异步电机最大转矩电流比控制方法及系统
阅读说明：本技术 异步电机最大转矩电流比控制方法及系统 (Method and system for controlling maximum torque current ratio of asynchronous motor ) 是由 胡冰 张利军 崔晓光 邵春伟 咸粤飞 张勋 李泽元 赵许强 袁超 谢峥 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种异步电机最大转矩电流比控制方法,包括：根据转矩请求,在MTPA控制模式下,在交直轴电流等值正交分解条件下,确定直轴第一参考电流；同步将SVPWM调制中非零开关时间量在弱磁PI调节条件下,确定直轴第二参考电流；在非弱磁区和弱磁区频繁切换时,引入开关时间量阈值,将引入的开关时间量阈值与非零开关时间量比较,由直轴第一参考电流与直轴第二参考电流确定直轴电流参考值；由转矩请求和直轴电流参考值,确定交轴参考电流中间值,并根据最大滑差频率和峰值输出电流限制交轴参考电流中间值的幅值,确定交轴电流参考值。该方法解决了非弱磁区和弱磁区频繁切换时输出电流畸变的问题,实现异步电机全转速范围内最大转矩电流比控制。(The invention relates to a method for controlling the maximum torque current ratio of an asynchronous motor, which comprises the following steps: according to the torque request, under the MTPA control mode and under the condition of quadrature-axis and direct-axis current equivalent quadrature decomposition, determining a direct-axis first reference current; synchronously determining a second reference current of a direct axis for non-zero switching time in SVPWM under the condition of weak magnetic PI regulation; when the non-weak magnetic area and the weak magnetic area are frequently switched, introducing a switching time quantity threshold, comparing the introduced switching time quantity threshold with non-zero switching time quantity, and determining a direct-axis current reference value by using a direct-axis first reference current and a direct-axis second reference current; and determining a quadrature-axis reference current intermediate value according to the torque request and the direct-axis current reference value, and limiting the amplitude of the quadrature-axis reference current intermediate value according to the maximum slip frequency and the peak output current to determine the quadrature-axis current reference value. The method solves the problem of output current distortion when the non-weak magnetic region and the weak magnetic region are frequently switched, and realizes the maximum torque current ratio control within the full rotating speed range of the asynchronous motor.)
技术领域
