CN106685299A - 内置式永磁同步电机电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种内置式永磁同步电机电流控制方法，即电机输出给定转矩条件下，控制电机中铜耗和铁耗的损耗量最小化的一种控制方法。根据电机的铜耗和铁耗方程，在满足电磁转矩为给定值的条件极值下计算出电流分量值，以给定转矩的电磁转矩方程为条件，以电机铜耗和铁耗构成的电机损耗方程为目标函数，利用拉格朗日算法求出满足给定转矩情况下损耗最小时的定子电流分量值，并将其作为电流给定值与由电流传感器检测获取的定子电流经坐标变换得到的反馈电流进行比较后分别经过PI调节得出电压分量值，再经坐标变换后作为空间矢量脉宽调制单元的输入产生脉冲触发变频器的开关管，从而实现内置式永磁同步电机的最优控制，以提高电机的运行效率。

Description

内置式永磁同步电机电流控制方法

技术领域

本发明属于电机矢量控制领域，特别涉及一种内置式永磁同步电机（IPMSM）效率最优时的电流控制方法，即在给定转矩下使电机损耗最小时的电流控制方法，旨在最大程度地降低电机损耗以提高电机的运行效率，进而节约能源。

背景技术

内置式永磁同步电机具有体积小、效率高、功率密度大和功率因数高以及运行可靠等诸多优点，由永磁同步电机组成的闭环调速系统可实现优良的动态性能、高精度和宽范围调速，在要求高性能、快速响应的场合得到了十分广泛的应用。其中内置式永磁同步电机因其转子磁路结构不对称导致交直轴电感不相等所产生的磁阻转矩,这给内置式永磁同步电机带来了高效率、高功率密度、强鲁棒性等优势，使得其应用越来越广泛，为了充分发挥内置式永磁同步电机的优势，很多学者对如何提高其控制系统的效率作了大量的研究工作。

目前在电机控制系统中，基于内置式永磁同步电机的特点，为了将其磁阻转矩利用到最大限度，在很多应用场合中，对内置式永磁同步电机采用最大转矩电流比控制策略以达到充分利用磁阻转矩的目的，从而提高电机的转矩输出能力和系统效率。

其中最大转矩电流比控制策略即在相同的电流下可输出更大转矩的控制方法，这种控制策略的实现是通过设定合适的d、q轴电流给定值，使得在输出相同转矩下，定子电流幅值达到最小。此方法的优势在于，一方面可以在系统容量相同的情况下相对于 控制，可显著提高系统的动态性能；另一方面也可以明显减少系统的电机铜耗，这是因为铜耗与定子电流的平方成正比，当定子电流最小时，与之对应的电机铜耗达到最小。其中，减少电机系统的铜耗，提高系统效率是采用此控制策略主要原因。然而，在以往的研究中，研究人员研究该策略主要集中在了提高电机的动态响应速度，有效减少电机铜耗方面，但却忽略了电机中低速运行状况下的铁耗；实际上内置式永磁同步电机在高速运行中，由于电机旋转速度很大，使得磁场交变频率很大，由电机学铁耗的经验公式可知，铁耗与磁场交变频率的（为频率指数）次方成正比，此时电机铁耗所占比重比较大。要能最大程度地降低电机损耗以提高电机的运行效率，除了控制电机铜耗，控制铁耗也是不可忽略的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中最大转矩电流比控制策略中只考虑电机铜耗而忽略电机铁耗的不足之处，提供一种控制电机铁耗，以达到效率最优的内置式永磁同步电机电流控制方法。

为了实现以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在电机输出给定转矩条件下，控制内置式永磁同步电机电流使电机中铜耗和铁耗的损耗量最小化的控制方法，即在给定转矩条件下满足电机损耗最小时的定子电流分量值，对其进行重新分配的一种控制方法。其控制方法是根据电机的铜耗和铁耗方程，在满足电磁转矩为给定值的条件极值下计算出电流分量值，以给定转矩的电磁转矩方程为条件，以电机铜耗和铁耗构成的电机损耗方程为目标函数，利用拉格朗日算法求出满足给定转矩情况下损耗最小时的定子电流分量值，并将其作为电流给定值与由电流传感器检测获取的定子电流经坐标变换得到的反馈电流进行比较后分别经过PI调节得出电压分量值，再经坐标变换后作为空间矢量脉宽调制单元（SVPWM）的输入产生脉冲触发变频器的开关管，在此过程中，虽然由此控制算法得出的电机定子电流的d、q轴分量、均为电磁转矩给定值的函数，从某种意义上说，、电流值的获得完全可以由其变量电磁转矩的取值获得对应的函数值，然而它们之间并非线性关系，同时由于当前芯片计算能力的局限性，很难直接通过电磁转矩的给定值而求出d、q轴电流分量值，这就迫使我们必须通过其他方式对定子电流分量与电磁转矩之间的关系式进行简化，为此采用了效率最优控制的曲线拟合控制方案，从而实现内置式永磁同步电机的最优控制，以提高电机的运行效率。

