一種車載永磁同步電機(jī)矢量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及電機(jī)的控制方法，特別是一種車載永磁同步電機(jī)矢量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機(jī)是一種尚性能、尚效率的調(diào)速電機(jī)，主要應(yīng)用于尚控制精度和尚可 靠性場合，目前也廣泛應(yīng)用于有軌電車、電動(dòng)汽車等軌道交通領(lǐng)域。在這些場合，由于模塊 功率較大，運(yùn)行頻率要求高，具有載頻低、運(yùn)行頻率高等特點(diǎn)，從而造成電流采樣波動(dòng)大，電 流環(huán)帶寬較低，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，永磁同步電機(jī)由于自身磁場特性及外部指令會(huì)造成 轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。例如中國發(fā)明專利《電動(dòng)汽車用異步電機(jī)矢量控制 方法》，申請?zhí)枮?01410074936.9，公開了包括由司機(jī)根據(jù)需要確定轉(zhuǎn)矩給定T*e后，確定d 軸電流給定i*sd=ifc/Lm，q軸電流給定i*sq=KmT*e/i*sd，由電流傳感器檢測后，經(jīng)3s/ 2s、2s/2r變換得到d、q軸電流反饋isd、isq，分別對d、q軸電流給定i*sd、i*sq和電流反 饋isd、isq的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出電壓u*sd、u*sq，經(jīng)過2r/2s變換得到控制空間矢量 PWM逆變器，調(diào)制獲得三相交流電，從而驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)運(yùn)行。該方法對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接 控制，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。但是由于電流采樣及電流環(huán)延時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時(shí) 由于齒槽效應(yīng)等自身磁場特性及外部指令會(huì)造成轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種車載永磁同步電機(jī)矢量控制方法，適用于 載頻低、運(yùn)行頻率高的車載永磁同步電機(jī)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種車載永磁同步電 機(jī)矢量控制方法，其步驟包括： 第一，檢測電機(jī)速度，獲取電機(jī)的速度反饋V，比較速度指令，和速度反饋v之間的偏差e，采用PI控制器計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流，PI控制器輸出指令i*cipid;i*qcomp 第二，根據(jù)比較速度指令，和速度反饋v之間的偏差e，采用重復(fù)控制器再計(jì)算轉(zhuǎn)矩電 流補(bǔ)償控制指令i*qcomp，結(jié)合第一步中計(jì)算的轉(zhuǎn)矩電流PI控制器輸出i*qpid，得到實(shí)際 生效的轉(zhuǎn)矩電流指令i*q; 第三，設(shè)計(jì)電流采樣及電流環(huán)計(jì)算策略，在載頻低、運(yùn)行頻率高的車載永磁同步電機(jī)應(yīng) 用場合，采用獨(dú)立的電流采樣中斷和PWM發(fā)波中斷； 第四，根據(jù)第三步設(shè)計(jì)的電流采樣及電流環(huán)計(jì)算策略，控制勵(lì)磁電流指令i*d=0,結(jié)合 第二步中的矩電流指令i*q來執(zhí)行電流環(huán)PI控制，并計(jì)算dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的輸出電壓指令 u氺d、u氺qs 第五，根據(jù)檢測得到的速度反饋V，計(jì)算求出轉(zhuǎn)子電氣角度Θ，再結(jié)合步驟第四步中4旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的輸出電壓，采用異步調(diào)制和同步調(diào)制相結(jié)合的PWM調(diào)制方法，生成PWM斬波對 電機(jī)進(jìn)行控制。
[0005]優(yōu)選的是，所述第三步的具體步驟包括： A、 在滿足程序執(zhí)行時(shí)間的前提下，可以盡可能提高電流采樣中斷頻率，執(zhí)行電流環(huán)的 反饋電流并采用一個(gè)電流環(huán)執(zhí)行周期內(nèi)的平均值，從而減小電流采樣波動(dòng)及準(zhǔn)確性； B、PWM發(fā)波中斷執(zhí)行電流環(huán)計(jì)算輸出電壓，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，其輸出電壓的PWM波的 計(jì)算位置和生效位置通常不一致，會(huì)產(chǎn)生電流環(huán)延時(shí)，限制電流環(huán)帶寬，因此采用在PWM三 角載波的中間位置或更靠近PWM波的生效位置執(zhí)行電流環(huán)計(jì)算，從而減少電流環(huán)延時(shí)，擴(kuò)展 電流環(huán)帶寬，提高系統(tǒng)在低載波比情況下的穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:提供一種車載永磁同步電機(jī)矢量控制方法，考慮了載頻低、 運(yùn)行頻率高的車載永磁同步機(jī)場合下，由于電流采樣及電流環(huán)延時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，采 用獨(dú)立的電流采樣中斷和PWM發(fā)波中斷，且更改電流環(huán)計(jì)算位置，從而減少電流環(huán)延時(shí)，擴(kuò) 展電流環(huán)帶寬，有效地提高系統(tǒng)在低載波比情況下的穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)考慮了永磁同步電 機(jī)由于齒槽效應(yīng)等自身磁場特性及外部指令會(huì)造成轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)，采用重復(fù)控制計(jì)算轉(zhuǎn) 矩電流補(bǔ)償指令，抑制周期性波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，結(jié)合傳統(tǒng)i*d=0的控制策略，尤 其適合應(yīng)用于載頻低、運(yùn)行頻率高的車載永磁同步機(jī)控制場合。
