一种用于控制永磁同步电机转矩变化率的方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于控制永磁同步电机转矩变化率的方法，其包括以下步骤：检测步骤，实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；变换步骤，基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直轴电流并计算对应的交直轴电压；转矩调节步骤，基于所述变换步骤中得到的交直轴电流和电压计算调制系数Mindex，并根据所述调制系数Mindex的值所处的范围来以不同的转矩变化率分段调节输出的转矩。根据本发明，在最大转矩电流比控制时，采用相对快速的转矩响应速度，在弱磁控制时，采用相对比较平滑的转矩响应速度。使电机转矩输出平稳，抗干扰能力强，加减速快，系统制动效率高。能有效的防止系统在高速时的电流冲击，防止电机处于弱磁控制时失控。

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种用于控制永磁同步电机 转矩变化率的方法及装置。

背景技术

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）驱 动系统设计时，系统的转矩变化率可按照线性曲线和非线性曲线进行控制。通 常大多选择线性曲线，线性曲线一般是将转矩变化率设置为时间的函数，如图1 所示。线性函数关系处理起来比较简单，但是系统加速性偏慢，很难满足电动 汽车在快速起步、快速加速和有效能量回馈。而非线性曲线的种类很多，但大 多处理过程复杂计算量过大，系统响应特性较差。

由于永磁同步电机PMSM的控制工况复杂，环境恶劣，当设定电流较大， 且处于深度弱磁时，如果转矩变化率太快，很容易导致实际电流无法跟踪设定 电流，使电流调节器迅速饱和，导致电流失控。一旦电流失控，电机及其控制 器将有可能出现超速、过流、直流母线电压升高等故障。

因此，现有的一些做法是在基速以下采用最大转矩电流比控制，基速以上弱 磁控制相结合的矢量控制策略，以使得汽车在整个运行范围内具有高效率、调 速范围宽、强过载能力、良好的起动加速性能，并且在低速运行时能够提供大 转矩，高功率密度、高可靠性、低成本。但是目前采用上述控制策略针对转矩 变化率进行控制的方法在系统的动态响应和稳定性兼顾方面还不甚理想。

为此，针对永磁同步电机的控制还需要提供一种有效的简便的转矩变化率 控制方法以使系统的响应速度和稳定性方面同时达到最优。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种新的转矩变化率的控制方法。该 方法能有效的提高转矩响应速度，缩短系统在加速和爬坡时的反应时间；该方 法能选择合理的转矩响应速度，提高系统的稳定性；该方法能提高电机的效率 和抗干扰能力。

根据本发明的用于控制永磁同步电机转矩变化率的方法，其包括以下步骤：

检测步骤，实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；

变换步骤，基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直 轴电流并计算对应的交直轴电压；

转矩调节步骤，基于所述变换步骤中得到的交直轴电流和电压计算调制系数 Mindex，并根据所述调制系数Mindex的值所处的范围来以不同的转矩变化率分 段调节输出的转矩。

根据本发明的一个实施例，在所述转矩调节步骤中，当所述调制系数Mindex 低于一阈值时，以第一组转矩变化率来调节输出的转矩从而使电机在最大转矩电 流比控制方式下运行以缩短转矩响应时间。

根据本发明的一个实施例，在所述转矩调节步骤中，当所述调制系数Mindex 高于或等于一阈值时，以第二组转矩变化率来调节输出的转矩从而使电机在弱磁 控制方式下运行以平缓到达转矩设定值。

根据本发明的一个实施例，所述第一组转矩变化率均高于所述第二组转矩变 化率。

根据本发明的一个实施例，所述阈值与逆变的最大限制输出电压有关。

根据本发明的一个实施例，在未达到设定转矩时，采用不同循环次数的定时 中断并基于所述调制系数Mindex所处的范围来递增或递减所述转矩，其中所述 不同的循环次数对应于所述第一组转矩变化率和所述第二组转矩变化率。