本发明属于MTPA控制技术领域，尤其涉及异步电机最大转矩电流比控制方法及系统。
背景技术
目前绝大多数异步电机最大转矩电流比(MTPA)控制策略基于SVPWM调制比反馈以实现对高速弱磁区最大化利用电池电压，并不涉及非弱磁区的电流分配；同时，三相异步电机高速运行时，非弱磁区和弱磁区频繁切换存在输出电流畸变的问题，导致系统不稳定。
因此，本发明考虑对现有的MTPA控制策略进行改进，使其在非弱磁区和弱磁区频繁切换时，能够实现转矩电流最优控制的平滑过渡，保证系统稳定可靠。
发明内容
本发明提供了一种异步电机最大转矩电流比控制方法及系统，根据空间矢量脉冲调制中非零矢量的作用时间和转矩公式等值正交分解策略确定直轴电流参考值，实现非弱磁区和弱磁区转矩电流最优控制的平滑过渡，并在达到每磁通最大转矩的滑差角频率时限制交轴电流参考值的幅值，保证系统稳定可靠。
为了实现上述目的，本发明提供了一种异步电机最大转矩电流比控制方法，包括：
根据转矩请求
同步将SVPWM调制中非零开关时间量在弱磁PI调节条件下，确定直轴第二参考电流Isd_ref2；
在非弱磁区和弱磁区频繁切换时，引入开关时间量阈值，将引入的开关时间量阈值与非零开关时间量比较，由直轴第一参考电流isd_ref1与直轴第二参考电流Isd_ref2确定直轴电流参考值Isd_ref；
由转矩请求和直轴电流参考值Isd_ref，根据电磁转矩公式确定交轴参考电流中间值
根据最大滑差频率ωsmax和峰值输出电流Ismax限制交轴参考电流中间值Isq_ref1的上下限幅值，确定交轴电流参考值Isq_ref。
优选的，计算直轴第一参考电流isd_ref1的具体方法为：
转子磁场定向矢量控制策略下，由油门信号产生转矩请求当交直轴电流等值正交分解,即Isd＝Isq时，转矩电流最优，由电机电磁转矩与交直轴电流的关系式：可得直轴第一参考电流中间值Isd_ref1_mid：
根据电机输出特性限制直轴第一参考电流中间值Isd_ref1_mid的上下限幅值，上限为空载电流幅值，下限为满足最高转速运行的直轴弱磁电流，得到直轴第一参考电流Isd_ref1。
优选的，计算直轴第二参考电流Isd_ref2的具体方法为：
取SVPWM调制中最近四个开关周期的非零开关时间量，平均滤波后得到非零开关时间量T1+T2，作为弱磁PI环反馈值；
将给定的开关时间参考值Tref与非零开关时间量T1+T2比较后经过弱磁PI环调节得到第二参考电流中间值Isd_ref2_mid：
其中：KP、KI为PI调节系数；
根据电机输出特性限制直轴第二参考电流中间值Isd_ref2_mid的上下限幅值，上限为空载电流幅值，下限为满足最高转速运行的直轴弱磁电流，得到直轴第二参考电流Isd_ref2。
优选的，确定直轴电流参考值Isd_ref的具体方法为：
引入开关时间量阈值K1*Tref，其中K1为小于1大于0的常数；
当非零开关时间量T1+T2＜K1*Tref时，则直轴电流参考值Isd_ref等于直轴第一参考电流Isd_ref1，即Isd_ref＝Isd_ref1，弱磁PI环积分增益实时继承直轴电流参考值Isd_ref；
当非零开关时间量T1+T2≥K1*Tref时，用直轴第一参考电流Isd_ref1限制直轴第二参考电流Isd_ref2的上限值后，令直轴电流参考值Isd_ref等于直轴第二参考电流Isd_ref2，即Isd_ref＝Isd_ref2。
优选的，根据最大滑差频率ωsmax和峰值输出电流Ismax限制交轴参考电流中间值Isq_ref1的上下限幅值，确定交轴电流参考值Isq_ref的方法为：
由电机驱动器和异步电机过载能力获取峰值电流Ismax，由直轴电流参考值Isd_ref，交直轴电流正交分解，计算得到交轴第一限制电流：
根据最大转矩得到对应的最大滑差，设定定子电阻Rs＝0后，得到最大滑差频率：
其中：Rr为转子电阻，Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为定转子互感；
由最大滑差频率ωsmax计算得到交轴第二限制电流：
其中：Tr为转子时间常数；
比较Isq_max1、Isq_max2的大小，取较小值为最终交轴限制电流Isq_max，即
由交轴限制电流Isq_max对交轴参考电流中间值Isq_ref1进行上下限幅，进而得到交轴电流参考值Isq_ref。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制方法进一步包括：
将电机转子位置角度θr微分计算得到机械转速ωr，将滑差频率ωs与机械转速ωr之和积分计算得到同步位置角θe。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制方法进一步包括：