【附圖說明】
[0007]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明： 圖1為本發(fā)明的離散重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖，圖中e(z)為速度偏差的離散化表示，Z_N為延 時(shí)環(huán)節(jié)，ZRS超前相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，KRP為重復(fù)控制增益，Q(z)為低通濾波器或常數(shù)，S(z)為補(bǔ) 償器，N是數(shù)字控制器每周期的采樣個(gè)數(shù)，URP1(k)為系統(tǒng)經(jīng)過補(bǔ)償器之前輸出，URP(k)為系統(tǒng) 經(jīng)過補(bǔ)償器之后輸出。
[0008]圖2為本發(fā)明的離散重復(fù)控制器的軟件流程圖。
[0009]圖3為本發(fā)明的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖中參數(shù)都在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行表示，其 中ir*dqs為電流指令，irdqs為電流反饋，Κρ、Κι為電流環(huán)PI參數(shù)，urdqs_e為反電勢補(bǔ)償 項(xiàng)，jwrLs為電流交叉解親項(xiàng)，用于消除互相干涉的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢對電流控制的影響，ur*dqs 為定子參考電壓，ΤΡ為PWM更新延時(shí)，T?為PWM生效延時(shí)，erdqs為電機(jī)反電勢，Ls為交、直軸 繞組的電感，Rs為定子電阻，S為微分算子。
[0010] 圖4為本發(fā)明的電流環(huán)的時(shí)序圖。
[0011] 圖5為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)矢量控制的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被 本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0013]根據(jù)圖1和圖2,以表貼式永磁同步電機(jī)為例，對重復(fù)控制器的參數(shù)設(shè)置及使用方 法進(jìn)行說明。
[0014] 重復(fù)棹制器的傳遞函數(shù)為：
重復(fù)控制器的輸出為： 式(2)中，K為每周期中的采樣點(diǎn)，K的取值范圍為0~(N-1)，由式(2)可以看出，重復(fù)控制 器在忽略補(bǔ)償控制器S(z)時(shí)，本周期K時(shí)刻的重復(fù)控制器的輸出量為上周期K時(shí)刻的控制器 與上周期K+R時(shí)刻誤差的組合，體現(xiàn)出重復(fù)控制器有著復(fù)現(xiàn)上一時(shí)刻控制輸出量和相位補(bǔ) 償?shù)目刂扑枷搿?br>[0015]在上述重復(fù)控制器中，相關(guān)參數(shù)設(shè)置說明為:Q(z)為系統(tǒng)增益，當(dāng)Q(z)=l時(shí)，可使 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,但系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，考慮穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性，一般取小于且接 近1的常數(shù)或低通濾波器;0為超前環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償s(z)引起的相位滯后，可根據(jù)相位滯后 情況，選擇合適的超前節(jié)拍;KRP為可調(diào)增益，KRP越小使得誤差收斂速度越快，系統(tǒng)穩(wěn)定性越 差，Krp越小使得誤差收斂速度越慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性越裕度越好，需要權(quán)衡考慮，可取0.5~2.0 之間參數(shù);S(z)為補(bǔ)償器，抵消控制對象較高的諧振峰值，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗高頻干 擾能力，它由二階低通濾波器和FIR濾波器相乘獲得，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
>以上述設(shè)置參數(shù)，結(jié)合圖2所示重復(fù)控制器軟件流程圖， 可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)重復(fù)控制器。
[0016]根據(jù)圖3和圖4,以表貼式永磁同步電機(jī)為例，對永磁同步電機(jī)電流環(huán)帶寬影響因 素進(jìn)行推導(dǎo)，從而設(shè)計(jì)電流采樣及電流環(huán)計(jì)算時(shí)序，擴(kuò)展電流環(huán)帶寬，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0017]永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程為：
式中，urdqs為定子電壓，Rs為定子電阻，irdqs為定子電流，wr為轉(zhuǎn)子速度，Φγdqs為 定子磁通，參數(shù)為復(fù)矢量，Ardqs=Ards+Arqs，其中A=u，i，it。
[0018] 永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下磁鏈方程為：
式中，Lsi為交、直軸繞組的漏感，Lmq、Lmd分別為定子交、直軸勵(lì)磁電感，對于表貼式永磁 同步機(jī)，有： Lmq-Lmd-Lm ( 5 ) 將式(4