一种大功率表面式永磁同步电机控制方法与流程

本发明涉及永磁同步电机控制方法，具体是一种大功率表面式永磁同步电机控制方法。

背景技术：

永磁同步电机因其具有快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，而被广泛应用于工业自动化领域。传统的永磁同步电机控制方法主要采用双环(电流环、转速环)控制，其电流环主要采用解耦控制。实践表明，传统的控制方法由于解耦的准确性依赖于电机参数的准确性，而电机参数在电机运行过程中会随着工作环境的变化而发生变化，因此会造成解耦的不准确，从而对电机控制性能造成影响。基于此，有必要发明一种全新的永磁同步电机控制方法，以有效解决传统的永磁同步电机控制过程中因电机参数变化而造成解耦不准确的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决传统的永磁同步电机控制过程中因电机参数变化而造成解耦不准确的问题，提供了一种大功率表面式永磁同步电机控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种大功率表面式永磁同步电机控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤a在步骤d开始前运行；

步骤b和步骤c在步骤d开始后与步骤d同时运行；

a.参数的离线辨识过程：

a1.在离线辨识开始时，根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_s4；

a2.定子电感的离线辨识过程：

对永磁同步电机施加一个固定矢量的电压，并将该电压维持一定时间，由此对永磁同步电机的直轴进行定位；在定位过程中，永磁同步电机的永磁体磁链的直轴与所施加的电压方向一致，且永磁同步电机静止；此时，记录U相电流的稳态值；

待定位结束后，停止对永磁同步电机施加电压，使得定子电流逐渐下降至零；此时，重新对永磁同步电机施加一个相同矢量的电压，使得定子电流逐渐上升并稳定，同时测量得到U相电流从施加电压开始到达稳态值的0.632倍时所需的时间t_0.632；

根据公式(1)，辨识得到离线的定子电感值公式(1)表示为：

a3.永磁体磁链的离线辨识过程：

永磁同步电机的数学模型表示为：

当永磁同步电机采用i_d＝0控制，且运行到稳定状态时，R_si_d＝0、L_dpi_d＝0、L_qpi_q＝0、ωL_di_d＝0，公式(2)由此简化为：

由可得：

令永磁同步电机在i_d＝0且空载的情况下运行，则i_q为极小值，且包含i_q的项均可忽略，公式(4)由此等效为：

公式(5)中：u_s表示定子电压值；ω表示电角速度；f表示定子频率；

根据公式(5)，辨识得到离线的永磁体磁链值然后，关停永磁同步电机；

b.参数的在线辨识过程：

b1.采用模型参考自适应的方法，并采用通过Popov超稳定理论所得到的自适应率，得到在线辨识公式；在线辨识公式表示为：

公式(6)-(8)中：R_{s_old}表示上一拍估计出的定子电阻值；L_{s_old}表示上一拍估计出的定子电感值；ψ_{f_old}表示上一拍估计出的永磁体磁链值；表示本拍估计出的定子电阻值；表示本拍估计出的定子电感值；表示本拍估计出的永磁体磁链值；表示在线辨识过程中估计出的定子电流励磁分量；表示在线辨识过程中估计出的定子电流转矩分量；和可利用估计出的电机参数并根据电机的数学模型计算得到；

b2.在永磁同步电机的运行控制过程中，实时获取d轴电压值u_d、q轴电压值u_q、定子电流励磁分量i_d、定子电流转矩分量i_q、电角速度值ω；

在在线辨识开始时，根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_s4；

将定子电阻值R_s4、离线的定子电感值离线的永磁体磁链值作为在线辨识的初始值；

设定三组PI参数：PI参数K_i1、PI参数K_p1、PI参数K_i2、PI参数K_p2、PI参数K_i3、PI参数K_p3；

b3.根据公式(6)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}，辨识得到本拍估计出的定子电感值

b4.根据公式(7)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}、上一拍估计出的定子电阻值R_{s_old}，辨识得到本拍估计出的定子电阻值

b5.根据公式(8)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}、上一拍估计出的永磁体磁链值ψ_{f_old}，辨识得到本拍估计出的永磁体磁链值

c.参数的校正过程：

c1.根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_{s_new}；将定子电阻值R_{s_new}与本拍估计出的定子电阻值作差得到差值ΔR_s；

c2.将差值ΔR_s取绝对值后与设定值ε1作差得到差值a；

c3.若差值a震荡的幅值大于设定值b，则表明在线辨识未趋于稳定，此时调整三组PI参数，并返回步骤b；

若差值a的平均值大于0，则表明在线辨识的精度未满足要求，此时调整三组PI参数，并返回步骤b；

若差值a的幅值小于等于设定值b，且差值a的平均值小于等于0，则表明在线辨识趋于稳定，且在线辨识的精度满足要求，此时将本拍估计出的定子电感值作为在线的定子电感值将本拍估计出的永磁体磁链值作为在线的永磁体磁链值并将在线的定子电感值在线的永磁体磁链值运用到永磁同步电机的运行控制过程中；