将电机的相电流Isa、Isb、与Isa、Isb的差值Isc，以及同步位置角θe进行同步旋转坐标变换，得到直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制方法进一步包括：
将直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb作为反馈电流，与交直轴电流参考值Isd_ref、Isq_ref的差值进行双电流PI闭环调节，得到直轴、交轴参考电压
将直轴、交轴参考电压
将静止坐标系下的参考电压经过SVPWM调制后得到开关信号并输入至逆变器控制电机，实现对异步电机最大转矩电流比控制。
本发明还提供了一种异步电机最大转矩电流比控制系统，包括逆变器、异步电机；还包括直轴电流参考值计算单元，所述直轴电流参考值计算单元包括直轴第一参考电流计算单元与直轴第二参考电流计算单元、直轴电流参考值判定单元；
所述直轴第一参考电流计算单元用于根据转矩请求
所述直轴第二参考电流计算单元用于将SVPWM调制中非零开关时间量在弱磁PI调节条件下，得到直轴第二参考电流中间值Isd_ref2_mid，并根据电机输出特性进行限幅处理，确定直轴第二参考电流Isd_ref2；
所述直轴电流参考值判定单元用于在非弱磁区和弱磁区频繁切换时，引入开关时间量阈值，将引入的开关时间量阈值与非零开关时间量比较，由直轴第一参考电流isd_ref1与直轴第二参考电流Isd_ref2确定直轴电流参考值Isd_ref。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制系统还包括交轴电流参考值计算单元，所述交轴电流参考值计算单元包括交轴参考电流中间值计算单元、交轴限制电流计算单元、交轴电流参考值判定单元；
所述交轴参考电流中间值计算单元由转矩请求和直轴电流参考值Isd_ref，根据电磁转矩公式确定交轴参考电流中间值Isq_ref1；
所述交轴限制电流计算单元根据最大滑差频率ωsmax和峰值输出电流Ismax确定交轴限制电流Isq_max；
所述交轴电流参考值判定单元由交轴限制电流Isq_max对交轴参考电流中间值Isq_ref1进行上下限幅，确定交轴电流参考值Isq_ref。
优选的，所述交轴限制电流计算单元包括交轴第一限制电流计算单元、交轴第二限制电流计算单元、交轴限制电流判定单元；
所述交轴第一限制电流计算单元由峰值电流Ismax与直轴电流参考值Isd_ref，交直轴电流正交分解，得到交轴第一限制电流Isq_max1；
所述交轴第二限制电流计算单元由最大滑差频率ωsmax，得到交轴第二限制电流Isq_max2；
所述交轴限制电流判定单元用于取Isq_max1、Isq_max2的较小值作为最终交轴限制电流Isq_max。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制系统进一步包括同步位置角计算单元，用于将旋转变压器采集的电机转子位置角度θr微分计算得到机械转速ωr，将滑差频率ωs与机械转速ωr之和积分计算得到同步位置角θe。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制系统进一步包括3s/2s变换单元，用于将采集的相电流Isa、Isb、与Isa、Isb的差值Isc，以及同步位置角θe进行同步旋转坐标变换，得到直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb。
优选的，所述的异步电机最大转矩电流比控制系统进一步包括交直轴PI调节单元、Ipark变换单元、SVPWM调制单元；
所述交直轴PI调节单元：用于将直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb作为反馈电流，与交直轴电流参考值Isd_ref、Isq_ref的差值进行双电流PI闭环调节，得到直轴、交轴参考电压
所述Ipark变换单元用于将直轴、交轴参考电压以及同步位置角θe进行Park反变换，得到静止坐标系下的参考电压
所述SVPWM调制单元：用于以静止坐标系下的参考电压为调制波，对逆变器进行SVPWM调制。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供了一种异步电机最大转矩电流比控制方法，基于新的交、直轴电流参考值产生策略，对于直轴电流参考值，通过转矩公式等值正交分解计算和弱磁环PI调节，并引入开关时间量判断条件确定最终的直轴电流参考值，能够保证全转速范围内转矩电流最优，并且保证弱磁区和非弱磁区的平滑切换，使系统稳定可靠运行。同时，通过引入弱磁区最大滑差频率和峰值输出电流限制交轴电流参考值上下限幅值，保证系统在深度弱磁区稳定可靠运行。该交直轴电流参考值产生策略解决了非弱磁区和弱磁区频繁切换时输出电流畸变的问题，实现了三相异步电机全转速范围内最大转矩电流比控制。同时，根据该方法，本发明还提供了相应的异步电机最大转矩电流比控制系统。
