一种内置式永磁同步电机的控制方法与流程

本发明涉及电机领域，特别是一种内置式永磁同步电机的控制方法。

背景技术

内置式永磁同步电机因其效率高、功率密度大、易于弱磁扩速等突出优点，在电动汽车驱动系统等髙性能调速系统中获得广泛应用。电动汽车等系统要求具有较宽的调速范围ω满足高速行驶的要求，因此对ipmsm高速区弱磁控制的研究至关重要。在传统的弱磁策略中，系统中有两个电流调节器，分别调节dq轴电流，调节器饱和以及髙速阶段dq轴电流的相互耦合会恶化系统对电机转速、电流和转矩的调节性能，甚至导致系统不稳定。

为得到更高的转速ω及解决高速阶段曲轴电流的交叉耦合，美国俄亥俄州立大学的徐隆亚等提出单电流控制策略，该方法利用了dq轴电流的耦合，而不是去试图消除耦合，只保留一个电流调节器，直接给定q轴电压，从而简化了结构，且具有动态响应快、对直流母线电压和负载的变化鲁棒性较好等优点。但因为q轴电压为给定的常数，电机效率和负载能力在不同工作状态下不能得到优化。考虑到电动汽车弱磁高速区功率较大，去磁电流的増加使得系统损耗増加，因此如何在不同的负载和转速情况下调制q轴电压，提高电机工作效率从而増加电动汽车行驶里程成为一个重要的研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种内置式永磁同步电机的控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种内置式永磁同步电机的控制方法，具体步骤为：

步骤1、采用弱磁控制法构建转子闭环系统，获取d轴电压响应，求出对应的q轴电压vfwc并判断稳定运行点电流和电压是否符合极限圆约束，若不符合按照规则选择合适的vfwc；

构建弱磁控制转子闭环系统，通过坐标变换估计转子同步旋转坐标d轴电流，通过弱磁调节器得出参考d轴电流，它包括了弱磁分量和转矩分量；在固定q轴电压下，d轴电流自动调节以对应q轴电压；具体为：

假设定子三相绕组为三相对称正弦波，忽略高次谐波，铁损祸流损耗及温度对参数的影响，在转子磁链定向的dq坐标系下，永磁同步电机数学模型表示为：

电压方程：

ud＝rsid-ωelqiq

磁链方程：

uq＝rsiq+ωeψf+ωeldid

电磁转矩方程：

对于内置式永磁同步电机，ld＜lq，电磁转矩由激磁转矩和磁阻转矩组成；对于磁阻式电机，ωf＝0；对于表面式永磁同步电机，ld＝lq。

步骤2、通过稳定运行点计算电流下降梯度和恒转矩方向，然后利用向量积求出其角度；

步骤3、通过角度判断使运行电流减小的方向，改变vfwc，使得运行点向电流减小的方向移动，最终输出id。

在转速和负载恒定的情况下，当电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角小于90度，减小vfwc；当电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角大于90度，增大vfwc，运行点沿恒转矩曲线向右移动减小当前电流；当电流下降梯度与向右的恒转矩方向夹角等于90度，当前运行点为恒转矩曲线上电流的极小值运行点，则无需修正；最终输出最小的运行电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明是在考虑电动汽车弱磁高速区功率较大，去磁电流的增加使得系统损耗增加，通过不断修正q轴电压以适应不同负载和转速的情况；2)本发明先在分析单电流弱磁控制思想的基础上，根据电机运行点恒转矩方向在电流下降梯度上的投影关系，在线寻优修正交轴电压使其工作电流达到最小值；3)通过不断在线修正q轴电压，使电机的运行电流自动收敛到当前转速和负载的最小值，从而减小了电机损耗，提高运行效率；4)本发明证明了梯度下降方法在解决内置式永磁同步电机弱磁优化控制问题时结果的惟一性和最优性。

附图说明

图1为位基于梯度下降法的单电流弱磁优化控制图。

图2为单电流弱磁控制图。

图3为q轴电压对运行点的影响图。

图4为基于梯度下降法的单电流控制轨迹。

图中：1选择合适的初始q轴电压，2计算电流下降梯度和恒转矩方向的夹角，3改变q轴电压输出最小的运行电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

结合附图，本发明的一种内置式永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采用弱磁控制法构建转子闭环系统，获取d轴电压响应，求出对应的q轴电压vfwc并判断稳定运行点电流和电压是否符合极限圆约束，若不符合则选择合适的vfwc；

构建弱磁控制转子闭环系统，通过坐标变换估计转子同步旋转坐标d轴电流，通过弱磁调节器得出参考d轴电流，它包括了弱磁分量和转矩分量；在固定q轴电压下，d轴电流自动调节以对应q轴电压；具体为：

