基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪方法及装置

摘要

基于自主学习的内置式永磁同步电机最大转矩电流比曲线跟踪方法，由角度解算模块、电压比较器、自主学习导数观测器、PI调节器、电流比较器；其中角度解算根据PI调节器输出的角度补偿与当前角度相加得到新的角度值；电压比较器通过将当前端电压幅值与母线电压比较判断是否已经到达电压限制；自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出转矩对角度的偏导数，此偏导数将被输出到PI调节器，由PI调节器计算出所需要的角度补偿量，当误差转矩对角度的导数在预先设定的范围内时，即判断跟踪完成，随即对电流矢量大小进行更新。从静态的标定模式为动态的搜索模式能够提高开发效率，保证曲线正确性，对不同的电机有着更加好的适用性。

说明书

技术领域

本发明属于永磁同步电机的控制技术领域，具体涉及基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪方法及装置。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机(IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。

在IPMSM的控制策略中，为了实现效率的最大化和电流容量的最大利用，电机在弱磁之前将被控制运行在最大转矩电流比(MTPA)曲线上，随着电机速度的不断提升，由d 轴q轴电流Id、Iq，永磁体磁链，电角速度w所表示的短电压逐渐升高，具体表示公式为：

其中Umax为驱动电机的逆变器直流母线电压。则由上式可得受限于电压上限的电流限制关系。在dq坐标系上看是一个随着w增大而收缩的椭圆(如图1)。dq电流坐标须落在此椭圆之内。如图所示，在弱磁控制阶段，dq电流的限制曲线由两部分构成，即原有的MTPA曲线(成为图1中A段)以及对应当前w的电压限制曲线(成为图1中B段)，称之为弱磁限制曲线。

在电机运行在MTPV(最大转矩电压比)阶段之前，从扭矩输出的角度来看，当dq 轴电流位于弱磁限制曲线上时，所输出扭矩为当前电流所对应的最大值。

通过电机控制理论可知，在电机运行在B段曲线上时，其输出端电压幅值应恰好等于逆变器的直流母线电压。当在电机运行在A曲线之上的时候，其转矩信号对电流角度的导数记为(dTe(beta))为0。本方案利用dTe(beta)作为反馈信号，以调节dTe(beta)最终为0为目的，利用合理的PI调节模块，搜索出当前电流矢量大小下，转矩最优的角度值。

而在一般的电机驱动产品中，往往不含转矩传感器，即使带有转矩传感器，其导数求取也会因为采样时间滤波参数等问题变得十分困难。

中国公开专利号105262394A，公开日2016年01月20日，发明名称一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法及其控制系统，公开了一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法及其控制系统，通过计算定子电流离散点和转速离散点下的理论最优转矩角，划分出可变搜索区间，在可变搜索区间内搜索输出转矩最大时的转矩角，作为实测最优转矩角，对一系列实测最优转矩角进行二元二次多项式拟合，得到算法最优转矩角的拟合公式，根据算法最优转矩角和定子电流Is计算某定子电流Is下的电机的直轴电流给定和交轴电流给定用于内置式永磁同步电机的电流环给定。本发明提出了一种基于变区间搜索和二元二次多项式拟合的 MTPA实验法，实现更高效率和精度的MTPA控制方法。

传统的方式对电机曲线的标定工作会占用较大时间，严重影响开发效率以及工程进度；由于在标定过程中仅仅对一台或者几台样机进行标定，当一致性有所欠缺时，其标定曲线和实际曲线会有较大的差距。

本方案采用的自主学习算法的核心就是在不采用转矩传感器的前提之下，寻找合理的观测量来表征转矩对角度的偏导数，利用合理的PI调节模块，搜索出当前电流矢量大小下，转矩最优的角度值，而在现有的解决方案中，弱磁曲线往往是通过人工反复的试凑标定而来。即在固定电流大小之后，反复调节电流的角度(如图1所示之beta)最终描绘出所示之曲线。人工标定的问题较多，比如精度低、耗时长、效率低等。

发明内容

本发明的目的在于改进现有弱磁曲线手工标定方法存在的工期长、效率低、准确度差、鲁棒性差等缺陷，提供基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪算法及配套。

基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪装置，包括：

被控同步电机，与主控单元、角度解算器以及电压限制比较模块电连接；

主控单元，用于储存电流与角度值、交换各单元数据以及控制电机运转，与被控同步电机、电流比较器、电压限制比较模块、自主学习导数观测器以及PI调节模块电连接；

电流比较器，用于比较d轴与q轴电流是否都大于零，与被控同步电机以及主控单元电连接；角度解算模块，设置在被控同步电机上，用于计算同步电机角度，与主控单元以及自主学习导数观测器电连接；