d.永磁同步电机的运行控制过程：

控制环节产生6路PWM信号，并通过6路PWM信号控制永磁同步电机的三相逆变器，由此控制永磁同步电机的运行。

与传统的永磁同步电机控制方法相比，本发明所述的一种大功率表面式永磁同步电机控制方法通过在永磁同步电机正式运行前对电机参数进行离线辨识，在永磁同步电机运行过程中对电机参数进行在线辨识和校正(通过定子电阻值进行校正)，使得电机参数在电机运行过程中始终保持准确，由此使得解耦始终保持准确，从而大幅提高了控制性能。

本发明有效解决了传统的永磁同步电机控制过程中因电机参数变化而造成解耦不准确的问题，适用于永磁同步电机的控制，尤其适用于大功率表面式永磁同步电机的控制。

附图说明

图1是本发明的整体控制框图。

图2是本发明中步骤b和步骤c的控制流程图。

图3是本发明中步骤d的控制算法框图。

图4是本发明中复合控制器的控制算法框图。

图5是本发明中第一PI调节器的示意图。

具体实施方式

一种大功率表面式永磁同步电机控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤a在步骤d开始前运行；

步骤b和步骤c在步骤d开始后与步骤d同时运行；

a.参数的离线辨识过程：

a1.在离线辨识开始时，根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_s4；

a2.定子电感的离线辨识过程：

对永磁同步电机施加一个固定矢量的电压，并将该电压维持一定时间，由此对永磁同步电机的直轴进行定位；在定位过程中，永磁同步电机的永磁体磁链的直轴与所施加的电压方向一致，且永磁同步电机静止；此时，记录U相电流的稳态值；

待定位结束后，停止对永磁同步电机施加电压，使得定子电流逐渐下降至零；此时，重新对永磁同步电机施加一个相同矢量的电压，使得定子电流逐渐上升并稳定，同时测量得到U相电流从施加电压开始到达稳态值的0.632倍时所需的时间t_0.632；

根据公式(1)，辨识得到离线的定子电感值公式(1)表示为：

a3.永磁体磁链的离线辨识过程：

永磁同步电机的数学模型表示为：

当永磁同步电机采用i_d＝0控制，且运行到稳定状态时，R_si_d＝0、L_dpi_d＝0、L_qpi_q＝0、ωL_di_d＝0，公式(2)由此简化为：

由可得：

令永磁同步电机在i_d＝0且空载的情况下运行，则i_q为极小值，且包含i_q的项均可忽略，公式(4)由此等效为：

公式(5)中：u_s表示定子电压值；ω表示电角速度；f表示定子频率；

根据公式(5)，辨识得到离线的永磁体磁链值然后，关停永磁同步电机；

b.参数的在线辨识过程：

b1.采用模型参考自适应的方法，并采用通过Popov超稳定理论所得到的自适应率，得到在线辨识公式；在线辨识公式表示为：

公式(6)-(8)中：R_{s_old}表示上一拍估计出的定子电阻值；L_{s_old}表示上一拍估计出的定子电感值；ψ_{f_old}表示上一拍估计出的永磁体磁链值；表示本拍估计出的定子电阻值；表示本拍估计出的定子电感值；表示本拍估计出的永磁体磁链值；表示在线辨识过程中估计出的定子电流励磁分量；表示在线辨识过程中估计出的定子电流转矩分量；和可利用估计出的电机参数并根据电机的数学模型计算得到；

b2.在永磁同步电机的运行控制过程中，实时获取d轴电压值u_d、q轴电压值u_q、定子电流励磁分量i_d、定子电流转矩分量i_q、电角速度值ω；

在在线辨识开始时，根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_s4；

将定子电阻值R_s4、离线的定子电感值离线的永磁体磁链值作为在线辨识的初始值；

设定三组PI参数：PI参数K_i1、PI参数K_p1、PI参数K_i2、PI参数K_p2、PI参数K_i3、PI参数K_p3；

b3.根据公式(6)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}，辨识得到本拍估计出的定子电感值

b4.根据公式(7)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}、上一拍估计出的定子电阻值R_{s_old}，辨识得到本拍估计出的定子电阻值

b5.根据公式(8)、估计出的定子电流励磁分量估计出的定子电流转矩分量上一拍估计出的定子电感值L_{s_old}、上一拍估计出的永磁体磁链值ψ_{f_old}，辨识得到本拍估计出的永磁体磁链值