根据本发明的一个实施例，所述调制系数Mindex采用以下公式得到：

$\mathrm{Mindex}=\frac{\sqrt{3}{u}_s}{U_{\mathrm{dc}}}$

Us为电机旋转磁场产生的交直轴电压矢量，Udc为输入电机的驱动电压。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于控制永磁同步电机转矩的装 置，其包括：

检测单元，其用于实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；

变换单元，其基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交 直轴电流并计算对应的交直轴电压；

转矩调节单元，基于调制系数的值所处的范围来以不同的转矩变化率分段调 节输出的转矩，其中，所述调制系数与交直轴电压或交直轴电流的矢量有关。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括弱磁判断单元，当所述调制系数 低于一阈值时，以第一组转矩变化率来调节输出的转矩从而使电机在最大转矩电 流比控制方式下运行；当所述调制系数高于或等于一阈值时，以第二组转矩变化 率来调节输出的转矩从而使电机在弱磁控制方式下运行。

本发明带来了以下有益效果：提出一种简单的可靠的安全的转矩变化率的控 制方法，该方法能解决以下问题：

（1）考虑电压利用率，在电压未完全利用的条件下提高转矩响应速度，缩 短系统在加速和爬坡时的反应时间。

（2）考虑控制方法，在最大转矩电流比控制时，采用相对快速的转矩响应 速度，在弱磁控制时，采用相对比较平滑的转矩响应速度。

（3）使电机转矩输出平稳，抗干扰能力强，加减速快，系统制动效率高。

（4）能有效的防止系统在高速时的电流冲击，防止电机处于弱磁控制时失 控。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中 变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在 说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1显示了现有技术中采用线性转矩变化率进行转矩控制的曲线图；

图2详细显示了根据本发明的一个实施例的永磁同步电机PMSM的控制框 图；

图3详细显示了根据本发明的一个实施例采用不同的转矩变化率分段控制达 到目标转矩的中断程序流程图；

图4总体显示了根据本发明的实施例进行分段调节转矩变化率的转矩随时间 变化的曲线图；

图5为变化调制系数Mindex处于最小范围时采用较大的转矩变化率进行控 制的转矩响应曲线图；

图6为调制系数Mindex处于中间范围时采用中等等转矩变化率进行控制的 转矩响应曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技 术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。 需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征 可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机 内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕 组内通以电流来产生磁场；另一种是由永磁体来产生磁场。通过永磁体来产生 磁场的电机就是永磁同步电机。本发明针对的是永磁同步电机PMSM的控制。

图2显示了针对PMSM在基速以下采用最大转矩电流比控制和基速以上弱磁 控制相结合的矢量控制策略的控制框图。

如图所示，该控制结构包括检测单元、变换单元以及转矩调节单元。

检测单元，即图中框内指示的电流检测模块、速度检测模块和位置检测模块， 以实时检测电机运行时的电枢三相电流、转速和位置。永磁同步电机需要检测出 转子的实际空间位置，通过电机上的旋转变压器检测转子的实际位置，系统才能 决定电机控制器的通电方式、控制模式以及输出电流的幅值和相位，以保证永磁 同步电机正常工作。

变换单元主要包括Clark变换模块和Park变换模块。本发明基于Clark－Park 变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直轴电流并计算对应的交直轴电压。

在交流永磁同步电机PMSM高精度控制器算法中，CLARK-PARK变换和空 间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称为SVPWM）运算是 必须的。其中，Clark转换用于将一个三相系统修改成两个坐标系统。而Park转 换是将双向静态系统转换成转动系统矢量Park转换，其为现在占主流地位的交 流电机分析计算时的基本变换。

