一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法与流程

本发明属于永磁辅助同步磁阻电机，涉及电机的控制方法，具体为一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法。

背景技术：

永磁辅助同步磁阻电机为一种少稀土消耗高磁阻转矩的新型电机，相比于永磁同步电机，永磁辅助同步磁阻电机可减少永磁体用量，显著降低电机高速运行时的反电势，充分利用磁阻转矩，运行时更加安全可靠；同时永磁辅助同步磁阻电机有功率密度高、效率高、调速范围宽及体积小、重量轻等显著优点，在轨道交通领域更适取代原有的异步电机用作内燃机车牵引电机。永磁辅助同步磁阻电机明显缺陷是输出的转矩脉动大，在永磁辅助同步磁阻电机的控制策略中必须考虑转矩脉动的抑制，使电机输出的转矩尽可能的平稳；同时受电机转子结构设计的影响，磁路更易发生磁路饱和，交直轴电感值lq、ld受交直轴电流iq、id的影响，同时lq、ld也受电机温度的影响明显；转子磁链ψf处受温度和电流幅值影响，并不是常数值，而现有控制策略中通常会设定为常数值，因此现有控制策略要实时考虑ld、lq、ψf的变化，来确保输出转矩的精度。

技术实现要素：

本发明旨在解决永磁辅助同步磁阻电机输出的转矩脉动大以及现有控制策略要实时考虑ld、lq、ψf的变化才能确保输出转矩的精度的技术问题，提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法，采用了温度传感器、电流传感器、旋转变压器、clark变换模块、park变换模块、转矩指令处理模块、mtpa查表模块、交直轴磁链查表模块、电压计算模块、谐波电流抑制模块和脉冲调制模块；

温度传感器固定于永磁辅助同步磁阻电机的定子上，由温度传感器实时采集永磁辅助同步磁阻电机的定子温度t；

电流传感器用于采集永磁辅助同步磁阻电机的两相电流ia和ib；

旋转变压器用于采集永磁辅助同步磁阻电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分后，得到永磁辅助同步磁阻电机的转速we；

永磁辅助同步磁阻电机的两相电流ia和ib经过clark变换模块处理之后得到定子电流iα和iβ，定子电流iα和iβ再经过park变换模块处理之后得到d-q旋转坐标系下的电流id、iq；

转矩指令处理模块的输入为目标转矩te，te来源于整车控制单元vcu，目标转矩te经过转矩指令处理模块的限幅与转矩斜坡处理后，得到给定转矩te*；

给定转矩te*输入mtpa查表模块，mtpa查表模块按照标定的最大转矩电流比策略处理后，输出直轴指令电流i^*d和交轴指令电流i^*q；

交直轴磁链查表模块的输入是直轴指令电流i^*d、交轴指令电流i^*q和电机的定子温度t，通过基于直轴指令电流i^*d、交轴指令电流i^*q和电机定子温度t实时执行查表插值算法，首先得到随i^*d和i^*q变化的直轴磁链和交轴磁链其次基于实时电机温度查得到磁链值和和即是交直轴磁链查表模块的输出；

电压计算模块由前馈电压模块和电流调节器模块两部分组成；前馈电压模块的输入为和we；前馈电压模块的输出为udfw和uqfw；忽略电子电阻，udfw和uqfw的计算公式如式(1)所示：

电流调节器模块的输入为id和iq，电流调节器模块的输出为δud与δuq；与id形成第一闭环pi调节器，第一闭环pi调节器的输出为δud，与iq形成第二闭环pi调节器，第二闭环pi调节器的输出为δuq；

电压计算模块的输出为直轴指令电压ud和交轴指令电压uq，其计算公式如下式(2)所示：

谐波电流抑制模块的输入是i^*d5th、i^*q5th、i^*d7th、i^*q7th、id5th、iq5th、id7th和iq7th；谐波电流抑制模块的输出是ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th；谐波电流抑制模块包括电流提取模块、电流谐波抑制调节模块和电压变换模块；

所述控制方法采用前馈解耦控制，在三相电压中注入相应的谐波电压分量抵消电机电流中的谐波，通过快速傅氏变换得到5、7次谐波含量高，通过电流提取模块得到永磁辅助同步磁阻电机运行时的三相电流，首先在5、7次同步旋转坐标下进行clark与park变换，因5、7次谐波电流在相应次数的坐标系变换下可以生成直流量，而其他次谐波分量变换后依然为交量，因此可通过低通滤波器滤除直流信号中的交流信号，提取id5th、iq5th、id7th、iq7th信号；