假设定子三相绕组为三相对称正弦波，忽略高次谐波，铁损祸流损耗及温度对参数的影响，在转子磁链定向的dq坐标系下，永磁同步电机数学模型表示为：

电压方程：

ud＝rsid-ωelqiq

磁链方程：

uq＝rsiq+ωeψf+ωeldid

电磁转矩方程：

对于内置式永磁同步电机，ld＜lq，电磁转矩由激磁转矩和磁阻转矩组成；对于磁阻式电机，ωf＝0；对于表面式永磁同步电机，ld＝lq。

步骤2、通过稳定运行点确定电流下降梯度和恒转矩方向，然后利用向量积求出其角度；

步骤3、通过角度判断使运行电流减小的方向，改变vfwc，使得运行点向电流减小的方向移动，最终输出id，完成控制。

在转速和负载恒定的情况下，当电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角小于90度，减小vfwc；当电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角大于90度，增大vfwc，运行点沿恒转矩曲线向右移动减小当前电流；当电流下降梯度与向右的恒转矩方向夹角等于90度，当前运行点为恒转矩曲线上电流的极小值运行点，则无需修正；最终输出最小的运行电流。

下面进行更详细的描述。

如图1所示是基于梯度下降法的单电流弱磁优化控制图，内置式永磁同步电机(ipmsm)由于结构上的特点使其在性能上有很多突出的优点，如高功率密度、高功率因数、结构紧凑、调速范围宽等，正是由于这些优点使其广泛应用于家用电器、交通运输、磁盘驱动器以及机床、机器人等数控系统。轨道交通和电力牵引传动系统要求电机在速度较低的时候能够输出比较大的转矩，这样可以满足起动、加速、低速爬坡等要求，除了对基速以下的一些要求外，还要求在速度范围上能够更加宽广，这就对电机的弱磁性能提出了要求，要求其调速的范围大。内埋式永磁同步电机由于存在结构转矩，比较容易弱磁，且输出转矩大，因此对内埋式永磁同步电机的研究具有重要的意义。

基于梯度下降法的弱磁控制算法，不需要查表，控制精度高，响应速度快，且鲁棒性好。具体算法描述如下。

内置式永磁同步电机运行过程中电流、电压轨迹曲线如图3所示。基速以下，电机运行在恒转矩区域，采用线性最大转矩电流比控制可以使永磁同步电机获得最大的电磁转矩。随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(mtpv)曲线之间的恒转矩曲线运行，即为弱磁区域i。在更高的转速范围，电机沿着最大转矩电压比曲线运行，即上述弱磁区域2。对于给定参考转矩，随着转速的升高，电机沿着恒转矩曲线运行，如果转速继续升高，电机将沿着最大转矩电压比曲线运行，其输出转矩逐渐减小。在弱磁过程中，最主要的是确定设定电流修正值的大小。首先根据电机的运行曲线确定其所在的弱磁区域，再根据所在的弱磁区域，对电流设定值进行相应的修正。

假设定子三相绕组为三相对称正弦波，忽略高次谐波，铁损祸流损耗及温度对参数的影响，在转子磁链定向的dq坐标系下，永磁同步电机数学模型可表示为：

电压方程：

ud＝rsid-ωelqiq(1)

磁链方程：

uq＝rsiq+ωeψf+ωeldid(2)

电磁转矩方程：

由式(3)可知，对于内置式永磁同步电机，ld＜lq，电磁转矩由激磁转矩和磁阻转矩组成；对于磁阻式电机，ωf＝0，因此只有磁阻转矩；对于表面式永磁同步电机，ld＝lq，电磁转矩仅由激磁转矩构成。一般认为，表面式永磁同步电机弱磁能力有限，一般不用作弱磁运行。拥有较大凸极率的内置式永磁同步电机具有较强弱磁运行能力。

该方法主要分为确定弱磁区域和修正电流参考值两部分。永磁同步电机的控制是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。其中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值ulim和相电流有效值ilim要受到逆变器直流侧电压和最大输出电流限制。于是有：

同样，逆变器输出电流的能力也要受其容量的限制，定子电流也有一个极限值，即：

|is|≤|is|max(5)

若以定子电流矢量的两个分量表示，则有：

由上式构成了电压极限椭圆和电流极限圆。

永磁电机运行区域为三个运行区域(区域i，区域ii和区域iii)根据电机运行情况，该3个区域为：

1)区域i

基速以下，电机运行在恒转矩区域，采用线性最大转矩电流比控制(mtpa)，使永磁同步电机获得最大的电磁转矩。

2)区域ii

随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(mtpv)曲线之间的恒转矩曲线运行。该区域称为弱磁区域ii。

