一种瞬时转矩直接控制方法及系统与流程

本发明涉及牵引传动控制领域，尤其涉及直驱传动系统。
背景技术：
：对于直驱传动系统，由于省去了齿轮箱的缓冲作用，对于电机的转矩脉动指标要求高，同时为了获得更好的粘着控制性能，保证牵引力有效发挥，需要控制系统具有很高的转矩动态响应能力。现有技术中的电机转矩控制方法存在不少缺陷。例如，传统的电机转矩控制方法是通过控制电流间接控制电机转矩，这是一种平均控制效果，不能瞬时控制转矩，无法获得很好的动态性能；其次，采用扰动观测器对输出电压进行补偿，增加了系统的复杂性，并且观测器只适合ld＝lq的永磁电机；此外，并未考虑高速段系统弱磁控制的需要和对应策略。因此，亟需一种能对电机瞬时转矩进行实时控制，保证转矩的动态响应能力，同时降低转矩脉动，且适用于所有类型的永磁同步电机的转矩控制方法和系统。技术实现要素：为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种瞬时转矩直接控制方法及系统。本发明的瞬时转矩直接控制系统至少包括：磁场控制器、磁链观测器、转矩控制器、处理器。所述磁场控制器，用于根据电机的运行状态选择优化的d轴电流指令id*。所述转矩控制器，用于接收一转矩指令te*与一反馈转矩te之间的转矩偏差xte，并同时接收所述d轴电流指令id*与反馈d轴电流id的电流差值xid，并根据所述转矩偏差xte以及电流差值xid，计算dq轴的电压给定(ud,uq)，用于对永磁同步电动机的转矩进行控制。所述磁链观测器，用于根据所述转矩控制器输出的电压(ud,uq)以及电机电流(id,iq)，计算得到估算的磁链所述处理器，用于根据磁链和所述电流(id,iq)计算出所述电动机的反馈转矩在一个实施例中，所述磁场控制器采用以下策略获得所述d轴电流指令id*：在永磁电机非弱磁区时，采用最优电流角控制(mtpa)策略，根据函数(1)获所述d轴电流给定：id*＝fmtpa(te*)(1)在永磁电机弱磁区时，根据电机转速ωr和直流电压udc获得所述d轴电流给定，如函数(2)所示在一个实施例中，所述磁链观测器通过以下方式获得估算的磁链：其中，其中，x表示电动机真实的磁链，表示所述估算的磁链，g为增益矩阵；rs表示电动机的相电阻，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，k为所述磁链观测器系统极点相对电机极点的倍数。在一个实施例中，通过配置k，使得(a-gc)的特征根在负半轴平面，令收敛到真实的x。在一个实施例中，所述处理器根据如下公式计算出所述反馈转矩te：其中，np为电动机的极对数。在一个实施例中，其特征在于，所述转矩控制器包括滑模控制器，用以计算dq轴的电压给定(ud,uq)；其中，所述滑模控制器选取状态变量为：滑模面方程为：其中，cte和cid为线性系数，只要令cte和cid大于0，那么滑模面就是稳定的，同时还可以消除稳态误差；用指数趋近律进行控制率设计，dq轴的电压给定(ud,uq)按下式(9)计算：其中：其中，ε1、ε2、k1、k2为控制参数，ψf表示永磁体磁链，rs表示电动机的相电阻，id和iq为电机的dq轴电流，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，控制参数ε1、ε2、k1、k2选取范围如下：其中，|nq(t)|max和|nd(t)|max分别为dq轴上的预设的最大扰动量，ψf表示永磁体磁链；rs表示电动机的相电阻，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，k为所述磁链观测器系统极点相对电机极点的倍数。在一个实施例中，所述控制参数ε1和ε2、k1和k2为可调节的，以满足电动机的转矩动态响应要求，并减小转矩脉动。在一个实施例中，所述瞬时转矩直接控制系统适用于所有类型的永磁同步电机，包括ld等于lq的情况，也包括ld不等于lq的情况。本发明的瞬时转矩直接控制方法至少包括以下步骤：a.根据电机的运行状态选择优化的d轴电流指令id*；b.根据转矩指令te*与反馈转矩te之间的转矩偏差xte，以及所述d轴电流指令id*与反馈d轴电流id的电流差值xid，计算dq轴的电压给定(ud,uq)，用于对永磁同步电动机的转矩进行控制；c.根据所述转矩控制器输出的电压(ud,uq)以及电机电流(id,iq)，计算得到估算的磁链d.根据磁链和所述电流(id,iq)计算出所述电动机的反馈转矩所述反馈转矩反馈至步骤b中进行循环计算。