一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制方法
【专利摘要】一种基于直接特征控制的凸极永磁同步电机控制方法，包括以下环节：1.在静止坐标系下凸极永磁同步电机的定子α轴，β轴的电压方程；2.根据步骤1的电压方程，将定子α轴，β轴的电流和转子α轴，β轴的磁链作为状态变量，列出对应的状态方程观测器；3.根据步骤2设计滑模变结构观测器，观测出当前状态的定子α轴，β轴的电流和转子α轴，β轴的磁链；4.根据步骤2的状态方程，离散化处理后，得到预测控制方程，即预测出下一时刻的定子α轴，β轴的电流和转子α轴，β轴的磁链；5.将预测出来定子α轴，β轴的电流与给定转矩算出的定子d轴，q轴电流经过特征方程解出定子α轴，β轴的电压，并将其送入SVPWM中。本发明可广泛应用于电动汽车领域中。
【专利说明】
-种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机的控制方法，适用于 电动汽车系统等W交流电机特别是凸极式永磁同步电机为控制核屯、的领域。
【背景技术】
[0002] 目前，在电动汽车系统等领域，大多数对凸极式永磁同步电机用的控制策略还是 基于矢量控制的控制方法，而矢量控制的核屯、就是双环结构，即转速外环和电流内环，运就 免不了要使用PI调节器，然而PI调节器也存在自身的一些问题，如带宽不够、容易饱和等 等。而针对运些问题又提出了一些抑制的方法和手段，但是就整个控制方法上来说无疑是 使系统和结构更为复杂。所W为了解决上述提出的电机控制策略问题的方法主要有两类： 一类是对电机结构进行优化设计；另一类是寻求新的控制策略来替代传统控制。第一类方 法，通过改变电机的结构来获得所期望的磁路特性W及交直轴电感参数的变化范围，运种 途径需要使用更高级的工艺和技术，成本会增加很多。第二类方法，基于特征控制实现对电 机的控制，此种方法结构简单，同时利用了现代控制理论，就控制手段上已经提升很多，也 不需要增加成本。而且包含了现代控制理论的思想，相比较于传统的PI控制，可W很好的消 除一些高斯白噪声等等，使整个系统的控制更为精确。
[0003] 电机控制都是基于数字控制技术的，而数字控制包括采样、计算、产生占空比及其 更新等环节，理想的控制模式是在当前时刻采样电机电流，计算nm占空比信号，并且实时 更新占空比信号。然而，在实际系统中，可W实现的控制模式是在上一时刻进行电机电流采 样，算法占用一定的时间间隔，计算PWM占空比信号，最后在后一时刻更新占空比信号。在采 样周期的开始时刻进行电流采样的优点是，有更多的时间来计算控制算法，且所得到的电 流值近似于电机的平均电流值。然而，逆变器还需要另一个采样周期把占空比信号转换为 电机侧的电压，运样就使得数字控制中实际延时为两个周期。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机的控制 方法，从而能够在传统的矢量控制之外基于现代控制理论来对电机进行控制，不仅可W快 速提升响应速度，也可W避免传统控制中多处使用PI造成了参数调节困难等一系列的问 题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于直接特征控制的新型凸 极永磁同步电机控制方法，其内容包括W下步骤：1)对于本控制方法，需要如下模块：电流 传感器，位置传感器，电角速度计算模块，坐标变换模块，单位延时模块，预测控制模块，定 子d轴，q轴电流分量id, iq的给定值计算模块，凸极式凸极永磁同步电机，滑模变结构观测器 模块，SVPWM即空间矢量脉宽调制模块，凸极永磁同步电机特征控制模块;2)电流传感器的 作用是将检测出的凸极永磁同步电机中Ξ相定子电流isa，isb，isc作为输入，送至坐标变换 模块内，对Ξ相电流进行Ξ相/两相（3s/2s)坐标变换，输出是两相静止坐标系下的定子电 流分量isa，ise;3)凸极永磁同步电机转子静止的电角度θ输入至转速计算模块中，其目的是 对电角度Θ进行求导，得到转速反馈值ω;4)将坐标变换模块输出的在tn-T时刻的定子电流 分量isa，isfi，tn-T时刻的定子电压分量Usa，Use，W及转速反馈值ω运五个变量作为输入，送 至滑模变结构观测器模块中观测出tn-T时刻的定子电流分量isa，ise，转子磁链分量如。