一种永磁同步电机转矩控制装置
阅读说明：本技术 一种永磁同步电机转矩控制装置 (Torque control device of permanent magnet synchronous motor ) 是由 李德正 上官文斌 赵学智 蒋开洪 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁同步电机转矩控制装置与方法,包括：电流前馈控制器、q轴电流反馈控制器和d轴电流反馈控制器、电阻、电感估算器、反馈控制器最优参数决策器、位置传感器、电压变换器、永磁同步电机、电流变换器。在本发明的永磁同步电机转矩控制装置中,所述电流前馈控制器用于降低永磁同步电机的电流扰动,同时提高电机的响应速度。所述q轴电流反馈控制器和d轴电流反馈控制器,用于永磁同步电机的电流反馈控制,降低电机的稳态误差,提高电机的稳定性能和鲁棒性能。所述电流前馈控制器传递函数采用二阶结构和所述电阻、电感估算器与所述反馈控制器最优参数决策器采用查表模块,易于进行嵌入式实现。(The invention discloses a device and a method for controlling torque of a permanent magnet synchronous motor, wherein the device comprises the following steps: the device comprises a current feedforward controller, a q-axis current feedback controller, a d-axis current feedback controller, a resistor, an inductance estimator, a feedback controller optimal parameter decision maker, a position sensor, a voltage converter, a permanent magnet synchronous motor and a current converter. In the torque control device of the permanent magnet synchronous motor, the current feedforward controller is used for reducing the current disturbance of the permanent magnet synchronous motor and simultaneously improving the response speed of the motor. The q-axis current feedback controller and the d-axis current feedback controller are used for current feedback control of the permanent magnet synchronous motor, so that the steady-state error of the motor is reduced, and the stability and the robustness of the motor are improved. The current feedforward controller transfer function adopts a second-order structure, and the resistor, the inductance estimator and the feedback controller optimal parameter decision maker adopt a table look-up module, so that the embedded realization is easy.)
技术领域
本发明涉及同步电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机转矩控制装置。
背景技术
永磁同步电机(PMSM,Permanent Magnet Synchronous Motor)具有噪声小、功率密度大、转速范围广、节能等显著优势，广泛被用于新能源汽车、机器人伺服和家电等领域。
目前，永磁同步电机的控制一般采用磁场定向控制(FOC，Field OrientedControl)，即定子三相交流电流生成的空间磁场向量，通过控制驱动转子磁场旋转，形成转矩。为了获得最大化的电流利用效率，一般在FOC的基础上应用最大转矩电流比控制(MTPA，Maximum Torque Per Amp)。采用MTPA可以使电机输出的转矩和输入的电流幅值成正相关。这样只需要调整电流的幅值，就能控制电机输出的转矩。一般通过三个PI控制器的级联的电流环、速度环和位置环来调节电机的电流、速度和位置。电流环是电机控制最基本的。