将id5th、iq5th、id7th、iq7th信号作为反馈环节输入电流谐波抑制调节模块，电流谐波抑制调节模块输出对应的谐波电压分量ud5th、uq5th、ud7th、uq7th，因期望5、7次谐波电流为零，所以电流谐波抑制调节器的给定i^*d5th、i^*q5th、i^*d7th、i^*q7th为0,电流谐波抑制调节器通过如下公式计算得到ud5th和uq5th、ud7th和uq7th分别式(3)、式(4)如下：

式中kpd5th、kpq5th、kid5th、kiq5th分别为5次谐波电流抑制模块的控制参数，其值依靠工程经验进行调整，式中kpd7th、kpq5th、kid7th、kiq7th分别为7次谐波电流抑制模块的控制参数，其值依靠工程经验进行调整；

ud5th、uq5th与ud7th、uq7th通过电压变换模块分别进行反clark变换与反park变换后叠加生成ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th；

脉冲调制模块的输入是ua*、ub*和uc*，ua*、ub*和uc*是ud、uq经反park和反clark变换后输出的，ua、ub、uc叠加谐波电流抑制模块的输出ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th生成的；脉冲调制模块的输出为三相逆变桥igbt的导通时间ta、tb和tc，igbt导通驱动电机运行。

本发明同时考虑了电机温度变化和电机饱和效应对永磁辅助同步磁阻电机参数的影响，通过查询交直轴磁链ψd、ψq提高了电机在每个工作点参数的准确性，本控制方法使得永磁辅助同步磁阻电机在宽泛的环境条件下依旧能保持高的控制精度；本发明所述的控制方法可通过抑制电机电流中的主要次谐波含量来降低电机输出的转矩脉动，提高转矩输出的平稳性，可解决永磁辅助同步磁阻电机运行时转矩脉动大的固有缺陷；本发明作为一种永磁辅助同步磁阻电机优化控制方法，可促进永磁辅助同步磁阻电机的推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法的总体控制框图。

图2为本发明所述同步旋转坐标系。

图3为本发明所述交直轴磁链查表流程图。

图4为本发明所述电流提取模块的控制图。

图5为本发明所述5次电流谐波抑制调节模块的控制框图。

图6为本发明所述7次电流谐波抑制调节模块的控制框图。

图7为本发明所述脉冲调制模块的多模式调制策略框图。

具体实施方式

参照图1-图7，对本发明所述的一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法进行详细说明。

一种永磁辅助同步磁阻电机的控制方法，如图1所示，采用了温度传感器、电流传感器、旋转变压器、clark变换模块、park变换模块、转矩指令处理模块、mtpa查表模块、交直轴磁链查表模块、电压计算模块、谐波电流抑制模块和脉冲调制模块；

温度传感器固定于永磁辅助同步磁阻电机的定子上，由温度传感器实时采集永磁辅助同步磁阻电机的定子温度t；永磁辅助同步磁阻电机定子的温度t的采集方法为：首先在对拖试验环境下，使永磁辅助同步磁阻电机运行在额定转速，给被测电机加载，温度传感器测试电机绕组或铁芯的温度，作为电感环境温度，在[-20℃，160℃]区间电机每上升10℃做一次试验，电机温度值稳定时，记录此刻的温度即为永磁辅助同步磁阻电机定子的温度t，在[-20℃，160℃]区间内共得到十九个试验温度点；

电流传感器用于采集永磁辅助同步磁阻电机的两相电流ia和ib；

旋转变压器用于采集永磁辅助同步磁阻电机的转子位置θ，转子位置θ经过微分后，得到永磁辅助同步磁阻电机的转速we；

永磁辅助同步磁阻电机的两相电流ia和ib经过clark变换模块处理之后得到定子电流iα和iβ，定子电流iα和iβ再经过park变换模块处理之后得到d-q旋转坐标系下的电流id、iq；

转矩指令处理模块的输入为目标转矩te，te来源于整车控制单元vcu，目标转矩te经过转矩指令处理模块的限幅与转矩斜坡处理后，得到给定转矩te*；

给定转矩te*输入mtpa查表模块，mtpa查表模块按照标定的最大转矩电流比策略处理后，输出直轴指令电流i^*d和交轴指令电流i^*q；具体的，mtpa查表模块中的mtpa表采用标定的方法实现，其包括，对于每一个电流幅值is,设定is的区间为[0，imax]，imax为电机的最大相电流，电流矢量角β的区间为[90°，180°]，is的步长设定为0.25倍的imax，电流矢量角β的步长设定为1°，对于每个is按式(5)计算出i^*d和i^*q：