，如e 的值;5 )将步骤(4 )观测出tn-T时刻的定子电流分量i sa，i se，转子磁链分量如α，如e的值送入 预测控制模块得到tn时刻的定子电流分量isa，isfi，转子磁链分量Φτα，Φτ?!的值;6 )将给定转矩 Tec,转速反馈值ω送入定子巧由，q轴电流分量isd，isq的给定值计算模块，输出的是isd和isq 的给定值，记为idc，iqc;7)将步骤巧)预测出tn时刻的定子电流分量isa，ise，电角度Θ，W及步 骤(6)输出的定子d轴，q轴电流分量id，iq的给定值id。，iq。作为输入，送至凸极永磁同步电 机特征控制模块中，输出是tn时刻的定子电压分量Usa，Use ; 8)将步骤(7) tn时刻的定子电压 分量Usa，Use分别经过单位延迟模块，即延时一个T周期，得到tn-T时刻的定子电压分量山。， Use,运就是步骤(4)所需要的tn-T时刻的定子电压分量Usa，Use;9)将步骤(7)计算出的tn时刻 的定子电压分量Usa，Use作为输入，送至SVPWM模块中，产生六路P歷信号，W此作为逆变器S 个桥臂的IGBT的口极驱动信号，来产生Ξ相交流电压驱动凸极永磁同步电机工作。
[0006]对于本控制策略的几大核屯、，其具体设计方法如下：（1)滑模观测器设计方法如 下： 根据在静止坐标系下凸极永磁同步电机的定子α轴，β轴的电压方程，将定子电流分量 isa，ise，转子磁链分量如α，如e作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测器 如下所示： 首先令 _ __
其中Usa，Use分别为定子α轴，β轴的电压，isa，ise分别为实测出来的定子α轴，β轴的电 流，i'sa，i'se分别为观测器估计的定子α轴，β轴的电流，如α，如e分别为实际转子α轴，β轴的磁 链，Φ'τα,Φ'τΡ分别为观测器估计的转子α轴，β轴的磁链，Rs为定子电阻，Lsd为定子直轴电感， Lsq为定子交轴电感，ω为转子转速，M，N为滑模增益； (2) 预测方程如下： 根据凸极永磁同步电机的电压方程，将i sa，i sfi，如。，如0作为状态变量，山。，Use作为输入 变量列写状态方程，记为 X=AX+BUs，X=[isa isfi 如。ΦγΡ]Τ(即X为四行一列的列向量），Us=[UsaUse]T，（即Us为两行 一列的列向量），对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λι，λ2，λ3和λ4 其对应的特征向量记为pi，Ρ2，Ρ3和Ρ4并令
对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程：
由于后续未用到4ra(tn+T)和4re(tn巧），所W没有列出4ra(tn+T)和4re(tn+T)的预测方 程； (3) 特征控制方程 在上述离散化处理之后的方程两端同时乘Wp-1，即有ρ-?χ(tn+T) =p-ipeΑΤρ-?χ(tn) +p-ip 八矿iBUs(tn)，化简之后求出Us(tn)，即得到如下式： 并令如下式：
其中id" iqc分别为tn+T时亥U的定子d轴，q轴电流值，ido，iqo分别为tn时亥U的定子d轴，q 轴电流值，其可通过预测方程预测出来的tn时刻的定子α轴，β轴电流值isa，ise经过2s/化变 换得到，恥为永磁磁链， 求出 Usd(tn)，Usq(tn)后，再经过 2；r/2s 变换为 Usa(tn)，Use(tn); (4)通过给定转矩Te。计算出给定值id。，iq。的值， 首先令：
