消除虚拟信号注入法误差的同步电机最大转矩电流比控制方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟信号注入法的同步电机最大转矩电流比(MTPA)控制方法，包括：基于重建的虚拟方波注入法数学模型，将因未考虑同步电机参数非线性特性导致的误差与虚拟方波幅值的关系通过线性表达式呈现，并考虑表达式中所包含的难以准确计算的电机参数的偏导项，将误差消除问题转换为误差上界的优化问题；利用基于坐标下降法的优化方法对其进行求解，交替优化虚拟方波信号的幅值和对电机参数的偏导项的估计值，使得误差不断收敛直至完全消除，实现电机的最优MTPA控制。该方法不依赖电机参数，无需复杂的参数计算，也不用提前获取电机参数，通过不断迭代消除由未考虑参数非线性带来的控制误差，实现精准的MTPA控制。

说明书

技术领域

本发明属于同步电机高性能控制技术领域，涉及一种基于虚拟信号注入法(VSIM)的同步电机最大转矩电流比(MTPA)控制方法。

背景技术

同步磁阻电机转子无永磁体，内部磁场由定子电流励磁产生，具有无退磁 风险，成本低，运行可靠，弱磁扩速容易，调速范围宽等优点，近年来成为新 的研究热点。然而与永磁同步电机相比，同步磁阻电机的性能还有所欠缺，这 限制了它的应用范围。虽然对电机本体进行优化设计在一定程度上可以解决问 题，但为了进一步提高同步磁阻电机的运行性能，扩大它的应用范围，需要对 同步磁阻电机的高性能控制方法进行重点研究。

由于同步磁阻电机转子铁耗很小，当电机运行在基速以下时，铜耗为主要 的损耗。为了降低电机损耗，提升电机效率，需要对电机进行最大转矩电流比 (MTPA)控制，即在给定负载转矩下，通过调整电流角，使电机的电流最小。 虚拟信号注入法(VSIM)作为实现MTPA控制的在线搜索方法之一，因其计 算简便、响应快速且不会引入额外损耗和转矩脉动的优点，得到广泛关注。

现有的关于VSIM的研究大多应用于永磁同步电机，由于永磁同步电机非 线性特性不明显，忽略参数非线性的传统VSIM能取得较好的MTPA控制效果。 不同于永磁同步电机，同步磁阻电机转子上没有永磁体，它的磁路饱和状态完 全由电流决定，使得同步磁阻电机参数非线性变化十分显著。采用传统的 VSIM未考虑参数非线性变化特性对同步磁阻电机进行控制存在固有误差，无 法实现最优的MTPA控制效果。并且由于难以对非线性变化的参数进行精准建 模，现有的进行参数计算来量化误差再补偿的方法仍难以实现最优MTPA控制。 为实现同步磁阻电机的最优MTPA控制，有必要考虑由参数非线性特性导致的误差，对传统VSIM方法进行优化，并且解决误差受参数非线性影响难以准确 建模的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于VSIM的同步电机MTPA控制 方法，该方法是一种不依赖参数并且可以消除误差的VSIM方法，可以在同步 电机上实现最优MTPA控制，尤其适用于同步磁阻电机的MTPA控制。

本发明考虑了由于同步磁阻电机参数非线性特性产生的误差，通过对虚拟 方波注入法提取

本发明采用的技术方案为：

一种基于虚拟信号注入法的同步电机最大转矩电流比控制方法，包括： 基于重建的虚拟方波注入法数学模型，将因未考虑同步电机参数非线性特性导 致的MTPA控制误差与虚拟方波幅值的关系通过线性表达式呈现，并考虑表达 式中所包含的难以准确计算的电机参数的偏导项，将误差消除问题转换为误差 上界的优化问题；

利用基于坐标下降法的优化方法对其进行求解，交替优化虚拟方波信号的幅值和对电机参数的偏导项的估计值，使得误差不断收敛直至完全消除，实现电机 的最优MTPA控制。

上述技术方案中，进一步的，基于重建的虚拟方波注入法数学模型，将因 未考虑同步电机参数非线性特性导致的MTPA控制误差与虚拟方波幅值的关系 通过线性表达式呈现，如下：

将误差ε表示为：

ε＝Aδ+B

其中

其中，δ为注入的虚拟方波信号的幅值，P表示电机极对数，L

B中包含的电机电感参数的偏导项难以准确计算，故引入参数γ来估计B， 表示为

|ε|＝|Aδ+B|≤|Aδ+γ|+|B-γ|.

于是可以通过优化误差上界来消除ε，误差上界用

进一步的，通过使用坐标下降法来交替迭代更新δ和γ，使

进一步的，迭代过程如下：

δ

γ

其中k为坐标下降法中的迭代次数；

每一次迭代中，均采用线搜索方法依据

c

进一步的，K

本发明的有益效果：

与传统的虚拟信号注入法MTPA控制中没有考虑因为参数非线性变化导致 的固有误差不同，本发明通过一种基于坐标下降法的VSIM方法，考虑该误差 并将其消除，可以在同步电机上实现最优MTPA控制。与其他通过补偿误差的 MTPA控制方法相比，本发明的这种方法不依赖电机参数，无需复杂的计算， 通过不断迭代消除由参数非线性带来的误差，实现精准的MTPA控制。