为实现上述控制方法的控制系统由转速外环和电流内环组成，控制系统的装置包括内置式永磁同步电机，变频器，空间矢量脉宽调制单元（SVPWM），效率最优电流控制单元，三相-两相坐标变换单元，静止-旋转坐标变换单元及其反变换单元，正交编码脉冲电炉（QEP），速度运算单元，转速调节器，电流调节器。电流内环由于通过电流给定值与其采集反馈值进行比较后再经PI调节得出了电压分量值，所以能加快系统动态响应，提高系统抗干扰能力。转速外环输出为电磁转矩,把其作为系统电磁转矩给定值，通过本发明提出的内置式永磁同步电机效率最优电流控制策略方程即可分别求出交轴电流和直轴电流的给定值，从而实现整个系统的内置式永磁同步电机的最优控制，提高整个系统的动态性能和效率，同时减少对变频器的容量要求而降低系统损耗。

附图说明

图1 内置式永磁同步电机效率最优电流控制算法框图

图2 内置式永磁同步电机效率最优电流控制原理框图

图3 内置式永磁同步电机效率最优电流控制系统框图。

具体实施方式：

为实现上述控制方法，本发明采用的运算步骤如下：

所述控制方法中对进行分配的方法是基于内置式永磁同步电机的转矩公式：

（1）

式中 为极对数

为永磁体磁链

Ld、Lq为d、q轴等效电感

由电机学知，单位重量中铁耗的计算公式为

式中，为铁耗系数，为=1T、=50Hz时，每千克硅钢片的铁耗，其值在1.05～2.50范围内；

为频率指数，其值在1.2～1.6范围内，随硅钢片的含钢量而异当确定电机转速、铁耗系数和频率指数后，则单位重量中铁耗正比于磁感应强度的平方，即；

进而对已经制造好的电机，由于铁心重量已经确定则可得铁心的铁耗为：

其中,为铁心的重量

又因为

所以可得

其中,分别为电源角频率，线圈匝数和线圈所围面积；

且忽略定子电阻的d、q轴电压为：

又由铜耗公式

即可得电机损耗：

为了简化处理，令

可得

则效率最优电流控制就可以转化成如下求极值问题：

利用拉格朗日算法，做辅助函数

式中，为拉格朗日算子；

将上式分别对、和求偏导数并令其为零，有：

由上式可得到、和转矩的非线性方程组：

将代入到上述方程组得：

为了更加明确地得到、与的关系，并且考虑到电机参数确定后上述方程组中的常数量，故可将其简化为：

其中

由上式可以得出，虽然电机定子电流的d、q轴分量、均为电磁转矩给定值的函数，但是它们之间并非线性关系，很难直接通过电磁转矩的给定值而求出d、q轴电流分量值，为了对定子电流分量与电磁转矩之间的关系式进行简化，采用效率最优电流控制的曲线拟合控制方案，即通过MATLAB软件工具将上式非线性方程组进行曲线拟合得到线性化的d轴电流,q轴电流，此时得到的定子电流分量是恒转矩状况下在同时考虑电机铜耗和铁耗时的定子电流最小时的分量值；由上述也可知，实际上这时候得到的定子电流分量即为电流给定值，再经过与传感器检测到的实际反馈值进行比较后经PI调节得到定子电压d、q轴分量给定值，然后经坐标变换后作为空间矢量脉宽调制单元的输入进而输出脉冲到开关管，进行最大转矩电流比控制，实现内置式永磁同步电机铜耗和铁耗的损耗量最小化控制方法。