只保留负实数根且绝对值小于ilim。
[0007]算出idc后，则
A.用第一阶段算出的idc判断是否处于电压极限圆上或外部，也就是下式：
第二阶段:若处于处于电压极限圆上或外部，则利用上式等于加寸求解出idc(只保留负 实数根且绝对值小于ilim)，同时利用下面的方程求解iq。
(此处忽略了电阻的电压降）； 用第二阶段的id。判断是否处于电流极限圆上或外部，也就是下式：
第Ξ阶段:若处于电流极限圆上或外部，则利用上式等于加寸求解出idc(只保留负实数 根且绝对值小于ilim)，同时
第四阶段:若处于电流极限圆内部，则idE，iq。与第二阶段算出来的一样。
[000引B.若用第一阶段算出的idc判断处于电压极限圆内部，现J 第五阶段:idc, iqc与第一阶段算出来的一样， 用第五阶段的idc，iq。判断是否处于电流极限圆上或外部，也就是下式
第六阶段:若处于电流极限圆上或外部，则idc的值可由如下方程求解得出
(只保留负实数根且绝对值小于ilim)，同时
第屯阶段:若处于电流极限圆内部，idE，iq。与第一阶段算出来的一样。
[0009] 本发明之所W采用运种控制方法，主要有W下的优点：1、本发明通过使用特征控 制的方法使凸极永磁同步电机的控制系统更加趋于数字化，更便于实验验证结果的正确 性。2、本发明补偿了数字控制的延时，抑制了转矩谐波，同时增加观测器环节和预测控制环 节让整个系统的结构更紧凑，更符合对电机的精确控制。3、本发明中的控制系统没有使用 传统的双环（即角速度环，W及电流环）电动汽车系统，仅仅只是采用了特征控制构成整个 系统，少了两组环的PI调节器，不仅使得电流响应速度变快，同时也避免了PI调节器固有的 饱和W及参数调节困难等问题。4、本发明不仅对每一步电机方程进行细化，同时也考虑了 很多技术上的约束和限制，如死区时间的补偿等等，所W可W显著减少超调和滞后的问题。 本发明的控制方法可W推广至所有的交流电机类型中，尤其W电动汽车系统应用更广泛。
【附图说明】
[0010] 图1基于特征控制的凸极永磁同步电机电动汽车系统整体结构框图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
[0012] 图1是基于特征控制的凸极永磁同步电机电动汽车系统整体结构框图，该系统包 括定子d、q轴电流给定值计算1、凸极永磁同步电机特征控制2、凸极永磁同步电机预测控制 3、滑模变结构观测器4、坐标变换5、单位延时模块6、SVPWM模块7、电压源型逆变器8、凸极永 磁同步电机9、位置传感器10、电角速度计算模块11。
[0013] 位置传感器10的输入端从凸极永磁同步电机9的输出端引出来，电角速度计算模 块11的输入端从位置传感器10的输出端引出来。坐标变换模块5(3s/2s)是将凸极永磁同步 电机的Ξ相定子电流isa，isb，isc变换成静止坐标系下的isa，ise，滑模变结构观测器模块4的 输入端有5个，分别来自于坐标变换模块5的两个输出isa，isfi，单位延时模块6的两个输出Usa (tn-T)，Use(tn-T)，W及电角度计算模块11的输出端ω。凸极永磁同步电机预测控制模块3 的输入端有7个，分别来自于滑模变结构观测器模块4的4个输出isa(tn-T)，ise(tn-T)，4ra (tn-T)，恥e(tn-T)，单位延时模块6的两个输出Usa(tn-T)，Use(tn-T)，W及电角度计算模块11 的输出端ω。定子d、q轴电流给定值计算模块1的输入有两个，一个是给定转矩Te。，另一个是 电角度计算模块11的输出端ω。凸极永磁同步电机特征控制模块2的输入有7个，分别是定 子d、i3轴电流给定值计算模块1的输出idE，iq。，凸极永磁同步电机预测控制模块3的输出isa (tn)，ise(tn)，W及位置传感器10的输出0"SVPWM模块7的两个输入来自凸极永磁同步电机 特征控制模块2的两个输出Usa(tn)，Use(tn)，同时单位延时模块6的输入端来自于凸极永磁 同步电机特征控制模块2的两个输出山。(tn)，Use (tn)。