电压限制比较模块，采集端一与直流母线电连接，采集端二与同步电机端子电连接，输出端与主控单元电连接；

自主学习导数观测器，用于计算虚拟转矩对角度导数，与角度解算模块、PI调节模块以及主控单元电连接；

PI调节模块，用于从虚拟转矩对角度导数计算补偿角度用电机控制量，与自主学习导数观测器以及主控单元电连接。

其中角度解算模块根据PI调节模块输出的角度补偿与当前角度相加得到新的角度值；自主学习导数观测器通过扰动观测法计算出转矩对角度的偏导数，此偏导数将被输出到PI调节模块，由PI调节模块计算出所需要的角度补偿量；当误差判断器检测到转矩对角度的导数在预先设定的范围内时，即判断跟踪完成，随即对电流矢量大小进行更新。

基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪方法，包括以下步骤：

M1，设定预设电压界限值、门限值Slim以及零时刻角度值；

M2，角度解算单元读取同步电机的d轴电流i_d与q轴电流i_q，角度解算单元计算i_d对i_q比值，并对此比值做反正切变换计算得到当前电流角度；

M3，高频注入单元读取由角度解算单元计算出的电流角度并使其与高频分量sin_omega_h叠加，重新计算虚拟电流值i_{d_h}和i_{q_h}；

M4，虚拟转矩解算单元读取同步电机直轴电压V_d、交轴电压V_q、转速w_mech，同时读取由高频注入单元计算出的虚拟电流值i_{d_h}和i_{q_h}和同步电机电机d轴电流i_d与q轴电流i_q，根据计算公式：

计算虚拟转矩T_{e_h}；

M5，虚拟转矩T_{e_h}值输入至带通滤波器得到信号Te_h_fil；

M6，信号Te_h_fil于高频分量sin_omega_h相乘并进行带通滤波，得到转矩对角度的导数值 S。

作为优选，在所述的步骤M2前还设有以下步骤：

PM1，电流给定计算器读取d轴电流i_d并判断电流值是否大于零，读取q轴电流i_q并判断电流值是否大于零，若均大于零则判断通过反之不通过，判断不通过则结束此流程，通过则执行步骤PM2；

PM2，检测同步电机转动角度值，并判断前端电压幅值与母线电压的比值是否已经到达电压限制，如果达到电压限制则记录当前电流与角度值，否则执行步骤M2；

PM3，读取步骤M6中的转矩对角度的导数值S，判断转矩对角度的导数值S是否小于预设Slim，若小于Slim则跳转至步骤PM4，否则跳转至步骤PM5；

PM4，对d轴电流i_d减去固定操作值1，对q轴电流i_q减去固定操作值1，并执行步骤PM1；

PM5，使转矩对角度的导数值S输入至PI调节器，由PI调节器计算得到补偿现有角度用的控制量；

PM6，通过补偿现有角度用的控制量更新现有角度值，跳转至步骤PM2。

其中角度导数值为S，是由自主学习导数观测器观测出来的扭矩对角度的导数，S值为0的时候才能认为此时是最优的扭矩，但是由于在求解过程中的收敛速度问题是难以达到 0，所以需要设置一个门限值Slim，当导数值S小于次门限的时候我们就认为它已经搜索到最优的转矩了；所以在流程中，当S<Slim时，就进行数据存储，然后进行固定操作值电流指令减一的操作；其中并判断前端电压幅值是U，母线电压为Umax，所以满足U>Umax条件，或S<Slim条件，都会进行数据存储，电流操作值减固定值一。

作为优选，在所述的步骤M3包括以下子步骤：

A1，由波形发生器生成高频分量sin_omega_h；

A2，角度解算单元计算出的电流角度与高频分量sin_omega_h进行叠加得到中间值βsum； A3，分别计算βsum的正弦值与余弦值得到中间值sinβsum和cosβsum；

A4，读取d轴电流i_d与q轴电流i_q并执行以下计算公式：

计算得到总电流Ia；

A5，中间值cosβsum与总电流Ia相乘得到虚拟电流值i_{q_h}；

A6，对中间值sinβsum求反并与总电流Ia相乘得到虚拟电流值i_{d_h}。

其中，i_d带入公式中的u_[1],i_q带入公式中的u_[2]。

本发明的实质性效果在于：传统的标定查表法中，对电机曲线的标定工作会占用较大时间，严重影响开发效率以及工程进度；由于是通过人工对电机进行标定，其偏移误差很大，甚至不同的操作人员的标定结果也不尽相同，因此不能保证曲线的准确性；采用的是静态的方式，即“一次标定、永久使用”的原则，在电机参数随着使用时间的增加而变化的时候，其弱磁曲线将会有显著的变化。而静态的标定法得到的曲线与实际曲线的差距将会越来越大，从而会影响电机的总体效率；由于在标定过程中仅仅对一台或者几台样机进行标定，当一致性有所欠缺时，其标定曲线和实际曲线会有较大的差距；使用本发明的方法，可以加快开发进度，并且弱磁曲线是跟随电机状态变化而产生变化的，能够最大化弱磁曲线与实际曲线的相似度提高电机的运作效率，并且不需要电机生产线的高度相似，能够随不同批次电机而使用相同方法，降低了电机的生产成本和弱磁曲线的开发成本。

附图说明

图1背景技术中限制曲线图；

图2角度解算模块解算图；

图3高频注入单元解算虚拟的Id、Iq电流值解算图；

图4虚拟转矩解算单元解算图；

图5导数解算单元解算图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

如图2、图3图4和图5所示，所述的基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪方法，包括以下步骤：