上位机给定不同d、q轴电流i^*d和i^*q，分别调节第一闭环pi调节器和第二闭环pi调节器的pi参数，当d、q轴电流实现良好跟随后，记录te以及电压计算模块的输出值ud和uq；找到每个is下不同的组合对应的转矩的最大值temax，然后由每一个is对应的temax值拟合最大转矩电流比曲线，构建temax分别与的一维表，以一维数组的形式写在程序中，作为mtpa模块的查表依据；

交直轴磁链查表模块的输入是直轴指令电流i^*d、交轴指令电流i^*q和电机的定子温度t，通过基于直轴指令电流i^*d、交轴指令电流i^*q和电机定子温度t实时执行查表插值算法，首先得到随i^*d和i^*q变化的直轴磁链和交轴磁链其次基于实时电机温度查得到磁链值和和即是交直轴磁链查表模块的输出；其中交直轴磁链表格可通过台架实验获得，台架实验获取表格的方法如下：在每一个试验温度点，均通过上位机给定不同d轴电流id和q轴电流iq，分别调节第一闭环pi调节器和第二闭环pi调节器的pi参数，当d轴电流id和q轴电流iq实现良好跟随后，记录te以及电压计算模块的输出值ud和uq，然后通过式(6)计算出rs、ψd、ψq，式(6)具体为：

记录测试得到的参数，分别绘制ψd、ψq关于d轴电流id和q轴电流iq的二维表，每个试验温度点分别都存在一个ψd的二维表格与一个ψq的二维表；将若干个ψd、ψq的二维表以二维数组形式写在程序中以供查表使用；交直轴磁链参数查表方法如下，具体见图3：温度传感器实时采集定子的温度t，每一个实时采集的温度t，都对应两个查表温度ts与ts+10，ts与ts+10是[-20℃，160℃]区间内的两个相邻的试验温度点，t是处于[ts，ts+10]区间的一个值，ts+10与ts的关系为:ts+10＝ts+10，其中ts为10的整数倍，且ts的取值范围为[-20℃，160℃]；对于每一个查表温度ts，都有一个ψd关于iq、id的二维表和一个ψq关于iq、id的二维表；其中iq、id的查表间隔设定为最大电流的0.05倍；在每个查表温度ts下，ψd和ψq的实时值分别由该时刻mtpa查表模块输出的i^*d和i^*q基于ψd、ψq参数二维表进行二维线性插值得到；查表温度ts、ts+10下分别得到d轴磁链的两个参数ψd(id、iq、ts)、ψd(id、iq、ts+10)，和q轴磁链的两个参数ψq(id、iq、ts)、ψq(id、iq、ts+10)，然后ψd(id、iq、ts)与ψd(id、iq、ts+10)、ψq(id、iq、ts)与ψq(id、iq、ts+10)依据实时采集的温度t分别关于温度ts，ts+10进行一维线性插值，得到直轴磁链值ψd(id、iq、t)和交轴磁链值ψq(id、iq、t)；交直轴磁链查表模块的计算中，ψd、ψq与电机参数ld，lq，ψf存在如下关系，具体为式(7)：

电压计算模块由前馈电压模块和电流调节器模块两部分组成；前馈电压模块的输入为和we；前馈电压模块的输出为udfw和uqfw；忽略电子电阻，udfw和uqfw的计算公式如式(1)所示：

电流调节器模块的输入为id和iq，电流调节器模块的输出为δud与δuq；与id形成第一闭环pi调节器，第一闭环pi调节器的输出为δud，与iq形成第二闭环pi调节器，第二闭环pi调节器的输出为δuq；

电压计算模块的输出为直轴指令电压ud和交轴指令电压uq，其计算公式如下式(2)所示：

谐波电流抑制模块的输入是i^*d5th、i^*q5th、i^*d7th、i^*q7th、id5th、iq5th、id7th和iq7th；谐波电流抑制模块的输出是ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th；谐波电流抑制模块包括电流提取模块、电流谐波抑制调节模块和电压变换模块；

所述控制方法采用前馈解耦控制，在三相电压中注入相应的谐波电压分量抵消电机电流中的谐波，通过快速傅氏变换得到5、7次谐波含量高，同步旋转坐标系如图2所示，其中5次谐波电压旋转方向与基波向量旋转方向相反，角速度为基波的5倍，7次谐波电压向量与基波电压旋转方向相同，角速度为基波的7倍，此外，不同功率的永磁辅助同步磁阻电机可能包含不同频次的谐波含量不同，因此，本发明中谐波电流抑制模块可抑制的谐波次数可扩展为5、7、11、13次；故包含5、7次谐波的三相电流表达式如式(8)所示：