[0014] 其中凸极永磁同步电机控制系统的核屯、算法为特征控制，逆变器输出的Ξ相电流 驱动电机的静止，本发明的算法是在特征控制基础上，加入电流和磁链观测器W及预测控 制环节，实现凸极永磁同步电机在新的控制策略上的突破。
[0015] 综上所述，本发明所提出的基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制策略 可W快速有效的使逆变器输出电流的谐波含量降低，本发明方法摆脱了电机传统矢量控 审IJ，提出了基于特征控制的电机控制策略，从而完成了电流谐波的抑制，进而完成转矩谐波 的抑制，该方法可W在不修改硬件的前提下，使用了特征控制算法来对电机实现控制，在特 征控制上增加了电流和磁链观测器并加入了预测控制，对工业电机的转矩谐波W及电磁噪 声问题有抑制作用。
【主权项】
1. 一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制方法主要包括以下步骤： 1)本控制方法由如下模块构成：电流传感器，位置传感器，电角速度计算模块，坐标变 换模块，单位延时模块，预测控制模块，定子d轴，q轴电流分量id，iq的给定值计算模块，凸极 式凸极永磁同步电机，滑模变结构观测器模块，SVPWM即空间矢量脉宽调制模块，凸极永磁 同步电机特征控制模块； 2 )电流传感器将检测出的凸极永磁同步电机中三相定子电流ia，ib，i。作为输入，送至 坐标变换模块内，对三相电流进行三相/两相（3s/2s)坐标变换，输出是两相静止坐标系下 的定子电流分量i SCC，i sf!; 3) 凸极永磁同步电机转子静止的电角度Θ输入至转速计算模块中，对电角度Θ进行求 导，得到转速反馈值ω; 4) 将坐标变换模块输出的在tn-T时刻的定子电流分量isa，is{!，t n-T时刻的定子电压分 量usa，Us{!，以及转速反馈值ω这五个变量作为输入，送至滑模变结构观测器模块中观测出 t n-T时刻的定子电流分量isa，isp，转子磁链分量φι·α，的值； 5) 将步骤(4)观测出tn-T时刻的定子电流分量isa，isf!，转子磁链分量的值送入预 测控制模块得到^时刻的定子电流分量isa，isf!，转子磁链分量la，的值； 6) 将给定转矩Te。，转速反馈值ω送入定子d轴，q轴电流分量isd，isq的给定值计算模块， 输出的是isd和i sq的给定值，记为id。，iq。； 7) 将步骤(5)预测出tn时刻的定子电流分量isa，is{!，电角度Θ，以及步骤(6)输出的定子d 轴，q轴电流分量id，iq的给定值id。，iq。作为输入，送至凸极永磁同步电机特征控制模块中， 输出是tn时刻的定子电压分量U sa，Use ; 8) 将步骤(7)tn时刻的定子电压分量Usa，Us{!分别经过单位延迟模块，即延时一个T周期， 得到t n_T时刻的定子电压分量usa，us{!，这就是步骤(4)所需要的U-T时刻的定子电压分量 UsCL ? Us^ ； 9) 将步骤(7)计算出的tn时刻的定子电压分量usa，us{!作为输入，送至SVPWM模块中，产生 六路PWM信号，以此作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，来产生三相交流电压驱动 凸极永磁同步电机工作。2. 