就数学概念而言，Park变换便是从abc坐标变换到dqo坐标的坐标变换。换 句话说，将磁链a、磁链b、磁链c上的电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c这些量都 变换到dqo坐标中。经过park变换可将定子上的i_a，i_b，i_c三相电流投影等效到交 直轴d、q轴上。对于稳态来说，等效之后的iq，id正好就是一个常数了。这样， 观察点便从定子转移到了转子上，因此只需关心等效之后的直轴和交轴所产生 的旋转磁场。

通过测量和控制电动机定子的电流矢量，根据磁场定向原理，将定子电流 矢量分解为产生磁场的电流分量（i_q，也称为励磁电流或直轴电流）和产生转矩 的电流分量（i_d，也称为转矩电流或交轴电流）。分别对电机的励磁电流和转矩 电流分量的幅值和相位进行控制，从而控制电机转矩。永磁同步电机的转子是 永磁体，其磁场是通过永磁体励磁，在对其转矩进行控制时，若采用基于转子 磁场定向的矢量控制，转子磁场的位置就是永磁体磁场位置。

因此，在转矩设定的情况下，只要最优配置d轴和q轴电流分量，便可使定 子电流最小，即单位电流下转矩输出最大，从而减小电机铜损耗，提高运行效 率，从而使整个系统的性能得到优化。

其中，最大转矩电流比控制也即控制i_d以追求最大转矩。在产生要求的转矩 控制情况下，只需要最小的定子电流，从而使损耗下降，有利于控制器开关器 件工作，提高效率。

本发明的控制结构中，还包括转矩调节单元，其基于调制系数Mindex的值 所处的范围来以不同的转矩变化率分段调节输出的转矩，其中，调制系数与交直 轴电压或交直轴电流的矢量有关。

PMSM的电流电压矢量的幅值如下所示：

$i_s=\sqrt{{i_d}^2+{i_q}^2}---\left(1\right)$

$u_s=\sqrt{{u_d}^2+{u_q}^2}---\left(4\right)$

根据本发明的一个实施例，可定义调制系数Mindex如下：

$\mathrm{Mindex}=\frac{\sqrt{3}{u}_s}{U_{\mathrm{dc}}}---\left(5\right)$

其中，Us为电机旋转磁场产生的交直轴电压矢量，Udc为所采集的直流母线 电压。图中显示的是输入SVPWM的电压。

根据本发明，在基速下采用最大转矩电流比控制，在基速以上采用弱磁控制。 因此，需要确定基速对应的调制系数的阈值。

优选的是，该转矩调节单元还包括目标转矩电流计算模块、弱磁判断/励磁电 流计算模块、前馈电压计算模块和交直轴电压计算模块。

目标转矩电流计算模块根据控制器发来的目标转速或者设定转矩的指令得 到电流设定值。

下面介绍电流设定值的计算。

电机的电磁转矩方程如下所示：

T_e＝n_p[ψ_fi_q-(L_d-L_q)i_di_q]---(4)

式中：n_p为电机极对数，L_d为电机直轴电感，L_q为电机交轴电感，i_d为电 机直轴电流，i_q为电机交轴电流，ψ_f为电机永磁磁链，其为一定值。

最大转矩最小电流控制算法是根据电机的电磁转矩方程满足定子电流的条 件极值下推导出的，即永磁同步电机的电流应该满足：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial (T_e/i_s)}{{\partial i}_d}=0\\ \frac{\partial (T_e/i_s)}{{\partial i}_q}=0\end{array}\right)---\left(5\right)$

最大转矩最小电流控制方式下交、直轴电流之间的关系如下所示：

$i_d=\frac{{\psi }_f}{2(L_q-L_d)}-\sqrt{{\left[\frac{\psi }{2(L_q-L_d)}\right]}^2+i_q^2}---\left(6\right)$