附图说明

图1是本发明的方法流程图

图2是生成虚拟方波信号示意图

图3是基于VSIM的同步磁阻电机控制系统整体框图

图4是实施例电机电流幅值的波形图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明着眼于传统VSIM对同步磁阻电机进行控制存在固有误差的问题， 提出了不依赖参数的算法，解决了以往误差量化不准确、难度大的问题，并且 消除了误差，提供了一种高效精准的基于VSIM的MTPA控制方法。

该方法考虑了在传统VSIM控制过程中通过对虚拟方波信号注入法重新建 模，推导得到了一个与方波信号幅值有关的新的误差表达式，提供了通过调整 方波幅值来消除误差的新思路。考虑误差表达式包含难以准确计算的电机参数 的偏导项，为了避免复杂的参数计算，实现无参数依赖的控制，提出了一种基 于坐标下降的优化算法，交替优化方波信号的幅值和对电机参数的偏导项的估 计值，使得误差不断收敛直至完全消除，实现电机的最优MTPA控制。方法流 程如图1所示，主要包括对虚拟方波注入法重新建模、基于线搜索估计参数偏 导项、坐标下降法消除误差等步骤。

根据本发明的一种具体实例，该方法包括如下：

步骤1：传统的VSIM未能考虑参数非线性变化带来的误差，因此需要对现 有的虚拟方波注入法重新建模。

虚拟方波信号注入法对注入虚拟信号后的电磁转矩进行泰勒展开，得到 MTPA判定信息

其中，T

然而考虑电机参数的非线性特性，真正

因此采用虚拟方波信号注入法对电机进行MTPA控制存在固有误差：

为了更方便地进行分析，误差ε可以重写为：

ε＝Aδ+B.

其中

I

可以看到ε与δ线性相关，可以通过调节δ消除ε。A可以方便进行计算，而B 中包含的电机电感参数的偏导项难以准确计算，引入参数γ来估计B，于是可以 通过优化误差上界来消除ε，表示为

|ε|＝|Aδ+B|≤|Aδ+γ|+|B-γ|.

误差上界可以用

这是一个涉及δ和γ的多变量优化问题，我们可以通过使用坐标下降法来交 替更新δ和γ，使

δ

γ

其中迭代次数k＝1,2,...

步骤2：以线搜索为基础，使得γ逐渐接近B，实现γ

步骤2.1：探究γ变化的方向。当γ接近B时，

步骤2.2：探究γ变化的步长。由于γ和B是交替更新的，我们希望γ的步长与 B的变化相当，即|dγ|∝|dB|。而dB可以表示为

其中

考虑到dτ远小于dI

表示为

|dγ|∝|I

此外，在实际应用中由于系统时延，会产生两个问题：1、过大的γ会导致 系统时延；2、系统在电机还未到达MTPA点时便提前进入稳定。为解决这两 个问题，更新步长公式为

其中↑为增大，↓为减小，K的下标中第一个箭头表示I

步骤2.3：更新γ。结合方向和步长，dγ/dt可以表示为

经过积分器计算后，便可以更新γ。

步骤3：生成虚拟方波信号。具体步骤如下：

步骤3.1：基于更新后的γ，可以根据δ＝root(Aδ+γ)更新δ。

步骤3.2：基于对虚拟方波信号的定义，可以生成虚拟方波信号

其中N表示第N周期，T

步骤4：基于VSIM控制同步磁阻电机，实现最优MTPA控制。具体步骤如 下：

步骤4.1：提取

在β处对电磁转矩进行傅里叶展开，可以得到

由于δ很小，可以忽略o(δ)。因此，

步骤4.2：

步骤5：若尚未实现MTPA，则重复步骤2-4，基于坐标下降法不断更新迭 代(δ,γ)，直到迭代至全局最优点(δ

本发明通过对虚拟方波注入法重新建模得到误差表达式、基于坐标下降法 消除误差、基于线搜索估计参数偏导项，形成一种精准的MTPA控制方法；该 方法消除传统VSIM的误差的过程中采用了坐标下降法，实现参数无依赖的精 准MTPA控制，无需进行复杂参数计算，也无需提前获取电机参数；采用线搜 索逐步估计参数偏导项，通过调整注入的虚拟方波的幅值来逐步消除误差；此 外，在估计参数偏导项过程中，针对系统时延导致的估计值不能过大、系统提 前进入稳定的两大问题，通过设置不同情况下的K

具体应用实例

为了验证本发明方法的可靠性，进行了相关实验。实验中使用的同步磁阻 电机的参数见下表1。

表1同步磁阻电机参数

表2是在转速为2000r/min，负载转矩分别为4、7、10Nm的工况下，用提出 方法对电机进行控制，当电机进入稳态时工作点电流幅值和电机MTPA点的电 流幅值。可以看到经过本方法对误差的消除，电机能精准工作在MTPA点，实 现最优控制。

表2提出方法控制下电机的稳态工作点和MTPA点的电流幅值

图4是在转速为2000r/min，负载转矩以每50s阶跃3Nm，从4Nm阶跃上 升到10Nm，再阶跃下降回3Nm的工况下，用提出方法对电机进行控制，电机 电流幅值的波形图。可以看到提出的方法具有良好的动态特性，电流幅值波形 的暂态响应很快，进入稳态后波形保持平稳。