如权利要求书1所详述的一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制方 法，其主要的特征在于：（1)滑模观测器设计方法如下： 根据在静止坐标系下凸极永磁同步电机的定子a轴，β轴的电压方程，将定子电流分量 isa，isp，转子磁链分量φι·α，Φι·β作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测器 如下所示： 首先令其中usa，us{!分别为定子α轴，β轴的电压，isa，is{!分别为实测出来的定子α轴，β轴的电流， i'sa，i'si!分别为观测器估计的定子a轴，轴的电流，He分别为实际转子a轴，轴的磁链， Vrajrf!分别为观测器估计的转子α轴，轴的磁链，R s为定子电阻，Lsd为定子直轴电感，Lsq为 定子交轴电感，ω为转子转速，Μ，N为滑模增益； (2) 预测方程如下： 根据凸极永磁同步电机的电压方程，将i sa，i sp，Φι·α，作为状态变量，USCC，Usp作为输入 变量列写状态方程，记为 X=AX+Bus，X=[isa isf! ΦΓβ]Τ(即X 为四行一列的列向量），Us=[UsaUsf!]T，（即U s 为两行 一列的列向量） 对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λ:，λ2，λ3和λ4其对应的特 征向量记为Pi，Ρ2，Ρ3和Ρ4并令 再令：对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程： X(tn) =PeΛΤΡ-1 (tn-T) +P Λ -1 (eΛΤ-Ι)p-^Us(tn-T) (I为单位阵，T为采样时间）由于后续未用到Φτα ( tn+T )和& ( tn+T )，所以没有列出ltra ( tn+T )和& ( tn+T )的预测方 程； (3) 特征控制方程 在上述离散化处理之后的方程两端同时乘以F1，即有PK tn+T) =p4peATpK tn) +P一1P AleAT-DpiBusUn)，化简之后求出Us(tn)，即得到如下式： 并令如下式：其中id。，iq。分别为tn+T时刻的定子d轴，q轴电流值，id〇，iq〇分别为tn时刻的定子d轴，q轴 电流值，其可通过预测方程预测出来的tn时刻的定子α轴，β轴电流值isa，is{!经过2s/2r变换 得到，为永磁磁链； 求出usd(tn)，uSq(tn)后，再经过2r/2s变换为u sa(tn)，usfi(tn); (4)通过给定转矩Te。计算出给定值id。，iq。的值 首先令：电压极限圆的方程为： 第一阶段：id。通过如下方程算出：只保留负实数根且绝对值小于illm， 算出id。后，则A.用第一阶段算出的iac判断是否处于电压极限圆上或外部，也就是下式：v 第二阶段:若处于处于电压极限圆上或外部，则利用上式等于〇时求解出id。（只保留负 实数根且绝对值小于同时利用下面的方程求解iq。(此处忽略了电阻的电压降） 用第二阶段的id。判断是否处于电流极限圆上或外部，也就是下式：第三阶段:若处于电流极限圆上或外部，则利用上式等于〇时求解出idc(只保留负实数 根且绝对值小于iiim)，同时第四阶段:若处于电流极限圆内部，则id。，、。与第二阶段算出来的一样； B.若用第一阶段算出的id。判断处于电压极限圆内部，则 第五阶段:idc，iqc与第一阶段算出来的一样； 用第五阶段的idc，iq。判断是否处于电流极限圆上或外部，也就是下式第六阶段：若处于电流极限圆上或外部，则idc的倌可由如下方稈求解得出 (只保留负实数根且绝对值小于ium)，同时第七阶段:若处于电流极限圆内部，id。，、。与第一阶段算出来的一样。
【文档编号】H02P21/13GK105871278SQ201610233156
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】康劲松
【申请人】舟山济邦电气科技有限公司