PM1，电流给定计算器读取d轴电流i_d并判断电流值是否大于零，读取q轴电流i_q并判断电流值是否大于零，若均大于零则判断通过反之不通过，判断不通过则结束此流程，通过则执行步骤PM2；

PM2，检测同步电机转动角度值，并判断前端电压幅值与母线电压的比值是否已经到达电压限制，如果达到电压限制则记录当前电流与角度值，否则执行步骤M2；

PM3，读取步骤M6中的转矩对角度的导数值S，判断转矩对角度的导数值S是否小于预设Slim，若小于Slim则跳转至步骤PM4，否则跳转至步骤PM5；

PM4，对d轴电流i_d减去固定操作值1，对q轴电流i_q减去固定操作值1，并执行步骤PM1；

PM5，使转矩对角度的导数值S输入至PI调节器，由PI调节器计算得到补偿现有角度用的控制量；

PM6，通过补偿现有角度用的控制量更新现有角度值，跳转至步骤PM2。

M1，设定预设电压界限值、门限值Slim以及零时刻角度值；

M2，角度解算单元读取同步电机的d轴电流i_d与q轴电流i_q，角度解算单元计算i_d对i_q比值，并对此比值做反正切变换计算得到当前电流角度；

M3，高频注入单元读取由角度解算单元计算出的电流角度并使其与高频分量sin_omega_h叠加，重新计算虚拟电流值i_{d_h}和i_{q_h}；

M4，虚拟转矩解算单元读取同步电机直轴电压V_d、交轴电压V_q、转速w_mech，同时读取由高频注入单元计算出的虚拟电流值i_{d_h}和i_{q_h}和同步电机电机d轴电流i_d与q轴电流i_q，根据计算公式：

计算虚拟转矩T_{e_h}；

M5，虚拟转矩T_{e_h}值输入至带通滤波器得到信号Te_h_fil；

M6，信号Te_h_fil于高频分量sin_omega_h相乘并进行带通滤波，得到转矩对角度的导数值 S。

其中角度导数值为S，是由自主学习导数观测器观测出来的扭矩对角度的导数，S值为0的时候才能认为此时是最优的扭矩，但是由于在求解过程中的收敛速度问题是难以达到 0，所以需要设置一个门限值Slim，当导数值S小于次门限的时候我们就认为它已经搜索到最优的转矩了；所以在流程中，当S<Slim时，就进行数据存储，然后进行固定操作值电流指令减一的操作；其中并判断前端电压幅值是U，母线电压为Umax，所以满足U>Umax条件，或S<Slim条件，都会进行数据存储，电流操作值减固定值一，也就是步骤PM4中所述的对 d轴电流i_d减去固定操作值1，对q轴电流i_q减去固定操作值1。

如2图所示，所述的角度解算模块以电流给定值为输入，通过求取其比值的反正切得到当前电流角度。

如3图所示，所述的高频注入单元在角度解算单元的基础上叠加一个高频分量sin_omega_h，重新计算出虚拟的i_d、i_q电流值(i_{d_h}和i_{q_h})。

如图5所示，所述的导数解算单元由带通滤波器F1、乘法器M1、以及低通滤波器F2构成。虚拟转矩Te_h经过带通滤波器F1所得到信号Te_h_fil与高频分量sin_omega_h通过乘法器M1相乘，进而进行低通滤波F2得到转矩对角度的导数。

在所述的步骤M3包括以下子步骤：

A1，由波形发生器生成高频分量sin_omega_h；

A2，角度解算单元计算出的电流角度与高频分量sin_omega_h进行叠加得到中间值βsum；

A3，分别计算βsum的正弦值与余弦值得到中间值sinβsum和cosβsum；

A4，读取d轴电流i_d与q轴电流i_q并执行以下计算公式：

计算得到总电流Ia；

A5，中间值cosβsum与总电流Ia相乘得到虚拟电流值i_{q_h}；

A6，对中间值sinβsum求反并与总电流Ia相乘得到虚拟电流值i_{d_h}。

基于自主学习的内置式永磁同步电机弱磁曲线跟踪装置，包括：被控同步电机，与主控单元、角度解算器以及电压限制比较模块电连接；主控单元，用于储存电流与角度值、交换各单元数据以及控制电机运转，与被控同步电机、电流比较器、电压限制比较模块、自主学习导数观测器以及PI调节模块电连接；电流比较器，用于比较d轴与q轴电流是否都大于零，与被控同步电机以及主控单元电连接；角度解算模块，设置在被控同步电机上，用于计算同步电机角度，与主控单元以及自主学习导数观测器电连接；电压限制比较模块，采集端一与直流母线电连接，采集端二与同步电机端子电连接，输出端与主控单元电连接；自主学习导数观测器，用于计算虚拟转矩对角度导数，与角度解算模块、PI调节模块以及主控单元电连接；PI调节模块，用于从虚拟转矩对角度导数计算补偿角度用电机控制量，与自主学习导数观测器以及主控单元电连接。