在永磁同步电机的控制中，电机转矩波动的大小是衡量电机控制效果的一个重要的性能指标。电机的转矩波动会通过减速机构传递到驱动负载，并且由于减速机构一般具有降速增扭的作用，转矩波动会被放大后传递到整个系统，在低速时会导致系统振动，高速时会产生噪声，产生不良的影响。在新能源汽车和汽车电控驱动系统领域中，电机的转矩波动会影响汽车的NVH性能，特别是在电动助力转向系统中，电机转矩波动还会传递到转向盘，造成驾驶员在转向时感受到转向盘的抖动，影响转向的舒适感；在机器人伺服领域，电机的转矩波动会影响伺服控制的精度；在家电领域，电机的转矩波动会使家电产生不良的振动和噪声，容易影响家电使用者的舒适感，同事也会降低家电的使用寿命。
对于永磁同步电机的转矩波动控制研究，早期的控制策略主要是电流波形优化法，属于开环控制，需要建立在对被控电机转矩特性充分了解的基础上。该方法的实现需要大量的离线试验与计算，并且对电机参数及运行工况与环境的依赖性较强，适用范围有限，电机控制研发时间较长。后期的控制策略主要是PI控制，属于闭环控制，这种控制方法具有更好的鲁棒性。但是由于控制需要使用到电流的反馈，影响了电机的响应速度。而且在参数变化及环境扰动等不确定性因素的影响下，传统的PI控制难以在所有情况下都能具有良好的控制效果。为了兼顾永磁同步电机转矩波动的抑制和电机的动态响应性能，同时综合电机研发时间和控制策略嵌入式实现难易程度的考虑，急需一种控制器易于嵌入式实现且参数能够正向简便求取、能抑制电机转矩波动且能使电机响应迅速的永磁同步电机转矩控制装置。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种永磁同步电机转矩控制装置，可以抑制永磁同步电机的转矩波动，且能使永磁同步电机响应迅速，同时该控制装置所使用的控制器易于嵌入式实现且参数能够正向简便求取。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机转矩控制装置。为达到抑制永磁同步电机转矩波动并提高电机响应速度的目的，本发明采用的技术方案是：
一种永磁同步电机转矩控制装置，用于永磁同步电机控制，包括：
电流前馈控制器，所述电流前馈控制器输入信号为目标电流信号icmd，输出信号为q轴目标电流iq；
q轴电流反馈控制器，所述q轴电流反馈控制器输入信号为所述q轴目标电流iq与q轴实际电流iq *的差值，输出信号为q轴目标电压uq；
d轴电流反馈控制器，所述d轴电流反馈控制器输入信号为d轴目标电流id与d轴实际电流id *的差值，输出信号为d轴目标电压ud；
电阻、电感估算器，所述电阻、电感估算器输入信号为所述q轴目标电流iq、所述q轴实际电流iq *、所述d轴目标电流id与所述d轴实际电流id *，输出信号为估算电阻R和电感L；
反馈控制器最优参数决策器，所述反馈控制器最优参数决策器输入信号为所述估算电阻R和电感L，输出信号为q轴反馈控制比例系数Kp_q和q轴反馈控制积分系数Ki_q、d轴反馈控制比例系数Kp_d和d轴反馈控制积分系数Ki_d；
位置传感器，所述位置传感器用于测量永磁同步电机的转子位置，输出信号为转角θ；
电压变换器，所述电压变换器输入信号为所述q轴目标电压uq、所述d轴目标电压ud和所述转角θ，输出信号为永磁同步电机三相电压；
永磁同步电机，所述永磁同步电机输入信号为所述三相电压，输出信号为三相电流ia、ib和ic；以及
电流变换器，所述电流变换器输入信号为所述三相电流ia、ib、ic和所述转角θ，输出信号为所述q轴实际电流iq *和d轴实际电流id *。
进一步地，所述电流前馈控制器的设计目标为：
其中，Qff(s)是电流前馈控制器的传递函数，GI_eq(s)是以q轴目标电流iq为输入与q轴实际电流iq *为输出的永磁同步电机传递函数。
进一步地，所述电流前馈控制器的传递函数为：
其中极点p1和p2、零点z1和z2通过最优化所述设计目标求得。
进一步地，还包括第一求和模块、第二求和模块和取相反数模块，
所述第一求和模块将q轴目标电流iq与q轴实际电流iq *通过取相反数模块103后的值求和算得到差值，
所述第二求和模块将d轴目标电流id与d轴实际电流id *通过取相反数模块103后的值求和算得到差值。
进一步地，所述电阻、电感估算器包含q轴电流查表模块和d轴电流查表模块、电阻查表模块和电感查表模块，所述q轴电流查表模块输入信号为所述q轴目标电流iq与所述q轴实际电流iq *，输出信号为第一参数Q。所述d轴电流查表模块输入信号为所述d轴目标电流id与所述d轴实际电流id *，输出信号为第二参数D。所述电阻查表模块输入信号为所述第一参数Q和所述第二参数D，输出为所述估算电阻R。所述电感查表模块输入信号为所述第一参数Q和所述第二参数D，输出为所述估算电感L。