附图说明
图1为本发明的三相异步电机最大转矩电流比控制框图；
图2为直轴电流参考值产生流程图；
图3为交轴电流参考值产生流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明实施例针对在电动汽车的实际应用工况中，既要有很宽的弱磁区，保证异步电机可以高速运行，又要保证转矩电流最优控制，使电池效率达到最大化利用的实际需求，考虑提供一种异步电机最大转矩电流比控制方法，用以实现电动汽车用三相异步电机全转速范围内最大转矩电流比控制，并且通过合理的交直轴参考电流产生策略保证非弱磁区和弱磁区频繁切换的稳定性。
该最大转矩电流比(MTPA)控制方法基于d、q轴旋转坐标系的直接电流PI控制结构，控制框图如图1所示，励磁电流d轴称之为直轴，转矩电流q轴称之为交轴，针对直轴电流参考值和交轴电流参考值提出新的产生策略，即根据空间矢量脉冲调制中非零矢量的作用时间和转矩公式等值正交分解策略合理选取直轴电流参考值，实现非弱磁区和弱磁区转矩电流最优控制的平滑过渡，并且自动识别弱磁边界，在达到每磁通最大转矩的滑差角频率时限制交轴电流参考值的幅值上下限，保证系统稳定可靠。该异步电机最大转矩电流比控制方法具体包括：
(1)计算直轴电流参考值Isd_ref：
本实施例提出一种直轴电流参考值Isd_ref产生策略，通过交直轴电流等值正交分解产生直轴第一参考电流isd_ref1和非零空间电压矢量弱磁PI调节产生直轴第二参考电流Isd_ref2，两者同时工作；非弱磁区和弱磁区频繁切换时，通过引入开关时间量阈值，产生最终的直轴电流参考值Isd_ref。如图1、图2所示，具体方法为：
①根据转矩请求
转子磁场定向矢量控制策略下，由油门信号产生转矩请求当交直轴电流等值正交分解即Isd＝Isq时，转矩电流最优，由电机电磁转矩与交直轴电流的关系式：可得直轴第一参考电流中间值Isd_ref1_mid：
然后，根据电机输出特性限制直轴第一参考电流中间值Isd_ref1_mid的上下限幅值，上限为空载电流幅值，下限为满足最高转速运行的直轴弱磁电流，得到直轴第一参考电流Isd_ref1。
②同步将SVPWM调制中非零开关时间量在弱磁PI调节条件下，确定直轴第二参考电流Isd_ref2。具体为：
取SVPWM调制中最近四个开关周期的非零开关时间量，平均滤波后得到非零开关时间量T1+T2，作为弱磁PI环反馈值；
将给定的开关时间参考值Tref与非零开关时间量T1+T2比较后经过弱磁PI环调节得到第二参考电流中间值Isd_ref2_mid：
其中：KP、KI为PI调节系数，开关时间参考值Tref一般取0.9～0.96，T1+T2已经标幺化。
然后，根据电机输出特性限制直轴第二参考电流中间值Isd_ref2_mid的上下限幅值，上限为空载电流幅值，下限为满足最高转速运行的直轴弱磁电流，得到直轴第二参考电流Isd_ref2。需要注意地是，本实施例中直轴第一参考电流Isd_ref1与直轴第二参考电流Isd_ref2的确定过程需要同步进行。
③在非弱磁区和弱磁区频繁切换时，通过引入开关时间量阈值K1*Tref，其中K1为小于1大于0的常数；
将引入的开关时间量阈值K1*Tref与非零开关时间量T1+T2比较:当非零开关时间量T1+T2＜K1*Tref时，则直轴电流参考值Isd_ref等于直轴第一参考电流Isd_ref1，即Isd_ref＝Isd_ref1，弱磁PI环积分增益实时继承直轴电流参考值Isd_ref；当非零开关时间量T1+T2≥K1*Tref时，用直轴第一参考电流Isd_ref1限制直轴第二参考电流Isd_ref2的上限值后，并令直轴电流参考值Isd_ref等于直轴第二参考电流Isd_ref2，即Isd_ref＝Isd_ref2。
(2)计算交轴电流参考值Isq_ref，参考图1、图3所示，具体方法为：
①由转矩请求和直轴电流参考值Isd_ref，根据电磁转矩公式确定交轴参考电流中间值
②根据最大滑差频率ωsmax和峰值输出电流Ismax限制交轴参考电流中间值Isq_ref1的上下限幅值，确定交轴电流参考值Isq_ref。具体的：
由电机驱动器和异步电机过载能力获取峰值电流Ismax，由直轴电流参考值Isd_ref，交直轴电流正交分解，计算得到交轴第一限制电流：
根据最大转矩得到对应的最大滑差，设定定子电阻Rs＝0后，得到最大滑差频率：
其中：Rr为转子电阻，Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为定转子互感；
由最大滑差频率ωsmax计算得到交轴第二限制电流：
其中：Tr为转子时间常数；
比较Isq_max1、Isq_max2的大小，取较小值为最终交轴限制电流Isq_max，即
