本發(fā)明涉及電力傳動(dòng)
技術(shù)領(lǐng)域:
:,尤其涉及永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制與轉(zhuǎn)矩控制精度
技術(shù)領(lǐng)域:
:,具體是指一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法。
背景技術(shù):
::應(yīng)用于新能源汽車場(chǎng)合的永磁同步電機(jī)由于無(wú)法在電機(jī)軸端安裝轉(zhuǎn)矩傳感器,因此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制并不是閉環(huán)控制,而是一種開(kāi)環(huán)控制,因此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的高精度控制存在較大的難度。由現(xiàn)代電機(jī)控制理論可知,永磁同步電機(jī)本身存在明確的數(shù)學(xué)模型,電機(jī)轉(zhuǎn)矩也存在明確的數(shù)學(xué)公式,但是轉(zhuǎn)矩公式嚴(yán)重依賴著電機(jī)相關(guān)參數(shù)(尤其是交直軸電感LdLq),而電機(jī)參數(shù)又是隨著電機(jī)的運(yùn)行而變化的,獲取電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)十分困難,因此利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的開(kāi)環(huán)控制并且保證一定的轉(zhuǎn)矩精度存在較大的難度。此外,MTPA(MaximumTorquePerAmpere,最大轉(zhuǎn)矩電流比)算法被證明能有效提高永磁同步電機(jī)的電流利用率,能夠達(dá)到以更小電流輸出更大轉(zhuǎn)矩的目的,其關(guān)鍵就在于MTPA角度,它直接決定了電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的id、iq分配情況,MTPA算法的理論公式同樣涉及到電機(jī)參數(shù)交直軸電感LdLq。在無(wú)法獲取準(zhǔn)確的LdLq的情況下,若能夠使用一種方法來(lái)近似模擬出理論最優(yōu)的MTPA曲線,便可在一定程度上提高電機(jī)的電流利用率。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),提供了一種能夠通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的高精度控制的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的具有如下構(gòu)成:該永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法,包括以下步驟:(1)進(jìn)行MTPA角度實(shí)驗(yàn),繪制轉(zhuǎn)矩關(guān)于MTPA角度和目標(biāo)電流的二維表格;(2)將最佳MTPA角度擬合成一條關(guān)于目標(biāo)電流is的四次方曲線,并得到該曲線的四次多項(xiàng)式;(3)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn),繪制目標(biāo)電流關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格;(4)根據(jù)目標(biāo)電流關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格,通過(guò)比例插值算法得到實(shí)際需要的目標(biāo)電流;(5)根據(jù)得到的實(shí)際需要的目標(biāo)電流,計(jì)算出相應(yīng)的電壓并控制電機(jī)。較佳地,所述的步驟(1)包括以下步驟:(1-1)將MTPA角度設(shè)為最小值;(1-2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)到基速或基速以下時(shí),記錄目標(biāo)電流is分別為0.5isN、isN、1.5isN和2isN時(shí)的轉(zhuǎn)矩,并分別記為:Te1_10°、Te2_10°、Te3_10°、Te4_10°,其中isN為額定電流;(1-3)增加MTPA角度,每隔預(yù)設(shè)一間隔的MTPA角度,重復(fù)步驟(2),直至MTPA角度達(dá)到最大值;(1-4)繪制轉(zhuǎn)矩關(guān)于MTPA角度和目標(biāo)電流的二維表格;(1-5)找出電流為0.5isN、isN、1.5isN、2isN時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的MTPA角度作為該電流下的最佳MTPA角度,并分別記為較佳地,所述的步驟(2)具體為:將最佳MTPA角度擬合成關(guān)于目標(biāo)電流is的四次多項(xiàng)式。較佳地,所述的步驟(3)包括以下步驟:(3-1)設(shè)定最小轉(zhuǎn)速,從轉(zhuǎn)矩為0Nm開(kāi)始,每隔一定間隔的轉(zhuǎn)矩記錄一次Is直至最大轉(zhuǎn)矩;(3-2)提高轉(zhuǎn)速,每隔一定間隔的轉(zhuǎn)速重復(fù)步驟(3-1),直至最高轉(zhuǎn)速;(3-3)繪制目標(biāo)電流Is關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格。