进一步地，所述反馈控制器最优参数决策器包含Kp_q查表模块和Ki_q查表模块、Kp_d查表模块和Ki_d查表模块。Kp_q查表模块输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述q轴反馈控制比例系数Kp_q。Ki_q查表模块输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述q轴反馈控制积分系数Ki_q。Kp_d查表模块输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述d轴反馈控制比例系数Kp_d。Ki_d查表模块输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述d轴反馈控制积分系数Ki_d。
进一步地，所述电压变换器包括Park逆变换、SVPWM和逆变器，
将所述q轴目标电压uq与所述d轴目标电压ud利用转角θ进行Park逆变换得到α相电压uα和β相电压uβ，α相电压uα和β相电压uβ再经过SVPWM和逆变器，得到所述永磁同步电机三相电压。
进一步地，所述电流变换器包括Clarke变换和Park变换，
将所述三相电流ia、ib和ic，利用Clarke变换得到α相电流iα、β相电流iβ，再利用转角θ将α相电流iα、β相电流iβ进行Park变换得到所述q轴实际电流iq *和d轴实际电流id *。
进一步地，所述q轴电流反馈控制器的传递函数为：
进一步地，所述d轴电流反馈控制器的传递函数为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用本发明提出的前馈控制结构与设计目标，可优化求取二阶电流前馈控制器的参数，利用本发明提出的电阻、电感估算器，通过查表模块可得到反馈控制器的参数，即实现控制参数的正向求取。本发明对电流的控制效果与现有的存电流反馈控制和bang-bang控制效果相比，电流的响应速度提高，电流的波动减少。
附图说明
图1为永磁同步电机转矩控制装置结构图。
图2为电流前馈控制器等效控制框图。
图3为电阻、电感估算器结构示意图。
图4为反馈控制器最优参数决策器结构示意图。
图5为反馈控制器最优参数决策器内查表模块数值确定流程图。
图6为现有永磁同步电机转矩控制技术一时域响应图。
图7为现有永磁同步电机转矩控制技术二时域响应图。
图8为本发明永磁同步电机转矩控制时域响应图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图并举实例对本发明作进一步详细描述。
根据永磁同步电机转矩控制装置结构图，如图1所示。一种永磁同步电机转矩控制装置包括：电流前馈控制器101，所述电流前馈控制器101输入信号为目标电流信号icmd，输出信号为q轴目标电流iq。
还包括q轴电流反馈控制器104和d轴电流反馈控制器105，所述q轴电流反馈控制器104输入信号为所述q轴目标电流iq与q轴实际电流iq *的差值，求和模块1021将q轴目标电流iq与q轴实际电流iq *通过取相反数模块103后的值求和算得到差值，输出信号为q轴目标电压uq。所述d轴电流反馈控制器105输入信号为d轴目标电流id与d轴实际电流id *的差值，求和模块1022将d轴目标电流id与d轴实际电流id *通过取相反数模块103后的值求和算得到差值，输出信号为d轴目标电压ud。
电阻、电感估算器106，所述电阻、电感估算器106输入信号为所述q轴目标电流iq、所述q轴实际电流iq *、所述d轴目标电流id与所述d轴实际电流id *，输出信号为估算电阻R和电感L。
反馈控制器最优参数决策器107，所述反馈控制器最优参数决策器107输入信号为所述估算电阻R和电感L，输出信号为q轴反馈控制比例系数Kp_q和q轴反馈控制积分系数Ki_q、d轴反馈控制比例系数Kp_d和d轴反馈控制积分系数Ki_d。q轴电流反馈控制器104的传递函数由q轴反馈控制比例系数Kp_q和q轴反馈控制积分系数Ki_q组成，q轴反馈控制比例系数Kp_q和q轴反馈控制积分系数Ki_q起调节q轴电流反馈控制器104频率传递特性作用。d轴电流反馈控制器105的传递函数由d轴反馈控制比例系数Kp_d和d轴反馈控制积分系数Ki_d组成，d轴反馈控制比例系数Kp_d和d轴反馈控制积分系数Ki_d起调节d轴电流反馈控制器105频率传递特性作用。
位置传感器108，所述位置传感器108测量永磁同步电机110的转子位置，输出信号为转角θ。
电压变换器109，所述电压变换器109输入信号为所述q轴目标电压uq与所述d轴目标电压ud、所述转角θ，输出信号为永磁同步电机三相电压。
永磁同步电机110，所述永磁同步电机110输入信号为所述三相电压，输出信号为三相电流ia、ib和ic。
电流变换器111，所述电流变换器111输入信号为所述三相电流ia、ib和ic、所述转角θ，输出信号为所述q轴实际电流iq *和d轴实际电流id *。
电压变换器109，将输入信号q轴目标电压uq与所述d轴目标电压ud利用转角θ进行Park逆变换1091得到α相电压uα、β相电压uβ，α相电压uα、β相电压uβ再经过SVPWM1092和逆变器1093，得到永磁同步电机三相电压。
电流变换器111，将输入信号三相电流ia、ib和ic，利用Clarke变换1112得到α相电流iα、β相电流iβ，再利用转角θ将α相电流iα、β相电流iβ进行Park变换1111得到q轴实际电流iq *和d轴实际电流id *。