c.参数的校正过程：

c1.根据实时获取的永磁同步电机定子温度值T查询定子的温度阻值对照表，得到定子电阻值R_{s_new}；将定子电阻值R_{s_new}与本拍估计出的定子电阻值作差得到差值ΔR_s；

c2.将差值ΔR_s取绝对值后与设定值ε1作差得到差值a；

c3.若差值a震荡的幅值大于设定值b，则表明在线辨识未趋于稳定，此时调整三组PI参数，并返回步骤b；

若差值a的平均值大于0，则表明在线辨识的精度未满足要求，此时调整三组PI参数，并返回步骤b；

若差值a的幅值小于等于设定值b，且差值a的平均值小于等于0，则表明在线辨识趋于稳定，且在线辨识的精度满足要求，此时将本拍估计出的定子电感值作为在线的定子电感值将本拍估计出的永磁体磁链值作为在线的永磁体磁链值并将在线的定子电感值在线的永磁体磁链值运用到永磁同步电机的运行控制过程中；

d.永磁同步电机的运行控制过程：

控制环节产生6路PWM信号，并通过6路PWM信号控制永磁同步电机的三相逆变器，由此控制永磁同步电机的运行。

所述步骤d的控制算法如下：

通过温度传感器实时获取永磁同步电机定子温度值T；

通过旋转变压器实时获取电角速度值ω、转子位置信息θ；

给定电角速度值ω^*与电角速度值ω的差值通过PI调节器实时计算得到参考定子电流转矩分量

通过电流传感器实时获取U相电流值i_u、V相电流值i_v、W相电流值i_w；

U相电流值i_u、V相电流值i_v、W相电流值i_w通过3s/2s变换器实时变换得到α轴电流值i_sα、β轴电流值i_sβ；

α轴电流值i_sα、β轴电流值i_sβ通过2s/2r变换器实时变换得到定子电流励磁分量i_d、定子电流转矩分量i_q；

定子电流励磁分量i_d、定子电流转矩分量i_q、参考定子电流励磁分量参考定子电流转矩分量离线的定子电感值离线的永磁体磁链值在线的定子电感值在线的永磁体磁链值查表得到的定子电阻值R_{s_new}、电角速度值ω通过复合控制器实时计算得到d轴电压值u_d、q轴电压值u_q；

d轴电压值u_d、q轴电压值u_q通过2r/2s变换器实时变换得到α轴电压值u_sα、β轴电压值u_sβ；

α轴电压值u_sα、β轴电压值u_sβ通过复合PWM调制部分实时产生6路PWM信号。

所述复合控制器的控制算法如下：

i_d1＝Fr1(s)*i_d (9)；

i_q1＝Fr2(s)*i_q (11)；

公式(9)-(14)中：Fr1(s)表示第一滤波器的传递函数；Fr2(s)表示第二滤波器的传递函数；PI1表示第一PI调节器的传递函数；PI2表示第二PI调节器的传递函数；在参数的离线辨识过程结束后，在参数的在线辨识过程和校正过程结束后，

所述第一PI调节器的控制参数采用如下方法进行微调：当永磁同步电机的运行处于稳态时，将参考定子电流励磁分量与定子电流励磁分量i_d的差值Δi_d进行多拍比较；若差值Δi_d的绝对值大于设定值ε3，则进一步微调第一PI调节器的控制参数，直至差值Δi_d小于设定值ε3；设定值ε3的选取根据具体工况确定。

所述第二PI调节器的控制参数采用如下方法进行微调：当永磁同步电机的运行处于稳态时，将参考定子电流转矩分量与定子电流转矩分量i_q的差值Δi_q进行多拍比较；若差值Δi_q的绝对值大于设定值ε4，则进一步微调第二PI调节器的控制参数，直至差值Δi_q小于设定值ε4；设定值ε4的选取根据具体工况确定。

所述复合PWM调制部分的调制策略包括：异步SPWM调制策略、同步SPWM调制策略、同步SHEPWM(特定次谐波消除法)调制策略、方波调制策略；在低速阶段，复合PWM调制部分采用异步SPWM调制模式；在中高速阶段，随着转速的升高复合PWM调制部分依次采用同步SPWM调制策略、同步SHEPWM调制策略、方波调制策略。

所述步骤b和步骤c是采用按时方式或按需方式进行的；

按时方式是指：系统每隔一定时间进行一次参数的在线辨识和校正；

按需方式是指：当系统提出要求时，立即进行参数的在线辨识和校正。

具体实施时，本发明可以根据实际需求灵活调整在线辨识的参数个数。例如，当不需要在线辨识定子电感，或定子电感在一些工况下不会发生大的变化时，即可不对定子电感进行在线辨识。此时，所述步骤b中不使用公式(6)，公式(7)-(8)中的和L_s均采用离线的定子电感值替代，由此可以缩短在线辨识的时间。