較佳地,所述的步驟(4)包括以下步驟:(4-1)確定扭矩間隔Te_interval、轉(zhuǎn)速間隔Spd_interval。(4-2)確定查表最低轉(zhuǎn)速(最低轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速間隔的整數(shù)倍),若電機(jī)轉(zhuǎn)速小于最低轉(zhuǎn)速,按照這個(gè)轉(zhuǎn)速查表,將最低轉(zhuǎn)速除以轉(zhuǎn)速間隔的商記為Spd_index_a。(4-3)將電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速整除轉(zhuǎn)速間隔得到的商記為Spd_index_b,整除后的余數(shù)記為Spd_mod,轉(zhuǎn)速索引號(hào)Spd_index=Spd_index_b-Spd_index_a。(4-4)將電機(jī)目標(biāo)扭矩整除扭矩間隔得到的商記為扭矩索引號(hào)Te_index,整除后的余數(shù)記為Te_mod(4-5)根據(jù)式以下公式確定目標(biāo)電流Is:a=Is_table[Spd_index][Te_index];b=Is_table[Spd_index][Te_index+1];c=Is_table[Spd_index+1][Te_index];較佳地,所述的步驟(5)包括以下步驟:(5-1)根據(jù)目標(biāo)電流Is關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格,查表得到需要的目標(biāo)電流;(5-2)將is·sin(-MTPA_opti)與通過(guò)電壓閉環(huán)弱磁算法得到的delta_id相加后作為d軸參考電流id_ref,其中MTPA_opti=f(is),為關(guān)于目標(biāo)電流is的四次多項(xiàng)式;(5-3)將is與id_ref的平方差開(kāi)根號(hào)后的值作為q軸參考電流iq_ref;(5-4)將id_ref與iq_ref經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后生成dq軸電壓Ud、Uq;(5-5)將Ud、Uq經(jīng)過(guò)Park逆變換后得到Ualfa、Ubeta;(5-6)通過(guò)SVPWM調(diào)制算法生成開(kāi)關(guān)信號(hào),并控制逆變器三相橋臂的導(dǎo)通關(guān)斷。采用了該發(fā)明中的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法,提高了電機(jī)的電流利用率;在全范圍(包含恒扭矩區(qū)與恒功率區(qū))內(nèi)保證了扭矩控制精度;減少了前期數(shù)據(jù)采集與后期數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的工作量,具有廣泛的應(yīng)用范圍。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法的永磁同步電機(jī)的MTPA曲線示意圖。圖2為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法的最佳MTPA角度擬合曲線圖示意圖。圖3為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法的電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖。具體實(shí)施方式為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容,下面結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的描述。在一種可行的實(shí)施方式中,該永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法,包括以下步驟:(1)進(jìn)行MTPA角度實(shí)驗(yàn),繪制轉(zhuǎn)矩關(guān)于MTPA角度和目標(biāo)電流的二維表格;(2)將最佳MTPA角度擬合成一條關(guān)于目標(biāo)電流is的四次方曲線,并得到該曲線的四次多項(xiàng)式;(3)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn),繪制目標(biāo)電流關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格;(4)根據(jù)目標(biāo)電流關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格,通過(guò)比例插值算法得到實(shí)際需要的目標(biāo)電流;(5)根據(jù)得到的實(shí)際需要的目標(biāo)電流,計(jì)算出相應(yīng)的電壓并控制電機(jī)。