根据电流前馈控制器等效控制框图，如图2所示，得到电流前馈控制器的设计目标为：
其中，Qff(s)是电流前馈控制器的传递函数，GI_eq(s)是以q轴目标电流iq为输入与q轴实际电流iq *为输出的永磁同步电机传递函数。U(s)代表系统输入，D(s)代表扰动，Uff(s)代表前馈输出，Y(s)代表过程输出，Qfb(s)代表反馈控制器，G I_real(s)为实际的系统。
电流前馈控制器101的传递函数为：
其中极点p1和p2、零点z1和z2通过最优化所述设计目标求得。
根据电阻、电感估算器结构示意图，如图3所示。电阻、电感估算器106包含q轴电流查表模块1061和d轴电流查表模块1062、电阻查表模块1063和电感查表模块1064，所述q轴电流查表模块输入信号为所述q轴目标电流iq与所述q轴实际电流iq *，输出信号为参数Q。所述d轴电流查表模块输入信号为所述d轴目标电流id与所述d轴实际电流id *，输出信号为参数D。所述电阻查表模块输入信号为所述参数Q和所述参数D，输出为所述估算电阻R。所述电感查表模块输入信号为所述参数Q和所述参数D，输出为所述估算电感L。
离线测量永磁同步电机电流与电阻、电感的映射关系，确定电阻、电感估算器内的查表模块的数值(查表模块是电流与电阻、电感的映射关系的离散表达形式)。具体步骤为：q轴目标电流从初值按一定的增量步增加到终值，同时测量q轴实际电流、电阻和电感，得到q轴电流与电阻、电感的映射关系。d轴目标电流从初值按一定的增量步增加到终值，同时测量d轴实际电流、电阻和电感，得到d轴电流与电阻、电感的映射关系。以q轴电流与电阻、电感的映射关系为主要映射关系，d轴电流与电阻、电感的映射关系为次要映射关系。在主要映射关系的基础上用次要映射关系进行修正，最终确定q轴电流查表模块1061、d轴电流查表模块1062、电阻查表模块1063和电感查表模块1064的数值。
q轴电流反馈控制器104的传递函数为：
d轴电流反馈控制器105的传递函数为：
根据反馈控制器最优参数决策器结构示意图，如图4所示。反馈控制器最优参数决策器107包含Kp_q查表模块1071和Ki_q查表模块1072、Kp_d查表模块1073和Ki_d查表模块1074。Kp_q查表模块1071输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述q轴反馈控制比例系数Kp_q。Ki_q查表模块1072输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述q轴反馈控制积分系数Ki_q。Kp_d查表模块1073输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述d轴反馈控制比例系数Kp_d。Ki_d查表模块1074输入信号为所述估算电阻R和所述估算电感L，输出信号为所述d轴反馈控制积分系数Ki_d。
电机参数的变化会影响电机电流控制效果，电机的电阻和电感变化会影响系统性能，容易导致电流产生较大的波动，进而导致电机产生较大的转矩波动。根据反馈控制器最优参数决策器内查表模块数值确定流程图，如图5所示，先设定电阻和电感的初值、增量步和终值，将电阻和电感从初值按增量步增加到终值，得到一组不同的电阻和电感参数，采用遗传算法计算出电机在不同电阻和不同电感下的最优PI参数，以电阻和电感、最优PI参数构成二维数表。最终确定反馈控制器最优参数决策器107内的查表模块数值。
Kp_q、Ki_q、Kp_d和Ki_d可以用以下映射关系表示。
Kp_q＝f1(R,L)
Ki_q＝f2(R,L)
Kp_d＝f3(R,L)
Ki_d＝f4(R,L)
电流前馈控制器101用于降低永磁同步电机的电流扰动，同时提高电机的响应速度。q轴电流反馈控制器104和d轴电流反馈控制器105，用于永磁同步电机的电流反馈控制，降低电机的稳态误差，提高电机的稳定性能和鲁棒性能。电流前馈控制器101传递函数采用二阶结构和电阻、电感估算器106与反馈控制器最优参数决策器107采用查表模块，易于进行嵌入式实现。
图6-8为现有永磁同步电机转矩控制技术一时域响应图、现有永磁同步电机转矩控制技术二时域响应图和本发明永磁同步电机转矩控制时域响应图。从图中可以看出，现有的永磁同步电机转矩控制技术中目标电流和实际电流之间差距较大，而本发明的永磁同步电机转矩控制装置控制下的实际电流紧紧跟随目标电流，实际电流跟随目标电流在0.01秒内，同时实际电流的波动在0.5安培之内，可见，本实施例的控制装置可以有效抑制永磁同步电机的转矩波动，永磁同步电机相应迅速。
本发明已经通过上述实例进行了说明，但应当理解的是，上述实例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种变型和修改，这些类型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
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