[发明专利]一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法

摘要

本发明公开了一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，其特征是：基于凸极式永磁同步电机的转矩估计，将指令转矩与转矩估计进行比较，通过单转矩闭环PI调节器生成逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角，鉴于逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角和电机输出的电磁转矩之间存在单调关系，单独控制逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角实现控制系统在弱磁区的动态转矩控制。本发明有效克服了传统的基于双电流PI调节器闭环控制的凸极式永磁同步电机控制系统运行于弱磁区时出现的调节器饱和故障且兼具鲁棒性强的技术优势，能够实现电动汽车电驱动系统安全可靠地持续运行。

主权项

一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，设置凸极式永磁同步电机的控制系统包括：恒转矩区电压指令发生器、弱磁区电压指令发生器、SVPWM调制模块、逆变器、电流传感器、位置传感器和电压传感器；所述恒转矩区电压指令发生器包括恒转矩区定子电流指令表、恒转矩区定子直轴电流PI调节器和恒转矩区定子交轴电流PI调节器；所述弱磁区电压指令发生器包括转矩估计模块和转矩闭环PI调节器；其特征是：所述转矩控制方法按如下步骤进行：步骤一、设定控制系统运行的采样周期为T_s；步骤二、按如下方式获得第k个采样周期实际定子直轴电流i_d(k)，第k个采样周期实际定子交轴电流i_q(k)，第k个采样周期转子实际位置角α(k)和第k个采样周期转子实际转速ω_m(k)：利用电流传感器检测获得第k个采样周期定子a相电流i_a(k)和第k个采样周期定子b相电流i_b(k)，利用位置传感器检测获得第k个采样周期转子实际位置角α(k)，通过式(1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下凸极式永磁同步电机第k个采样周期实际定子直轴电流i_d(k)和第k个采样周期实际定子交轴电流i_q(k)：$\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right.==\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\left(k\right)& \cos (\mathrm{\α}\left(k\right)-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\α}\left(k\right)+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\α}\left(k\right)& -\sin (\mathrm{\α}\left(k\right)-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\α}\left(k\right)+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(k\right)\\ i_b\left(k\right)\\ -(i_a\left(k\right)+i_b\left(k\right))\end{array}\right]---\left(1\right)$式(1)中，k≥1且k取为正整数，k＝1,2,3,…；利用第k个采样周期转子实际位置角α(k)计算获得第k个采样周期转子实际转速ω_m(k)；步骤三、控制系统运行于恒转矩区时，利用恒转矩区电压指令发生器获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令并按如下步骤判断控制系统是否需要从恒转矩区进入弱磁区运行：a、控制系统运行于恒转矩区时，采用最大转矩电流比控制策略按如下方式实现电磁转矩的动态控制：根据第k个采样周期指令转矩查找恒转矩区定子电流指令表获得第k个采样周期定子直轴电流指令和第k个采样周期定子交轴电流指令由式(2)获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的恒转矩区直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的恒转矩区交轴指令$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}\left(k\right)=k_{\mathrm{pd}}(i_d^{*}\left(k\right)-i_d\left(k\right))+k_{\mathrm{id}}{T}_s\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(i_d^{*}\left(i\right)-i_d\left(i\right))\\ u_{q1}^{*}\left(k\right)=k_{\mathrm{pq}}(i_q^{*}\left(k\right)-i_q\left(k\right))+k_{\mathrm{iq}}{T}_s\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(i_q^{*}\left(i\right)-i_q\left(i\right))\end{array}\right.---\left(2\right)$式(2)中，k_pd为恒转矩区定子直轴电流PI调节器比例系数，k_id为恒转矩区定子直轴电流PI调节器积分系数；k_pq为恒转矩区定子交轴电流PI调节器比例系数，k_iq为恒转矩区定子交轴电流PI调节器积分系数；b、按式(3)计算获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{*}\left(k\right)=u_{d1}^{*}\left(k\right)\\ u_q^{*}\left(k\right)=u_{q1}^{*}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$c、根据第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令以及第k个采样周期转子实际位置角α(k)，经过SVPWM调制模块生成第k个采样周期逆变器控制信号S_a(k)、S_b(k)、S_c(k)，控制永磁同步电机定子三相电压，实现对凸极式永磁同步电机在恒转矩区的动态转矩控制；d、按式(4)计算获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的恒转矩区幅值U_m1(k)：$U_{m1}\left(k\right)=\sqrt{{\left(u_d^{*}\left(k\right)\right)}^2+{\left(u_q^{*}\left(k\right)\right)}^2}---\left(4\right)$e、逆变器采用SVPWM线性调制策略，并忽略逆变器的非线性，根据式(5)实现控制系统从恒转矩区到弱磁区的切换；其中U_dc(k)是通过电压传感器检测到的第k个采样周期逆变器直流侧电压；当式(5)中Δ(k)大于等于零，控制系统保持在恒转矩区运行，并在步骤二至步骤三中按采样周期T_s循环，实现控制系统在恒转矩区的转矩控制以及从恒转矩区到弱磁区的切换，当式(5)中Δ(k)小于零，表示逆变器达到其输出能力的极限，在下一采样周期到来时，控制系统切换到弱磁区运行；步骤四、控制系统运行于弱磁区时，利用弱磁区电压指令发生器按如下方式获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令a、假定在执行步骤三时，在k＝m‑1，即第m‑1个采样周期时，式(5)中的Δ(m‑1)小于零，则控制系统在第m个采样周期到来时运行于弱磁区，此时k＝m，m为正整数；b、为了实现控制系统从恒转矩区到弱磁区的平滑切换，将控制系统在恒转矩区运行时第m‑1个采样周期的逆变器参考电压矢量的恒转矩区相位角终值作为控制系统在弱磁区运行时转矩闭环PI调节器中积分器的初值β₀，所述转矩闭环PI调节器中积分器的初值β₀由式(6)给出：${\mathrm{\β}}_0=\mathrm{arctam}\left(\frac{u_q^{*}(m-1)}{u_d^{*}(m-1)}\right)+\mathrm{\π}---\left(6\right);$式(6)中，为k＝m‑1，即第m‑1个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令为k＝m‑1，即第m‑1个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴轴指令c、所述控制方法是基于数字微处理器实现，所述数字微处理器是实施离散控制，因此，计算获得的第k‑2个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k‑2个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令在第k‑1个采样周期才会作用于实际电机，生成第k个采样周期实际定子直轴电流i_d(k)和第k个采样周期实际定子交轴电流i_q(k)；因此，控制系统在第m个采样周期切换至弱磁区运行时，此时k＝m，根据第k‑2个采样周期逆变器参考电压矢量直轴指令第k‑2个采样周期逆变器参考电压矢量交轴指令第k个采样周期实际定子直轴电流i_d(k)，第k个采样周期实际定子交轴电流i_q(k)和第k个采样周期转子实际转速ω_m(k)，利用转矩估计模块获得第k个采样周期估计转矩如式(7)：${\hat{T}}_e\left(k\right)=\frac{\frac{3}{2}(u_d^{*}(k-2)i_d\left(k\right)+u_q^{*}(k-2)i_q\left(k\right))-\frac{3}{2}{R}_s({\left(i_d\left(k\right)\right)}^2+{\left(i_q\left(k\right)\right)}^2)}{{\mathrm{\ω}}_m\left(k\right)}---\left(7\right)$式(7)中，R_s为定子绕组相电阻；d、按式(8)生成第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角β(k)：$\mathrm{\β}\left(k\right)=k_{\mathrm{pt}}(T_2^{*}\left(k\right)-{\hat{T}}_e\left(k\right))+k_{\mathrm{it}}{T}_s\underset{i=m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(T_e^{*}\left(i\right)-{\hat{T}}_e\left(i\right))+{\mathrm{\β}}_0---\left(8\right)$式(8)中，k_pt为转矩闭环PI调节器的比例系数；k_it为转矩闭环PI调节器的积分系数；e、对于逆变器采用SVPWM线性调制策略，并忽略逆变器的非线性，考虑到逆变器已达到其输出能力的极限，则第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区幅值U_m2(k)计算依据如式(9)所示：$U_{m2}\left(k\right)=U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)/\sqrt{3}---\left(9\right)$f、将第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区幅值U_m2(k)与第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角β(k)输入至弱磁区电压指令发生器，按式(10)生成第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区交轴指令$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d2}^{*}\left(k\right)=U_{m2}\left(k\right)\cos \mathrm{\β}\left(k\right)\\ u_{q2}^{*}\left(k\right)=U_{m2}\left(k\right)\sin \mathrm{\β}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$g、控制系统在弱磁区运行时，生成第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令如式(11)所示；$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{*}\left(k\right)=u_{d2}^{*}\left(k\right)\\ u_q^{*}\left(k\right)=u_{q2}^{*}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$h、根据第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令以及第k个采样周期转子实际位置角α(k)，经过SVPWM调制模块生成第k个采样周期逆变器控制信号S_a(k)、S_b(k)、S_c(k)，控制永磁同步电机定子三相电压；i、按采样周期T_s循环实施步骤二和步骤四，实现对凸极式永磁同步电机在弱磁区的动态转矩控制。