3)区域iii

在更高的转速范围，电机沿着mtpv曲线运行，该区域称为弱磁区域iii。

传统的控制系统中，有两个电流调节器分别调节乐q轴电流。在低速阶段，q轴电压没有到达极限，所以可以用两个电流调节器独立的控制d、q轴电流。在髙速阶段，q轴电压被限制在最大值以下，出现电压不足，导致产生d、q轴电流相互耦合，恶化系统性能。

假设q轴电压为正常数vfwc且0＜vfwc＜vmax。在速度一定的情况下，交轴方程表示为：

式(1)表明，在给定q轴电压且速度一定下，q轴电流和d轴电流为线性关系，即可以通过控制d轴电流来控制q轴电流。该方法事实上利用了d、q轴电流内在的交叉耦合关系而不是去消除耦合。因此在弱磁控制阶段，只需要一个d轴电流调节器。

由此可得到单电流控制策略如图1，图中包括一个转速/弱磁调节器sfwc，sfwc可以不使用pi调节器。sfwc输入为转速偏差，输出为直轴电流给定包括了弱磁分量和转矩分量。在固定的q轴电压下，d轴电流自动调节以对应q轴电压，因此系统只需要两个调节器。

假设电机负载和电机速度恒定，vfwc对运行点的影响如图2所示:点划线为恒转矩曲线，黑色实线为电压极限圆，点线为电流极限圆。在单电流控制下，id、iq为式(1)所示线性关系，即id、iq关系在id、iq平面上是一条直线，直线与横轴的交点为((vfwc-ωeψf)/weld,0)，当vfwc增加，直线向右移动。

图2中vfwc1＜vfwc2＜vfwc3，对于味vfwc1和vfwc2，直线与恒转矩线的交点在电压极限椭圆内，则电机运行点为直线与恒转矩线的交点处，分别为a点和b点。对于vfwc3，如果要保持输出转矩，则运行点为c点，但c点在电压极限椭圆外,则在vfwc3下，不能达到期望转矩。

通过上文分析可知，电机的稳定运行点为满足电压约束与电流约束下的恒转矩曲线和式(1)表示的直线的交点。若满足电压、电流约束，vfwc增加，运行点沿恒转矩曲线向右移动。反之vfwc减小，运行点沿恒转矩曲线向左移动。基于梯度下降法的单电流控制的基本思想是：在电压和电流约束下，根据电流下降梯度和恒转矩方向之间的角度，判断能使运行电流减小的移动方向，并通过改变vfwc，使得运行点向电流减小的方向移动。

转矩上升的方向方程可以表示为：

恒转矩方向与转矩下降方向垂直，故向左的恒转矩方向可表示为：

同理，电流下降梯度的方向为：

基于梯度下降法的单电流控制方法如图4所示，若速度为ω1，当前运行点为a，电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角小于90度，说明运行点沿恒转矩曲线向左移动可以使当前电流减小，即应减小vfwc。同理，若当前运行点为c,电流下降梯度与向左的恒转矩方向夹角大于90度，则应增大vfwc。若当前运行点为b点，电流下降梯度与向右的恒转矩方向夹角等于90度，说明当前运行点为恒转矩曲线上电流的极小值运行点，则无需修正。

在修正vfwc从而改变运行点时，应保持运行点处于电压极限圆内，所以应根据逆变器最大输出电压对vfwc限幅，当vfwc到达最大幅值时，不再修正vfwc，如速度为ω2时图中的d点。

梯度算法在实际应用中需解决优化结果受初始点限制，容易陷入局部极小值等问题。但当极小值唯一时，梯度算法优化结果不受初始点限制，且极小值就是最小值。

极值点满足恒转矩方程可表示为：

向左恒转矩方向和电流下降方向的向量积可表示为：

把式(5)带入(6)并求导得到的式子中三项均为正值，即导数单调，在id增加过程中，向量积增加。闭区间内导数单调，则向量积如果过零，则过零点唯一。

当在初始点向量积小于零时，运行点向右被修正，id增加，存在唯一点使得id等于0，或者到达电压极限，停止修正。当在初始点向量积大于零时，运行点被向左修正，id减小，向量积持续减小，向量积过零点唯一。综上对于本文提出的基于梯度下降法的单电流控制，电流极小值唯一，极小值即最小值。

由上可知，本发明针对内置式永磁同步电机结构复杂的特点，在单电流控制的基础上，提出一种利用电流梯度与恒转矩方向比较，在线修正q轴电压的新方法，使电机的运行电流自动收敛到当前转速和负载下的最小值，从而减小了电机损耗，提高运行效率。