由交轴限制电流Isq_max对交轴参考电流中间值Isq_ref1进行上下限幅，进而得到交轴电流参考值Isq_ref。
(3)如图1所示，本实施例中异步电机最大转矩电流比控制方法进一步包括如下步骤：
将电机转子位置角度θr微分计算得到机械转速ωr，将滑差频率ωs与机械转速ωr之和积分计算得到同步位置角θe；
将电机的相电流Isa、Isb、与Isa、Isb的差值Isc，以及同步位置角θe进行同步旋转坐标变换，得到直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb；
将直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb作为反馈电流，与交直轴电流参考值Isd_ref、Isq_ref的差值进行双电流PI闭环调节，得到直轴、交轴参考电压
将直轴、交轴参考电压
将静止坐标系下的参考电压经过SVPWM调制后得到开关信号输入至逆变器控制电机，实现对异步电机最大转矩电流比控制。
本实施例中提出的最大转矩电流比控制方法，基于新的交、直轴电流参考值产生策略，对于直轴电流参考值，通过转矩公式等值正交分解计算和弱磁环PI调节，两种方式同时工作，通过引入开关时间量判断条件确定最终的直轴电流参考值，能够保证全转速范围内转矩电流最优，并且保证弱磁区和非弱磁区的平滑切换，使系统稳定可靠运行。同时，通过引入弱磁区最大滑差频率和控制器峰值输出电流限制交轴电流参考值上下限幅值，保证系统在深度弱磁区稳定可靠运行。该交直轴电流参考值产生策略解决了非弱磁区和弱磁区频繁切换时输出电流畸变的问题，实现了电动汽车用三相异步电机全转速范围内最大转矩电流比控制。
根据上述的异步电机最大转矩电流比控制方法，本发明还提供了相应的异步电机最大转矩电流比控制系统，参考图1所示，其包括直轴电流参考值计算单元、交轴电流参考值计算单元、同步位置角计算单元、3s/2s变换单元、交直轴PI调节单元、Ipark变换单元、SVPWM调制单元。各单元具体为：
直轴电流参考值计算单元包括直轴第一参考电流计算单元与直轴第二参考电流计算单元、直轴电流参考值判定单元。其中：
直轴第一参考电流计算单元：用于根据转矩请求
直轴第二参考电流计算单元：用于将SVPWM调制中非零开关时间量在弱磁PI调节条件下，得到直轴第二参考电流中间值Isd_ref2_mid，并根据电机输出特性进行限幅处理，确定直轴第二参考电流Isd_ref2。
直轴电流参考值判定单元：用于在非弱磁区和弱磁区频繁切换时，通过引入开关时间量阈值，将引入的开关时间量阈值与非零开关时间量比较，由直轴第一参考电流isd_ref1与直轴第二参考电流Isd_ref2确定直轴电流参考值Isd_ref。
交轴电流参考值计算单元包括交轴参考电流中间值计算单元、交轴限制电流计算单元、交轴电流参考值判定单元。其中：
交轴参考电流中间值计算单元：由转矩请求
交轴限制电流计算单元：根据最大滑差频率ωsmax和峰值输出电流Ismax确定交轴限制电流Isq_max；其具体包括交轴第一限制电流计算单元、交轴第二限制电流计算单元、交轴限制电流判定单元。其中，交轴第一限制电流计算单元由峰值电流Ismax与直轴电流参考值Isd_ref，交直轴电流正交分解，得到交轴第一限制电流Isq_max1；交轴第二限制电流计算单元由最大滑差频率ωsmax，得到交轴第二限制电流Isq_max2；交轴限制电流判定单元用于取Isq_max1、Isq_max2的较小值作为最终交轴限制电流Isq_max。
交轴电流参考值判定单元：由交轴限制电流Isq_max对交轴参考电流中间值Isq_ref1进行上下限幅，确定交轴电流参考值Isq_ref。
同步位置角计算单元：用于将旋转变压器采集的电机转子位置角度θr微分计算得到机械转速ωr，将滑差频率ωs与机械转速ωr之和积分计算得到同步位置角θe。
3s/2s变换单元：用于将采集的相电流Isa、Isb、与Isa、Isb的差值Isc，以及同步位置角θe进行同步旋转坐标变换，得到直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb。
交直轴PI调节单元：用于将直轴、交轴电流Isd_fdb、Isq_fdb作为反馈电流，与交、直轴电流参考值Isd_ref、Isq_ref的差值进行双电流PI闭环调节，得到直轴、交轴参考电压
Ipark变换单元：用于将直轴、交轴参考电压以及同步位置角θe进行Park反变换，得到静止坐标系下的参考电压
SVPWM调制单元：用于以静止坐标系下的参考电压为调制波，对逆变器进行SVPWM调制，实现对异步电机最大转矩电流比控制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
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