根据系统设定转矩，利用式（4）和式（6）便可以获得最大转矩电流比控制 时所需的交、直轴电流的设定值。

优选的是，经过Clark-Park变换后的交直轴电流还经过了PID调节。如图所 示，PID调节单元用于保证实时测到的交直轴电流能够快速稳定地跟随目标转矩 电流计算模块中计算得到的电流设定值。PID调节是比例、积分、微分调节。是 用来消除给定电流值与反馈电流值之间的误差。比例调节按比例消除系统的误 差，系统一但出现偏差，比例调节立即产生调节作用减小偏差。积分调节使系统 消除稳态误差，提高无差度。微分调节反映系统偏差信号的变化率，具有预见性， 能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前， 已被微分调节作用消除。可改善系统的动态性能。

根据本发明，实时采集监控电机枢电压电流，并实时计算相应的Mindex调 制系数。如图2所示，Mindex调制系数可以在交直轴电压计算模块中完成。在弱 磁判断/励磁电流计算模块中，根据计算所得的实时的Mindex调制系数来判断电 机需要的控制方式。

PMSM的定子磁链、转速在运行过程中须满足以下关系：

ψ_sω_e≤U_smax   (7)

式中：ψ_s表示定子磁链。

然而，当PMSM在电枢电压额定条件下，随着电机转速的升高，电枢反应磁 场的空间旋转速度也在不断提高。当电枢电压达到极限值U_smax时，电机的转速受 到了限制，不能再提高，要使转速继续升高，就要使电机内部的反电动势不能 超过电机的额定值，反电动势又与电机内部的气隙磁通的乘积成正比。这时，就 需要采用弱磁控制，使气隙磁链减小从而保证转速能够升高。

因此，永磁同步电机转速的变化受到了最大限制输出电U_smax的限制。当电机 转速达到ω_r1时，电机的端电压等于逆变器的最大限制输出电压，即 n_pω_r1ψ_s＝U_smax。若需继续提高转速，需削弱ψ_s才能满足式（7）。

当PMSM的旋转速度ω_r＜ω_r1时，电机电压未饱和，施加最大转矩电流比控 制策略，可以在获得同样电磁转矩的同时使定子电流最小。当永磁同步电机的 旋转速度ω_r≥ω_r1时，电机逆变产生的端电压达到最大限制输出电压，因此需施 加负向直轴电流，削弱合成气隙磁场，实现弱磁控制，才能达到继续升速的效 果。

在永磁同步电机运行时，根据公式（3）可设定调制系数Mindex小于0.55时， 系统处于最大转矩电流比控制，此时的电压未完全利用，设定电流较小，实际 电流能很好的跟踪设定电流，转矩变化率可以适当加快，提高系统的响应速度。

当调制系数Mindex大于0.55时，系统处于弱磁控制，电机的端电压大于等 于逆变器的最大限制输出电压，设定电流较大，电流调节器容易饱和，此时转 矩变化率可以适当平滑，提高系统的稳定性和抗干扰性。

根据本发明的一个方面，针对永磁同步电机转矩变化率的控制提供了一种分 段以不同转矩变化率进行转矩控制的方法。该方法包括以下步骤：

检测步骤，实时检测电机运行时的电枢三相电流和转速；

变换步骤，基于Clark－Park变换将所检测的电枢三相电流转换为电机交直 轴电流并计算对应的交直轴电压；

转矩调节步骤，基于所述变换步骤中得到的交直轴电流和电压计算调制系数 Mindex，并根据调制系数Mindex的值所处的范围来以不同的转矩变化率分段调 节输出的转矩。

在转矩调节步骤中，当调制系数Mindex低于一阈值如前所述的0.55时，以 第一组转矩变化率来调节输出的转矩从而使电机在最大转矩电流比控制方式下 运行以缩短转矩响应时间。

第一组转矩变化率的个数例如可以为3个，也就是说在最大转矩电流控制阶 段，为了更快速和稳定地到达设定转矩，又可将此阶段分为3段完成。这里的数 量仅仅是举例而已，并不对本发明进行限制。事实上，根据实际工作情况的需要， 其可以为合适的任意值。