在一種較佳的實(shí)施方式中,所述的步驟(1)包括以下步驟:(1-1)將MTPA角度設(shè)為最小值;(1-2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)到基速或基速以下時(shí),記錄目標(biāo)電流is分別為0.5isN、isN、1.5isN和2isN時(shí)的轉(zhuǎn)矩,并分別記為:Te1_10°、Te2_10°、Te3_10°、Te4_10°,其中isN為額定電流;(1-3)增加MTPA角度,每隔預(yù)設(shè)一間隔的MTPA角度,重復(fù)步驟(2),直至MTPA角度達(dá)到最大值;(1-4)繪制轉(zhuǎn)矩關(guān)于MTPA角度和目標(biāo)電流的二維表格;(1-5)找出電流為0.5isN、isN、1.5isN、2isN時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的MTPA角度作為該電流下的最佳MTPA角度,并分別記為在一種較佳的實(shí)施方式中,所述的步驟(2)具體為:將最佳MTPA角度擬合成關(guān)于目標(biāo)電流is的四次多項(xiàng)式。在一種較佳的實(shí)施方式中,所述的步驟(3)包括以下步驟:(3-1)設(shè)定最小轉(zhuǎn)速,從轉(zhuǎn)矩為0Nm開(kāi)始,每隔一定間隔的轉(zhuǎn)矩記錄一次Is直至最大轉(zhuǎn)矩;(3-2)提高轉(zhuǎn)速,每隔一定間隔的轉(zhuǎn)速重復(fù)步驟(3-1),直至最高轉(zhuǎn)速;(3-3)繪制目標(biāo)電流Is關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格。在一種較佳的實(shí)施方式中,所述的步驟(4)包括以下步驟:(4-1)確定扭矩間隔Te_interval、轉(zhuǎn)速間隔Spd_interval。(4-2)確定查表最低轉(zhuǎn)速(最低轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速間隔的整數(shù)倍),若電機(jī)轉(zhuǎn)速小于最低轉(zhuǎn)速,按照這個(gè)轉(zhuǎn)速查表,將最低轉(zhuǎn)速除以轉(zhuǎn)速間隔的商記為Spd_index_a。(4-3)將電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速整除轉(zhuǎn)速間隔得到的商記為Spd_index_b,整除后的余數(shù)記為Spd_mod,轉(zhuǎn)速索引號(hào)Spd_index=Spd_index_b-Spd_index_a。(4-4)將電機(jī)目標(biāo)扭矩整除扭矩間隔得到的商記為扭矩索引號(hào)Te_index,整除后的余數(shù)記為Te_mod(4-5)根據(jù)式以下公式確定目標(biāo)電流Is:a=Is_table[Spd_index][Te_index];b=Is_table[Spd_index][Te_index+1];c=Is_table[Spd_index+1][Te_index];在一種較佳的實(shí)施方式中,所述的步驟(5)包括以下步驟:(5-1)根據(jù)目標(biāo)電流Is關(guān)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的二維表格,查表得到需要的目標(biāo)電流;(5-2)將is·sin(-MTPA_opti)與通過(guò)電壓閉環(huán)弱磁算法得到的delta_id相加后作為d軸參考電流id_ref,其中MTPA_opti=f(is),為關(guān)于目標(biāo)電流is的四次多項(xiàng)式;(5-3)將is與id_ref的平方差開(kāi)根號(hào)后的值作為q軸參考電流iq_ref;(5-4)將id_ref與iq_ref經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后生成dq軸電壓Ud、Uq;(5-5)將Ud、Uq經(jīng)過(guò)Park逆變換后得到Ualfa、Ubeta;(5-6)通過(guò)SVPWM調(diào)制算法生成開(kāi)關(guān)信號(hào),并控制逆變器三相橋臂的導(dǎo)通關(guān)斷。本發(fā)明主要為解決兩個(gè)問(wèn)題,其一,提供一種工程實(shí)用方法來(lái)近似模擬出理論最優(yōu)的MTPA曲線;其二,提供一種提升永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度的方法,該方法在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩精度的同時(shí),能夠盡可能地減少前期數(shù)據(jù)采集的工作量。具體技術(shù)方案如下:首先對(duì)第一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明,永磁同步電機(jī)的MTPA理論公式為:若電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的id、iq分配若能完全吻合式(5),便能達(dá)到以最小電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的目的,永磁同步電機(jī)的MTPA曲線如圖1所示,從圖1可以看出,隨著電流is的增加,MTPA角度也慢慢增加,基于這一規(guī)律,可以考慮通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法將MTPA角度表示為關(guān)于電流is的多項(xiàng)式f(is),這樣就可以根據(jù)電流is實(shí)時(shí)地計(jì)算出當(dāng)前is下最佳的MTPA角度。