式(8)中i1为基波幅值，i5为5次电流谐波的幅值，i7为7次电流谐波的幅值，φ1、φ2、φ3分别为初始相位；

建立5次谐波分量与7次谐波分量坐的旋转坐标系，根据clark和park变换的原理，采用等幅值变换，与d-q同步旋转坐标系旋转方向相同，且与坐标系同频旋转电流量在该坐标系下为直流量，因此，5次电流谐波分量在5次谐波d-q同步旋转坐标系下为直流量，7次谐波电流分量在7次谐波d-q同步旋转坐标系下为直流量；

5次谐波d-q同步旋转坐标系下5次谐波的稳态电压方程为式(9)：

式(9)中ud5th、uq5th分别为5次谐波电压在5次同步坐标下的d、q轴电压值，式中id5th、iq5th分别为5次谐波电流在5次同步坐标下的d、q轴电流值；

7次谐波d-q同步旋转坐标系下7次谐波的稳态电压方程为式(10)：

式(10)中ud7th、uq7th分别为7次谐波电压在7次同步坐标下的d、q轴电压值，式中id7th、iq7th分别为7次谐波电流在7次同步坐标下的d、q轴电流值；

通过电流提取模块得到永磁辅助同步磁阻电机运行时的三相电流，首先在5、7次同步旋转坐标下进行clark与park变换，因5、7次谐波电流在相应次数的坐标系变换下可以生成直流量，而其他次谐波分量变换后依然为交量，因此可通过低通滤波器滤除直流信号中的交流信号，提取id5th、iq5th、id7th、iq7th信号，如图4所示；

将id5th、iq5th、id7th、iq7th信号作为反馈环节输入电流谐波抑制调节模块，电流谐波抑制调节模块输出对应的谐波电压分量ud5th、uq5th、ud7th、uq7th，因期望5、7次谐波电流为零，所以电流谐波抑制调节器的给定i^*d5th、i^*q5th、i^*d7th、i^*q7th为0,电流谐波抑制调节器通过如下公式计算得到ud5th和uq5th、ud7th和uq7th分别式(3)、式(4)如下，具体如图5和图6所示：

式中kpd5th、kpq5th、kid5th、kiq5th分别为5次谐波电流抑制模块的控制参数，其值依靠工程经验进行调整，式中kpd7th、kpq5th、kid7th、kiq7th分别为7次谐波电流抑制模块的控制参数，其值依靠工程经验进行调整；电流谐波抑制调节模块在计算谐波电压分量ud5th、uq5th时，先调整kpd5th、kpq5th，再调整kid5th、kiq5th，kpd5th、kpq5th的初值设定为1.0，kid5th、kiq5th的初值设定为10；电流谐波抑制调节模块在计算谐波电压分量ud7th、uq7th时，先调整kpd7th、kpq7th，再调整kid7th、kiq7th，kpd5th、kpq7th的初值设定为1.0，kid7th、kiq7th的初值设定为10；

ud5th、uq5th与ud7th、uq7th通过电压变换模块分别进行反clark变换与反park变换后叠加生成ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th；其中5次谐波电压分量反park变换使用的角度为-5θ，7次谐波电压分量反park变换使用的角度为7θ；

脉冲调制模块的输入是ua*、ub*和uc*，ua*、ub*和uc*是ud、uq经反park和反clark变换后输出的，ua、ub、uc叠加谐波电流抑制模块的输出ua5-7th、ub5-7th、uc5-7th生成的；ua、ub、uc的计算公式为式(11)：

脉冲调制模块的输出为三相逆变桥igbt的导通时间ta、tb和tc，igbt导通驱动电机运行，内燃机车牵引系统属于大功率的电传动系统，首要特点是高电压、大电流，电机峰值功率达到700kw，受到散热条件的限制，igbt的开关频率最高只有750hz，但逆变器的输出频率可高达到200hz，传统的svpwm调制算法并不能满需求，调制算法采用多模式调制策略，如图7所示，具体为在当电机频率在[0～30hz)时采用异步调制，电机频率在[30～62hz)时采用同步调制，电机频率在[62～90hz)时采用中间60度调制，电机频率在[90hz～200hz]时采用进行方波控制。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。