在一个实施例中，步骤a包括以下步骤：在永磁电机非弱磁区时，采用最优电流角控制(mtpa)策略，根据函数(1)获所述d轴电流给定：id*＝fmtpa(te*)(1)在永磁电机弱磁区时，根据电机转速ωr和直流电压udc获得所述d轴电流给定，如函数(2)所示在一个实施例中，所述估算的磁链通过以下方式获得：其中，其中，x表示电动机真实的磁链，表示所述估算的磁链，g为增益矩阵；rs表示电动机的相电阻，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，k为所述磁链观测器系统极点相对电机极点的倍数。在一个实施例中，通过配置k，使得(a-gc)的特征根在负半轴平面，令收敛到真实的x。在一个实施例中，所述反馈转矩te根据如下公式计算出：其中，np为电动机的极对数。在一个实施例中，所述dq轴的电压给定(ud,uq)由滑模控制器通过以下方式获得：其中，所述滑模控制器选取状态变量为：滑模面方程为：其中，cte和cid为线性系数，只要令cte和cid大于0，那么滑模面就是稳定的，同时还可以消除稳态误差；用指数趋近律进行控制率设计，dq轴的电压给定(ud,uq)按下式(9)计算：其中：其中，ε1、ε2、k1、k2为控制参数，ψf表示永磁体磁链，rs表示电动机的相电阻，id和iq为电机的dq轴电流，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，控制参数ε1、ε2、k1、k2选取范围如下：其中，|nq(t)|max和|nd(t)|max分别为dq轴上的预设的最大扰动量，ψf表示永磁体磁链。rs表示电动机的相电阻，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，k为所述磁链观测器系统极点相对电机极点的倍数。在一个实施例中，所述控制参数ε1和ε2、k1和k2为可调节的，以满足电动机的转矩动态响应要求，并减小转矩脉动。在一个实施例中，所述瞬时转矩直接控制方法适用于所有类型的永磁同步电机，包括ld等于lq的情况，也包括ld不等于lq的情况。本发明所提供的瞬时转矩直接控制方法及系统，应用于直驱传动系统，能够获得良好的转矩动态响应能力，同时具有较低的转矩脉动，保证传动系统的稳定可靠运行。附图说明本发明的以上
发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。图1示出根据本发明一实施例的瞬时转矩直接控制系统。图2示出根据本发明一实施例的磁链状态观测器的设计方案。图3示出根据本发明一实施例的磁链观测器的根轨迹变化图。图4示出根据本发明一实施例的滑模控制器结构图。图5示出根据本发明一实施例的瞬时转矩动态响应仿真结果。具体实施方式在直驱传动控制系统中，由于取消了齿轮箱，电机的输出轴直接与车轮相连，转矩传递过程中没有缓冲，因此对转矩脉动要求很高，否则会引起整个车辆的抖动，导致车辆舒适性变差甚至影响机械系统安全和寿命。另外，车辆在运行过程中，特别是钢轨和钢轮的转矩传递，对粘着要求很高，因此对转矩的高动态响应能力要求高，要保证粘着利用率高，发挥正确牵引传动能力，同时保证系统安全稳定运行。本发明提供了一种瞬时转矩直接控制方法和系统，对电机瞬时转矩进行实时控制，保证转矩的动态响应能力，同时降低转矩脉动，保证直驱系统的高效稳定运行。以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。图1示出根据本发明一实施例的瞬时转矩直接控制系统。本发明的瞬时转矩直接控制系统包括磁场控制器101、磁链观测器102、转矩控制器103、处理器。图1所示，转矩指令为te*，反馈转矩(或称估计转矩)为te，两者差值xte送入转矩控制器；同时根据转矩指令te*经过磁场控制器得到d轴电流指令id*，与反馈d轴电流id的差值xid送入转矩控制器。转矩控制器根据转矩偏差和d轴电流偏差计算出dq轴电压给定ud和uq，然后送入svpwm调制模块，输出脉冲信号到电压型逆变器vsi。逆变器vsi输出电压给到电动机，进行转矩控制。位置传感器获取电机位置θr，用于坐标变化。采样电流(ia,ib)通过坐标变换得到dq轴电流(id,iq)，然后结合输出电压(ud,uq)，送入到磁链观测器中，得到估算的磁链处理器根据磁链和电流(id,iq)计算出电机的反馈转矩下面对几个关键部分的实现方法及原理进行介绍。磁场控制器101在永磁电机非弱磁区时，需要采用最优电流角控制(mtpa)策略，此时可以根据式(1)进行d轴电流给定：id*＝fmtpa(te*)(1)其中fmtpa表示最优电流角控制函数。在永磁电机弱磁区时，需要根据电机转速ωr和直流电压udc进行给定，如式(2)所示其中，fweak表示永磁电机弱磁区时对应的函数表示。