其次對(duì)第二個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明,這里通過(guò)表1對(duì)第二個(gè)問(wèn)題中涉及到的比例內(nèi)插算法進(jìn)行舉例說(shuō)明。已知電機(jī)轉(zhuǎn)速5900rpm下,電機(jī)輸出20Nm/30Nm時(shí)分別需要電流is(本專利中的電流均指相電流幅值)為102A/116A,轉(zhuǎn)速6000rpm下,電機(jī)輸出20Nm/30Nm時(shí)分別需要電流is為109A/122A(這4個(gè)電流is的值通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)獲得),求5950rpm下,電機(jī)輸出25Nm時(shí)需要多大的給定電流is?計(jì)算如下:X=102+(25-20)*(116-102)/(30-20)+(5950-5900)*(109-102)/(6000-5900)=112.5表1is20Nm25Nm30Nm5900rpm102A116A5950rpmx6000rpm109A122A通過(guò)上面的例子可以看出只要知道3個(gè)離散點(diǎn),便可通過(guò)這種比例內(nèi)插法,將電機(jī)轉(zhuǎn)速5900rpm-6000rpm,目標(biāo)轉(zhuǎn)矩20Nm-30Nm內(nèi)的所有目標(biāo)電流is計(jì)算出來(lái)(電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),一定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),所需要的電流is近似地符合線性規(guī)律),計(jì)算出來(lái)后的is為一張關(guān)于轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的曲面。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速5900rpm時(shí),要使電機(jī)輸出20Nm轉(zhuǎn)矩,只需令目標(biāo)電流is為102A,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速5950rpm時(shí),要使電機(jī)輸出25Nm,只需令目標(biāo)電流is為112.5A即可。由以上分析可知:要知道電機(jī)在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),全部轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)需要的目標(biāo)電流,只需知道轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩間隔點(diǎn)處(比如5900rpm/20Nm、5900rpm/30Nm、6000rpm/20Nm)的電流is,間隔點(diǎn)之間的is可以通過(guò)比例內(nèi)插的方法獲得。因此本專利轉(zhuǎn)矩控制方法的關(guān)建就在于,建立目標(biāo)電流is的二維表格。通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)將電機(jī)轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速(比如1000rpm)后加大目標(biāo)電流is,使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩加大,待測(cè)功機(jī)顯示一定的轉(zhuǎn)矩(比如20Nm)時(shí),記錄下當(dāng)前的電機(jī)電流Is,之后繼續(xù)加大目標(biāo)電流,待測(cè)功機(jī)顯示一定的轉(zhuǎn)矩(比如40Nm)時(shí),記錄下當(dāng)前的Is,一直加到電機(jī)輸出最大功率,其中轉(zhuǎn)矩每隔多少Nm記錄一次Is(后面將轉(zhuǎn)矩間隔用Te_interval表示)可以任意調(diào)整,轉(zhuǎn)矩間隔越小,擬合精度越高,但數(shù)據(jù)量越大。待1000rpm下Is記錄完成后,可對(duì)下一個(gè)轉(zhuǎn)速(比如1500rpm)下不同轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的Is進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄(后面將轉(zhuǎn)速間隔用Spd_interval表示),轉(zhuǎn)速間隔可以任意調(diào)整,轉(zhuǎn)速間隔小,擬合精度高,數(shù)據(jù)量越大。但是轉(zhuǎn)速間隔并非越小越好,因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速間隔過(guò)小時(shí),進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)母線電壓的誤差,電機(jī)溫度差異等等不可控因素引起的Is誤差,會(huì)將小轉(zhuǎn)速間隔采樣下的Is精度掩蓋掉。因此對(duì)于不同電機(jī)合理選擇Te_interval、Spd_interval及其重要,在保證擬合精度的同時(shí)盡量記錄更少的Is以達(dá)到減少工作量的目的。