一种变频率信号注入内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变频率信号注入内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括：在空间矢量脉宽调制算法中，通过增加或减少十个扇区里各个中矢量的作用时间，使得参考电压矢量在合成时产生相位的超前或滞后，从而形成一个频率倍数于电机基波频率的扰动信号，它直接注入到电机中，该扰动信号会使得磁链矢量幅值与电流矢量幅值处产生同频率的扰动，利用最大转矩电流比点与转速闭环来确定电机的d、q轴电流，再通过转速闭环得到电机的d、q轴电压，最后经过Park反变换得到α、β轴电压，在SVPWM算法中进行电压矢量的合成。该方法能够随电机转速以及基波频率的增加以倍数形式提升注入信号的频率，使得注入信号频率与电机基频不会互相干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种变频率信号注入内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法
本专利技术涉及多相电机最大转矩电流比(MTPA)控制
，特别涉及一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的可变频率信号注入内嵌式永磁同步电机实现MTPA的方法。通过在电机不同转速下注入不同频率的扰动信号实现MTPA控制。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进系统等对电机的性能及效率有较高要求的场合。
技术介绍
内嵌式永磁同步电机由于转矩密度高、效率因数高等优势，逐渐替代了感应电机等一系列电机，在军事、航空及家用领域变得愈发重要。如今，节能减排也成为了社会主题，这使得内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比控制受到了广大学者的关注。近年来，国内外学者对于内嵌式永磁同步电机的MTPA控制也进行了深入的研究，并取得了丰富的研究成果。其中包括MTPA的查表法、极值搜索法以及最常用的高频辅助信号注入法。查表法虽然较为简单，但缺点十分明显，例如需要占用大量的存储空间、对电机参数的鲁棒性不强等等；极值搜索法对电机参数的鲁棒性较强，也较容易实现，但是算法的收敛时间较长；而在最广泛使用的信号注入一类的方法中，都需要人为注入一个高频小幅值的扰动信号，来进行MTPA点的跟踪，这使得电机的高频噪声更加明显。同时，大多数的信号注入方法都将信号注入在PI控制器的前端，所注入信号的频率会受到PI带宽的限制。空间矢量信号注入方法虽然是将信号注入在逆变器中，但其注入信号的频率是固定的，当电机的转速不断升高，基波频率不断上升时，注入型号的频率可能会与电机的基频互相干扰。因此，解决上述信号注入方法中所存在的问题成为了研究重点。
技术实现思路
针对传统MTPA控制需要人为注入信号且注入信号频率不够灵活的弊端以及现存方法未能忽略PI影响的现状，本专利技术提出了一种基于变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机MTPA控制。为达到技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：步骤1，在参考电压矢量进入空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法开始进行矢量合成时，首先进行转速判断，在不同的转速下对不同矢量的作用时间进行调整，例如在电机转速小于800r/min时，对每个扇区中的相邻的两个中矢量作用时间分别增加10％和减少10％，其效果即参考矢量在一个扇区的前半部分产生相位超前，在后半部分产生相位滞后，在一个电周期内中总共产生十次波动，即产生了一个十倍于电机基频的扰动信号，该扰动信号被直接注入电机中。步骤2，进行扇区判断，在不同转速下对不同扇区进行矢量作用时间调整，例如在电机转速小于800r/min时，需要对十个扇区中每个扇区的相邻两个中矢量进行作用时间的调整；在电机转速大于800r/min小于1500r/min时，需要将十个扇区两两一组分为五个大扇区，对每个大扇区的相邻两个中矢量作用时间进行调整。步骤3，参考电压矢量处的扰动信号导致定子电流与磁链矢量处有同频率的扰动信号产生，将携带高频扰动信号的电流幅值通入一个时间常数为TBPF，中心频率为扰动信号频率的带通滤波器中，留下高频分量，再与磁链幅值扰动相乘进行泰勒展开得到基频分量与高频分量，通入一个时间常数为TLPF，截止频率为电机基频的低通滤波器后，留下与MTPA因相关的直流量，最后通过PI控制器调节得到MTPA角度βref。步骤4，将给定电机转速ωref与电机侧反馈转速ωm作比较获得转速误差，经过PI控制器调节得到电机的定子电流Is，利用最大转矩电流比点与转速闭环来确定电机的d、q轴电流，定子电流Is与获得的MTPA角度βref通过电流计算得到d、q轴电流idref和iqref，它们与d、q轴电流反馈idm和iqm作差得到电流误差，再通入PI控制器调节得到d、q轴电压udref和uqref，经过Park反变换得到α、β轴电压uαref和uβref，再将其送入SVPWM中合成参考电压矢量，经逆变器输出五相电流送入电机，在电机侧由位置编码器得到转子位置角θe，通过微分算子得到反馈转速ωm。进一步，所述步骤1中的SVPWM算法矢量作用时间调整公式为：TMa*＝mTMakTMb*＝mTMb其中TMa，TMb代表各个扇区相邻两个中矢量的开关时间；TMa*，TMb*为对其进行调制过后的开关时间；k是增益系数，用来改变注入信号的幅值，k一般取值在1.5左右；m也是一个系数，目的是维持电压矢量的幅值不变。进一步，所述步骤2在不同转速下对十个扇区有不同的划分方法，其效果也不相同。例如在电机转速小于800r/min时，需要对十个扇区中每个扇区的相邻的两个中矢量作用时间分别增加10％和减少10％，从而使得参考电压矢量产生十倍于电机基波频率的波动；在电机转速大于800r/min小于1500r/min时，需要将十个扇区相邻两个一组划分为五个扇区，对这五个扇区相邻两个中矢量的作用时间分别增加和减少10％，从而使得参考电压矢量产生五倍于电机基波频率的波动；在电机转速大于1500r/min小于3000r/min时，需要将十个扇区相邻五个一组划分为两个扇区，对这两个扇区相邻两个中矢量的作用时间分别增加和减少10％，从而使得参考电压矢量产生两倍于电机基波频率的波动。在五相电压源逆变器中，以第一扇区为例，第一扇区的相邻两个大矢量分别为V25和V24，假设它们的作用时间为TL1和TL2，两个中矢量分别为V16与V29，假设它们的作用时间为TL1和TL2。且大矢量与中矢量的作用时间比值为1.618:1，则调整后的参考矢量及其作用时间表达式为：V*TS＝V16TM1+V29TM2+V25TL1+V24TL2＝(V16+1.618V25)TM1+(V29+1.618V24)TM2进一步，所述步骤3在确定MTPA点时，其原理为利用信号扰动对定子磁链幅值与定子电流幅值造成相同频率的扰动，通过幅值的偏导关系跟踪MTPA点。其中转矩表达式为：Te(ψ,i)＝pψ×i＝p|ψ|·|i|sin(β-δ)由上式可以推导得到定子磁链幅值与定子电流幅值的偏导关系式如下：根据上式即可确定最大转矩电流比点。其中，Te表示电磁转矩；p表示电机极对数；ψ表示定子磁链矢量；i表示定子电流矢量；β表示定子电流角，即定子电流矢量与d轴的夹角，βMTPA为最大转矩电流比控制所对应的定子电流角；δ表示负载角，即定子磁链与d轴的夹角。进一步，所述步骤3在电机转速不同时，注入不同频率的信号，在滤波器设置中需要根据相应的注入信号频率设置带通滤波器的中心频率。进一步，所述步骤3的信号处理过程中需要用到两个带通滤波器，会导致高频信号的延迟，考虑用一种无带通滤波器的信号处理方式来提取高频信号，其推导过程如下：当磁链矢量处的正弦信号为正向扰动时：Δψ1＝Asin(ωht)在电流矢量中的高频扰动信号表达式为：当磁链矢量处的正弦信号为负向扰动时：Δψ2＝-Asin(ωht)在电流矢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，在参考电压矢量进入空间矢量脉宽调制算法开始进行矢量合成时，首先进行转速判断，在不同的转速下对不同矢量的作用时间进行调整，在一个电周期内中产生电机基频的扰动信号，该扰动信号被直接注入电机中；/n步骤2，进行扇区判断，在不同转速下对不同扇区进行矢量作用时间调整，在电机转速小于800r/min时，需要对十个扇区中每个扇区的相邻两个中矢量进行作用时间的调整；在电机转速大于800r/min小于1500r/min时，需要将十个扇区两两一组分为五个大扇区，对每个大扇区的相邻两个中矢量作用时间进行调整；/n步骤3，参考电压矢量处的扰动信号导致定子电流与磁链矢量处有同频率的扰动信号产生，将携带高频扰动信号的电流幅值通入一个时间常数为T