当Mindex小于例如0.2时的转矩变化率最大，以加快电机转速爬升速度。当 Mindex在中间平稳地到达设定范围如0.2和0.45之间时的转矩变化率稍小。往后 依次减小转矩变化率，使其平稳地到达设定转矩。

在转矩调节步骤中，当调制系数Mindex高于或等于一阈值时，以第二组转矩 变化率来调节输出的转矩从而使电机在弱磁控制方式下运行以平缓到达转矩设 定值。

第一组转矩变化率中的各个值均高于第二组转矩变化率。Mindex的阈值与电 机逆变的最大限制输出电压有关。

在未达到设定转矩时，采用不同循环次数的定时中断并基于所述调制系数 Mindex所处的范围来递增或递减所述转矩，其中所述不同的循环次数对应于所述 第一组转矩变化率和所述第二组转矩变化率。

其具体实现如图3所示的流程图。

中断开始时，采集母线电压的值U_dc,同时计算当前施加在逆变器上电压矢量 u_s，计算调制系数；

当调制系数Mindex小于0.2时，将中断计数器计数值设置为32，即当实际转 矩小于（或者大于）目标转矩时，中断程序每隔32个中断周期执行一次，使实 际转矩增加（或者减小）1N.m，直至达到目标转矩；

当调制系数Mindex大于0.2并且小于0.4时，将中断计数器计数值设置为 48，即当实际转矩小于（或者大于）目标转矩时，中断程序每隔48个中断周期 执行一次，使实际转矩（或者减小）1N.m，直至达到目标转矩；

当调制系数Mindex大于0.4并且小于0.55时，将中断计数器计数值设置为 64，即当实际转矩小于（或者大于）目标转矩时，中断程序每隔64个中断周期 执行一次，使实际转矩（或者减小）1N.m，直至达到目标转矩；

当调制系数Mindex大于0.55时，将中断计数器计数值设置为72，即当实际 转矩小于（或者大于）目标转矩时，中断程序每隔72个中断周期执行一次，使 实际转矩（或者减小）1N.m，直至达到目标转矩；

一次中断周期结束。

根据图3的流程图，假设中断周期为0.000125s，采用本方法的转矩变化率如 图4－6所示。其中，图4总体显示了根据本发明的实施例进行分段调节转矩变 化率的转矩随时间变化的曲线图。

当调制系数小于0.2时，假设设定转矩（Torque_set）为160N.m，采用本方 法（Torque_g1）的转矩变化率，只需要20ms就能达到160N.m，而传统的固定 变化率的方法（Torque_g2）需要40ms才能达到160N.m，本方法比传统方法节 约20ms，响应速度提高一倍，如图6所示。调制系数小于0.2，系统一般处于起 步阶段，快速的转矩变化率能使控制器快速的达到峰值转出转矩，完成起步或 者爬坡工况，缩短系统的响应时间。

当调制系数大于0.2且小于0.45时，假设设定转矩（Torque_set）为260N.m， 采用本方法（Torque_g1）的转矩变化率，需要45ms达到260N.m，而传统的固 定变化率的方法（Torque_g2）需要65ms才能达到260N.m，本方法比原方法节 约20ms，如图5所示。调制系数大于0.2且小于0.45时，系统一般处于加速阶 段，较快的转矩变化率能使控制器快速有效的跟踪控制指令，提高系统的动态 响应。

由图可知，当调制系数大于0.55时，假设设定转矩（Torque_set）为300N.m， 采用本方法（Torque_g1）的转矩变化率，需要75ms达到300N.m，传统固定变 化率的方法（Torque_g2）需要75ms才能达到300N.m，虽然两种方法的响应速 度相同，但是本方法在调制系数大于0.55时的转矩变化率比较平滑。调制系数 大于0.55时，系统处于弱磁控制，一般系统处于高速运行阶段，较平滑的转矩 变化率增加控制器的调节时间，提高系统的稳定性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发 明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技 术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上 及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利 要求书所界定的范围为准。