电机在批量生产时工艺、旋变调零会有偏差，会不可避免地造成整个dq坐标系的定向偏差，进而影响扭矩的准确输出；

2、控制器采样电路的不一致性，会导致不同转速下的延时参数不一样，进而造成各个转速下不同的定向偏差，进而影响扭矩的准确输出；

3、控制器发波电路的不一致性，会导致不同转速下的延时参数不一样，进而造成各个转速下不同的定向偏差，进而影响扭矩的准确输出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术解决电机在量产过程中空间定向的偏差探测问题以及偏差补偿问题的不足，提供一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统，包括电流闭环调节模块、定向偏移量检测模块和空间定向角度补偿模块；所述电流闭环调节模块，通过dq电流指令与dq电流反馈idq的偏差分别经过PI控制器得到dq电压指令udq；

所述定向偏移量检测模块，采用龙伯格观测器进行空间定向偏差的检测，其输入为电流闭环调节模块中的电流反馈idq和电压指令udq，输出为检测变量g；

所述空间定向角度补偿模块，对定向偏移量检测模块输出的检测变量g进行pi调节得到空间定向的补偿量Δθ，并施加到电流角度θ上，得到补偿后的角度θ_comp。

进一步地，所述龙伯格观测器如下：

v＝[ud uq-wFlux 0 0]^T

其中，id为dq电流反馈idq的d轴分量，iq为dq电流反馈idq的q轴分量；为龙伯格观测器对id、iq的观测预估量，n为龙伯格观测器内部的状态变量；ud为dq电压指令udq的d轴分量，uq为dq电压指令udq的d轴分量，w为电机转速，Flux为电机磁链；R为电机电枢绕组的电阻，Ld为电机的d轴电感，Lq为电机的q轴电感；K为稳定反馈系数。

进一步地，稳定反馈系数K满足使A_lb-KC_lb矩阵的特征根的实部全部为负。

进一步地，所述空间定向角度补偿模块中，补偿量Δθ为：

其中，K_p、K_i为pi调节的比例系数、积分系数。

进一步地，电流角度θ由旋转变压器的读取。

进一步地，所述空间定向角度补偿模块补偿后的角度θ_comp为：

θ_comp＝θ-Δθ。

进一步地，当g＝0时，表示定向是准确的；当g＞0时，表示定向偏大；当g＜0时，表示定向偏小。

本发明的有益效果是：

1、本发明不需要进行任何额外物理量的测量；

2、本发明通用性极强，对于参数具有一定的耐受性；

3、本发明解决了参数摄动下，永磁同步电机定向的偏差识别；解决了偏差识别后的定向校准问题，提升了扭矩输出精度。

附图说明

图1为电机内部电学方程框图；其中，(a)为d轴(直轴)，(b)为q轴(交轴)；

图2为定向偏移量检测模块(龙伯格观测器)工作框图；

图3为检测变量g随时间变化的示意图；其中，纵坐标为g，无单位；横坐标为时间，单位为秒；(a)为定向准确时，g＝0；(b)为定向偏大时，g＞0；(c)为定向偏小时，g＜0；

图4为空间定向角度补偿模块的作用效果图；其中，横坐标为时间，单位为秒；(a)为g的变化(g＝0→g＜0→g＝0)，左箭头指示人为加入定向偏差时g从0突变到负，右箭头指示介入空间定向角度补偿模块后g恢复正常；(b)为物理实测idq的变化(正常→异常→正常)，iq为正，id为负，单位为A。

具体实施方式

本发明一种基于龙伯格观测器的永磁同步电机定向校正系统，包括：

(1)电流闭环调节模块：该部分为本发明的依赖模块。其作用是通过dq电流指令与dq电流反馈idq的偏差分别经过PI控制器得到dq电压指令udq；其中，dq电流范围为基于物理采样的三相电流i_abc和旋转变压器的采样角度θ进行abc/dq变换得到的。此模块为永磁同步电机控制的必备部分，属于本领域公知常识，非本发明独创。

(2)定向偏移量检测模块：该部分为本发明的重点，其作用是不依赖任何物理量的检测，而是采用龙伯格观测器进行空间定向偏差的检测，其输入为电流闭环调节模块中的电流反馈idq和电压指令udq，输出为检测变量g。

如图1所示，现有技术中，电机内部的电学状态空间方程的输入为w、ud、uq，输出为id、iq，具体如下：

y＝Cx

x＝y＝[id iq]^T，u＝[ud uq-wFlux]^T

其中，R为电机电枢绕组的电阻，Ld为电机的d轴(直轴)电感，Lq为电机的q轴(交轴)电感，w为(电角度下)电机转速。id为dq电流反馈idq的d轴分量，iq为dq电流反馈idq的q轴分量。ud为dq电压指令udq的d轴分量，uq为dq电压指令udq的d轴分量。Flux为电机磁链。以上参数均可以通过样机实验进行测定。测定方法不做论述。

如图2所示，本发明设计的龙伯格观测器如下：

v＝[ud uq-wFlux 0 0]^T其中，K为根据参数进行设计的稳定反馈系数，要求K使A_lb-KC_lb矩阵的特征根的实部全部为负。为龙伯格观测器对x、y、id、iq的观测预估量，n、g为龙伯格观测器内部的状态变量，其中n无物理意义，也不在本发明中应用。

检测龙伯格观测器输出的检测变量g，当g＝0时，则认为定向是准确的，否则不准确。如图3所示，当g＝0，认为定向准确；当g＞0，认为定向偏大；当g＜0，认为定向偏小。

(3)空间定向角度补偿模块：此部分为本发明得以应用的关键，其作用是根据定向偏移量检测模块的输出g，得到空间定向的补偿量Δθ，并施加到旋转变压器读取的θ上。

对检测变量g进行如下pi调节：

其中，K_p、K_i为pi调节器的比例系数、积分系数。

Δθ施加到旋转变压器读取的θ上，最终补偿后的角度为θ_comp：

θ_comp＝θ-Δθ

如图4所示，人为对空间定向作偏差性修改，g发生突变，介入空间定向角度补偿模块后，g逐渐收敛回0；实际idq(物理实测)也发生了由偏差到回归正常的过程。