【技术特征摘要】
1.一种变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在参考电压矢量进入空间矢量脉宽调制算法开始进行矢量合成时，首先进行转速判断，在不同的转速下对不同矢量的作用时间进行调整，在一个电周期内中产生电机基频的扰动信号，该扰动信号被直接注入电机中；
步骤2，进行扇区判断，在不同转速下对不同扇区进行矢量作用时间调整，在电机转速小于800r/min时，需要对十个扇区中每个扇区的相邻两个中矢量进行作用时间的调整；在电机转速大于800r/min小于1500r/min时，需要将十个扇区两两一组分为五个大扇区，对每个大扇区的相邻两个中矢量作用时间进行调整；
步骤3，参考电压矢量处的扰动信号导致定子电流与磁链矢量处有同频率的扰动信号产生，将携带高频扰动信号的电流幅值通入一个时间常数为TBPF，中心频率为扰动信号频率的带通滤波器中，留下高频分量，再与磁链幅值扰动相乘进行泰勒展开得到基频分量与高频分量，通入一个时间常数为TLPF，截止频率为电机基频的低通滤波器后，留下与最大转矩电流比因子相关的直流量，最后通过PI控制器调节得到最大转矩电流比角度βref；
步骤4，将给定电机转速ωref与电机侧反馈转速ωm作比较获得转速误差，经过PI控制器调节得到电机的定子电流Is，利用最大转矩电流比点与转速闭环来确定电机的d、q轴电流，定子电流Is与获得的最大转矩电流比角度βref通过电流计算得到d、q轴电流idref和iqref，它们与d、q轴电流反馈idm和iqm作差得到电流误差，再通入PI控制器调节得到d、q轴电压udref和uqref，经过Park反变换得到α、β轴电压uαref和uβref，再将其送入SVPWM中合成参考电压矢量，经逆变器输出五相电流送入电机，在电机侧由位置编码器得到转子位置角θe，通过微分算子得到反馈转速ωm。


2.根据权利要求1所述的变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤1中的空间矢量脉宽调制算法矢量作用时间调整公式为：
TMa*＝mTMak
TMb*＝mTMb



其中TMa，TMb代表各个扇区相邻两个中矢量的开关时间；TMa*，TMb*为对其进行调制过后的开关时间；k是增益系数，用来改变注入信号的幅值，k取值1.5；m也是一个系数，目的是维持电压矢量的幅值不变。


3.根据权利要求1所述的变频率信号注入的内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，所述步骤2中，在不同转速下对十个扇区有不同的划分方法，在电机转速小于800r/min时，需要对十个扇区中每个扇区的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国海，张嘉皓，陈前，赵文祥，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32