有益效果：

由上述可知，在给定转矩情况下确定了定子电流最小分量的同时，电机系统的损耗也是最小的，由效率公式

得,当最小时达到最大，所以实现了内置式永磁同步电机效率最优的电流控制方法。

总之，本发明是在利用了内置式永磁同步电机的特性前提下，并充分考虑了电机损耗的情况下提出了效率最优电流控制方法，不仅充分利用产生的磁阻转矩提高了电机的过载能力和功率密度，而且同时也计及了铁耗以更好地减少损耗而提高效率，解决了以往只考虑铜耗情况的最大转矩电流比控制策略存在的问题。

Claims (1)

1.一种内置式永磁同步电机电流控制方法，其特征在于：控制方法的控制系统由转速外环和电流内环组成，控制系统的装置包括内置式永磁同步电机，变频器，空间矢量脉宽调制单元（SVPWM），效率最优电流控制单元，三相-两相坐标变换单元，静止-旋转坐标变换单元及其反变换单元，正交编码脉冲电炉（QEP），速度运算单元，转速调节器；在电机输出给定转矩条件下，控制内置式永磁同步电机电流使电机中铜耗和铁耗的损耗量最小化,即在给定转矩条件下满足电机损耗最小时的定子电流分量值，对其进行重新分配的一种控制方法;

根据电机的铜耗和铁耗方程，在满足电磁转矩为给定值的条件极值下计算出电流分量值，以给定转矩的电磁转矩方程为条件，以电机铜耗和铁耗构成的电机损耗方程为目标函数，利用拉格朗日算法求出满足给定转矩情况下损耗最小时的定子电流分量值，并将其作为电流给定值与由电流传感器检测获取的定子电流经坐标变换得到的反馈电流进行比较后分别经过PI调节得出电压分量值，再经坐标变换后作为空间矢量脉宽调制单元的输入产生脉冲触发变频器的开关管；其特征在于：所述的控制方法采用的运算步骤如下:

所述控制方法中对 进行分配的方法是基于内置式永磁同步电机的转矩公式：

（1）

式中 为极对数

为永磁体磁链

Ld、Lq为d、q轴等效电感

由电机学知，单位重量中铁耗的计算公式为

式中，为铁耗系数，为=1T、=50Hz时，每千克硅钢片的铁耗，其值在1.05～2.50范围内；

为频率指数，其值在1.2～1.6范围内，随硅钢片的含钢量而异当确定电机转速、铁耗系数和频率指数后，则单位重量中铁耗正比于磁感应强度的平方，即；

进而对已经制造好的电机，由于铁心重量已经确定则可得铁心的铁耗为：

其中,为铁心的重量

又因为

所以可得

其中,分别为电源角频率，线圈匝数和线圈所围面积；

且忽略定子电阻的d、q轴电压为：

又由铜耗公式

即可得电机损耗：

为了简化处理，令

可得

则效率最优电流控制就可以转化成如下求极值问题：

利用拉格朗日算法，做辅助函数

式中，为拉格朗日算子；

将上式分别对、和求偏导数并令其为零，有：

由上式可得到、和转矩的非线性方程组：

将代入到上述方程组得：

为了更加明确地得到、与的关系，并且考虑到电机参数确定后上述方程组中的常数量，故可将其简化为：

其中

由上式可以得出，虽然电机定子电流的d、q轴分量、均为电磁转矩给定值的函数，但是它们之间并非线性关系，很难直接通过电磁转矩的给定值而求出d、q轴电流分量值，为了对定子电流分量与电磁转矩之间的关系式进行简化，采用效率最优电流控制的曲线拟合控制方案，即通过MATLAB软件工具将上式非线性方程组进行曲线拟合得到线性化的d轴电流,q轴电流，此时得到的定子电流分量是恒转矩状况下在同时考虑电机铜耗和铁耗时的定子电流最小时的分量值；由上述也可知，实际上这时候得到的定子电流分量即为电流给定值，再经过与传感器检测到的实际反馈值进行比较后经PI调节得到定子电压d、q轴分量给定值，然后经坐标变换后作为空间矢量脉宽调制单元的输入进而输出脉冲到开关管，进行内置式永磁同步电机效率最优电流控制，实现内置式永磁同步电机铜耗和铁耗的损耗量最小化控制。