一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法及其控制系统技术方案

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于交流伺服控制
，涉及内置式永磁同步电机的最大转矩电流比 (maximum torque per ampere, ΜΤΡΑ)，基于变区间搜索和二元二次多项式拟合的ΜΤΡΑ实验 法，为一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法。
技术介绍
近年来，内置式永磁同步电机（interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM)在工业机器人、电动汽车等高效、高密度、宽调速牵引驱动的应用场合取得了 广泛的应用。与表贴式永磁同步电机（surface mounted permanent magnet synchronous motor，SPMSM)相比，IPMSM具有高效率、高功率密度、低噪声、强鲁棒性等优点。 与SPMSM不同的是，IPMSM具有交直轴电感不相等的特性，因此在IPMSM的输出转 矩中，除了电磁转矩外还有磁阻转矩。为了充分利用IPMSM的磁阻转矩，需要使用MTPA控 制，即在相同的定子电流下获得最大输出转矩的控制方法。 根据现有的公知技术，定义转矩角为定子电流Is超前d轴的电角度，定义最优转 矩角是符合电机MTPA特性的转矩角，转矩角和最优转矩角最小为90°。目前MTPA的实现方 法有公式计算法、仿真法和实验法。公式计算法是根据IPMSM的转矩公式，利用优化算法， 直接计算出一定转矩、磁链下的交、直轴电流给定；仿真法是利用Ansoft或其他仿真工具 软件，对电机设计模型进行有限元仿真分析，得到IPMSM在不同定子电流下的最优转矩角， 结合定子电流进一步得到交、直轴电流给定；实验法则是基于实验平台，通过实验测试得到 不同转速和定子电流下的最优转矩角。 在MTPA的三种实现方法中，公式计算法最为简便，但是对电机参数的依赖性强， 且实际系统运行过程中参数是时变的，因此公式计算法的精度较低；仿真法的精度要高于 公式计算法，但是由于仿真模型与实际系统相比仍然存在误差，仿真法的精度受到了影响； 实验法在简便性方面不如公式计算法和仿真法，但是由于最优转矩角是基于实验平台由实 际系统实测得到的，实验法精度最尚。另外，仿真法和实验法在得到最优转矩角之后，还需 要采用高精度、高效率的拟合算法对这些离散数据进行处理，才能最终应用于电机控制之 中。 文献1《电动汽车用永磁同步电机最大转矩/电流控制研究与仿真》（《上海电机 学院学报》第9卷第2期，2006年4月，侯雪璐）采用公式计算法详细设计了适用于电动汽 车的MTPA算法，文中的仿真部分说明了其算法的可行性。但是针对工程化应用，文中方法 在精度上还有待提高，而且计算公式较为复杂，软件实现的计算量大，效率偏低。 文献2《车用永磁同步电机的改进MTPA控制策略研究》（《电机与控制学报》第 16卷第1期，2012年1月，廖勇、伍泽东、刘刃）采用了基于在实验中进行变步长搜索法的 MTPA算法，文献中的实验结果说明方法可行，具有较高的效率，且相对于公式计算法提升了 精度。但是，文献的方法没有考虑不同转速对电机MTPA特性的影响，在实际中，转速的不同 意味着电机损耗存在不同，从而间接导致输出转矩的不同。因此，文献算法的精度还有待提 尚。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：现有的内置式永磁同步电机MTPA算法效率和精度较低， 不能满足需求，需要新的实现更高效率和精度的MTPA算法。 本专利技术的技术方案为：一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法，基于变区间搜 索和二元二次多项式拟合的MTPA实验法，实现内置式永磁同步电机的MTPA控制，具体包括 以下步骤： 步骤一：离散化，根据被测电机的最大定子电流和额定转速，将定子电流Is、转速 ω按间隔进行离散化，其中定子电流离散点不少于六个，转速离散点不少于三个； 步骤二：理论最优转矩角的计算，利用最优转矩角计算公式计算被测电机在各定 子电流离散点下的理论最优转矩角； 步骤三：实测最优转矩角搜索，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，以此方式分别测定各转速离散点及定子电流离散点下的实测最优转 矩角，所述可变搜索区间指对转矩角的搜索范围划分区间，分别在各区间内搜索对应最大 输出转矩的转矩角； 步骤四：算法最优转矩角拟合，对步骤三测得的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β m?