磁场控制器101根据电机的运行状态选择对应的给定曲线。磁链观测器102永磁同步电机在dq坐标系下的状态方程如式(3)所示：y＝cx+du(3)其中，其中，x表示电机真实的磁链，y表示电机的dq轴电流，u表示转矩控制器的输出电压，用以控制电机的转矩，ψf表示永磁体磁链，rs表示电机的相电阻，ωr表示电机转速，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感。图2示出根据本发明一实施例的磁链状态观测器的设计方案。设观测的状态变量为输出变量为状态观测器的增益矩阵为g，根据式(3)所示的状态方程，构建状态观测器：其中，表示估算的磁链，表示估算的dq轴电流；联立(3)和(4)可得当(a-gc)的特征根在负半轴平面时，系统收敛，收敛到真实的x，因此需要配置增益矩阵g，使得系统按照期望的速度收敛。不妨设为了简化计算，增益矩阵g可简化为对角矩阵，一般观测器的极点要比电机本身的极点大2～5倍，观测器误差收敛才会很快，但会加剧测量噪声，因此要折中处理。设k为观测器系统极点相对电机极点的倍数，则有当转速由0增大时，磁链观测器的根轨迹变化如图3所示。观测器的极点在负半平面上，系统是稳定的，并可以通过(5)进行极点配置，即配置k，来使得(a-gc)的特征根在负半轴平面，以便系统获得到较好的动态性能。处理器(未标出，可参见图1中的运算单元)处理器根据磁链观测器所获得的电机的瞬时磁链(即反馈磁链)，通过式(6)可以计算出电机的瞬时转矩。输出转矩计算公式为：其中，np为电机的极对数。转矩控制器103为了获得良好的动静态性能，提出了一种基于瞬时转矩的滑模控制器，其结构如图4所示。转矩控制器104涉及两个方面的设计：滑模面设计以及控制器设计。关于滑膜面设计，本发明采用如下方案：选取状态变量为设计滑模面其中，cte和cid为可以预设的线性系数，显然，只要cte和cid大于0，那么滑模面就是稳定的，同时还可以消除稳态误差。关于控制率设计，本发明采用如下方案：用指数趋近律进行控制器设计：其中根据滑模面收敛条件和，可以得到控制参数ε1和ε2、k1和k2的设计范围如下：其中，nd(t)和nq(t)分别为dq轴上的扰动量。通过调节控制参数ε1和ε2、k1和k2，可以满足转矩动态响应要求，并可以减小转矩脉动。以某直驱电机为例：额定转速196rpm极对数15对相电阻0.14ω峰值转矩2660nm峰值电流171a峰值功率33.7kw/94kwd轴电感ld0.00379hq轴电感lq0.00458h永磁体磁链ψf0.6066wb首先，进行磁链观测器参数设置。极点配置倍数k取5，则观测器增益矩阵系数为：其次，进行滑模控制器参数设置设计控制器的参数如下为了降低系统抖振效果，对符号函数进行改进，设置转矩误差门槛为200nm，直轴电流的误差门槛为10a，各自的符号函数如下所示：仿真结果如图5所示：电机额定转速ωr为196r/min，转矩斜率设置：1.23e5nm/s(20ms峰值力矩)，转矩突加突减，牵引制动转换过程中，转矩跟踪动态性能好，且过冲小。本发明还提供了一种瞬时转矩直接控制方法，所述方法包括以下步骤：a.根据电机的运行状态选择优化的d轴电流指令id*；b.根据转矩指令te*与反馈转矩te之间的转矩偏差xte，以及所述d轴电流指令id*与反馈d轴电流id的电流差值xid，计算dq轴的电压给定(ud,uq)，用于对永磁同步电动机的转矩进行控制；c.根据所述转矩控制器输出的电压(ud,uq)以及电机dq轴电流(id,iq)，计算得到估算的磁链d.根据磁链和所述电流(id,iq)计算出所述电动机的反馈转矩所述反馈转矩反馈至步骤b中进行循环计算。为了简明起见，具体计算可参照前述瞬时转矩直接控制系统的具体描述。本发明所提供的瞬时转矩直接控制方法及系统，应用于直驱传动系统，能够获得良好的转矩动态响应能力，同时具有较低的转矩脉动，保证传动系统的稳定可靠运行。其至少有如下创新点：(1)提出一种瞬时磁链观测器实现方法以及稳定性分析和极点配置方法。(2)基于瞬时磁链估计，得到了反馈的瞬时转矩计算方法(3)基于指令转矩，得到优化的的目标d轴电流给定值。(4)基于转矩偏差和d轴电流偏差，提出了一种基于滑模结构的瞬时转矩控制方法，并设计了控制率和稳定性分析和参数设置方法(5)整个控制系统基于瞬时转矩控制，通过调节控制参数，可以实现高动态性能和低转矩脉动控制性能。这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本
技术领域：
中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书的范围内。当前第1页1 2 3