在一種更為具體的實(shí)施方式中,以一款額定功率50kw,峰值功率100KW,4極對(duì),基速2500rpm,最高轉(zhuǎn)速8000rpm,峰值轉(zhuǎn)矩380Nm的永磁同步電機(jī)為例,介紹本專利的具體實(shí)施方式第一步,進(jìn)行MTPA角度實(shí)驗(yàn),先將MTPA角度設(shè)為10°,電機(jī)轉(zhuǎn)到基速(或基速以下),如2000rpm,目標(biāo)電流is分別為0.5isN(額定電流)、isN、1.5isN、2isN時(shí)記錄下測(cè)功機(jī)顯示的轉(zhuǎn)矩,分別記為:Te1_10°、Te2_10°、Te3_10°、Te4_10°。再將MTPA設(shè)為12°,記錄下4個(gè)目標(biāo)電流下的轉(zhuǎn)矩分為記為Te1_12°、Te2_12°、Te3_12°、Te4_12°。MTPA角度增加2°后再進(jìn)行一次臺(tái)架實(shí)驗(yàn),直至增加至50°,最后得到表2。表2Te10°12°14°……48°50°0.5isNTe1_10°Te1_12°Te1_50°isNTe2_10°Te2_12°Te2_50°1.5isNTe3_10°Te3_12°Te3_50°2isNTe4_10°Te4_12°Te4_50°比較目標(biāo)電流為0.5isN下,MTPA角度為10°至50°時(shí)的轉(zhuǎn)矩(Te1_10°…..Te1_50°),找出最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的MTPA角度為0.5isN時(shí)的最佳MTPA角度,記為分別找出isN、1.5isN、2isN下的最佳MTPA角度,記為第二步,將最佳MTPA角度(以下簡(jiǎn)稱MTPA_opti)擬合成一條關(guān)于目標(biāo)電流is的四次方曲線,利用數(shù)學(xué)軟件(比如MATLAB的擬合工具箱)可以方便地將最佳MTPA角度擬合成關(guān)于目標(biāo)電流is的四次多項(xiàng)式,MTPA_opti=f(is),擬合曲線如圖2所示。第三步,進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn),轉(zhuǎn)速?gòu)?000rpm起,測(cè)功機(jī)顯示的轉(zhuǎn)矩每隔20Nm記錄一次Is,直至峰值功率。轉(zhuǎn)速1500rpm,測(cè)功機(jī)顯示的轉(zhuǎn)矩每隔20Nm記錄一次Is,直至峰值功率。這樣轉(zhuǎn)速每隔500rpm,對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)矩重新記錄Is,直至最高轉(zhuǎn)速8000rpm為止,將記錄到的這些Is制成一個(gè)二維數(shù)組,定義一個(gè)數(shù)組Is_table[14][19],見(jiàn)表3,這個(gè)數(shù)組的大小為15行20列。表3至此,前期數(shù)據(jù)采樣與處理工作已經(jīng)完成,下面將結(jié)合圖3介紹本專利的轉(zhuǎn)矩控制方法。首先根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Te_cmd與電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速Spd執(zhí)行二維查表與比例插值算法,在得到目標(biāo)電流is后根據(jù)四次多項(xiàng)式擬合函數(shù)MTPA_opti=f(is),得到MTPA_opti。之后將is·sin(-MTPA_opti)與通過(guò)電壓閉環(huán)弱磁算法(圖中FluxWeakening)得到的delta_id相加后作為d軸參考電流id_ref。將is與id_ref的平方差開(kāi)根號(hào)后的值作為q軸參考電流iq_ref。id_ref與iq_ref經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后生成dq軸電壓Ud、Uq。Ud、Uq經(jīng)過(guò)Park逆變換后得到Ualfa、Ubeta,再經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制算法生成開(kāi)關(guān)信號(hào)控制逆變器三相橋臂的導(dǎo)通關(guān)斷。采用了該發(fā)明中的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法,提高了電機(jī)的電流利用率;在全范圍(包含恒扭矩區(qū)與恒功率區(qū))內(nèi)保證了扭矩控制精度;減少了前期數(shù)據(jù)采集與后期數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的工作量,具有廣泛的應(yīng)用范圍。在此說(shuō)明書中,本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是,很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此,說(shuō)明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的而非限制性的。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3