= f (I s，ω); 步骤五：交直轴电流计算，根据算法最优转矩角β MTPA和定子电流I s计算电机的直 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， 作为优选，步骤三中，可变搜索区间的搜索区间划分方法为：在某一转速离散点 下，按照各定子电流离散点确定搜索区间，设定子电流离散点为Isl、Is2、…Isk，k多6,第一 搜索区间的下限不小于90°，上限为131对应的理论最优转矩角，第二搜索区间的下限取Isl对应的理论最优转矩角，上限取132对应的理论最优转矩角，以此类推，第k搜索区间的下限 取Is〇i 1}对应的理论最优转矩角，上限取I 4对应的理论最优转矩角，在划分出的搜索区间 内，通过实验测试找到此区间内何时输出转矩最大，记录此时转矩角作为实测最优转矩角。 -种内置式永磁同步电机的MTPA控制系统，包括以下单元： 1)离散化单元，用于根据被测电机的最大定子电流和额定转速，将定子电流13、转 速ω按间隔进行离散化，其中定子电流离散点不少于六个，转速离散点不少于三个； 2)理论最优转矩角计算单元，用于利用最优转矩角计算公式计算被测电机在某定 子电流下、某转速下的理论最优转矩角； 3)实测最优转矩角搜索单元，用于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，以此方式分别测定各转速、定子电流下的实测最优转矩角； 4)算法最优转矩角拟合单元，用于对步骤三测得的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β m?= f (I s，ω); 5)交直轴电流计算单元，用于根据算法最优转矩角βΜΤΡΑ和定子电流I 3计算电机 的直轴电流给定.ζ_和交轴电流给定 <，用于内置式永磁同步电机的电流环给定。 本专利技术能够实现高效且高精度的内置式永磁同步电机ΜΤΡΑ控制方法，具体表现 为： 1)与现有技术从90°开始，通过改变搜索步长来进行搜索的方法不同，本专利技术提 出了一种可变搜索区间的方法，根据实际电机对象的运行情况划分出不同的搜索区间，比 如第一搜索区间是从90°开始搜索，第二、第三…区间下限不再是90°，而是第一搜索区 间的上限，比如95°、100°…，本专利技术通过改变搜索区间，重新构建搜索下限，大大缩短了 搜索区间长度，于是大大减少了实验法的测试次数，提高了测试效率。比如用文献2的现有 技术和本专利技术去实现某一 IST的测试，现有技术从90°开始搜索，本专利技术可根据实际情况 将的搜索下限设为105°，即在本次测试中减少了 10次左右的测试。随着实验次数的增益， 本专利技术的测试效率明显由于现有技术。 2)将理论最优转矩角计算单元得到的理论最优转矩角作为可变搜索区间的区间 上限，避免了实测最优转矩角搜索的盲目性，提升了效率。 3)将实测最优转矩角根据转速和定子电流进行二元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内置式永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征是基于变区间搜索和二元二次多项式拟合的MTPA实验法，实现内置式永磁同步电机的MTPA控制，具体包括以下步骤：步骤一：离散化，根据被测电机的最大定子电流和额定转速，将定子电流Is、转速ω按间隔进行离散化，其中定子电流离散点不少于六个，转速离散点不少于三个；步骤二：理论最优转矩角的计算，利用最优转矩角计算公式计算被测电机在各定子电流离散点下的理论最优转矩角；步骤三：实测最优转矩角搜索，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，以此方式分别测定各转速离散点及定子电流离散点下的实测最优转矩角，所述可变搜索区间指对转矩角的搜索范围划分区间，分别在各区间内搜索对应最大输出转矩的转矩角；步骤四：算法最优转矩角拟合，对步骤三测得的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βMTPA的拟合公式βMTPA＝f(Is,ω)；步骤五：交直轴电流计算，根据算法最优转矩角βMTPA和定子电流Is计算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，Id*=IscosβMTPA]]>Iq*=IssinβMTPA.]]>...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴超，齐丹丹，孙园园，吴波，
申请(专利权)人：南京埃斯顿自动控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32