永磁同步电机最大效率转矩比控制方法及控制器技术

本发明专利技术涉及一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法及控制器，所述方法包括：S1、根据给定的永磁同步电机的目标转矩，采用MTPA曲线迭代获取目标转矩对应的最小电流工作点下的定子d轴电流；S2、根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型；S3、根据永磁同步电机的目标转矩，当前永磁同步电机的电压限制椭圆、电流限制圆，基于永磁同步电机工作点选取模型，获取新的工作点。上述方法相较于线性化方式大大弱化了电压约束条件，可获得更佳的动态响应；能准确的求取MTPA曲线与电流限制曲线或电压限制曲线的交点避免了出现因计算误差而导致的转矩不稳定甚至震荡情况的出现。

Maximum Efficiency Torque Ratio Control Method and Controller for Permanent Magnet Synchronous Motor

The present invention relates to a maximum efficiency torque ratio control method and controller for permanent magnet synchronous motor, which includes: S1. According to the given target torque of permanent magnet synchronous motor, the stator d-axis current corresponding to the minimum current working point of the target torque is obtained by iteration of MTPA curve; S2. According to the motor constraints, the selection model of the working point of permanent magnet synchronous motor is established, S3, root; According to the target torque of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the current voltage limiting ellipse and current limiting circle of PMSM can be obtained based on the model of PMSM working point selection. Compared with the linearization method, the above method greatly weakens the voltage constraints and achieves better dynamic response. It can accurately calculate the intersection of MTPA curve with current limit curve or voltage limit curve to avoid the occurrence of torque instability or even oscillation caused by calculation errors.

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机最大效率转矩比控制方法及控制器
本专利技术涉及永磁同步电机控制技术，尤其涉及一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法及控制器。
技术介绍
永磁同步电动机以其体积小、效率高、功率密度大等优点而成为最具竞争力的电动汽车牵引电机，目前在日本的电动汽车上已得到了广泛的应用.永磁同步电机组成的闭环调速系统可以实现优良的动态性能、高精度和很宽的调整范围，在要求高性能、快速响应的场合具有很好的应用前景。因此，电动机性能的好坏，将很大程度上决定了电动汽车性能的优劣。永磁同步电机具有高功率密度、高效率和优良的调速性能，因此成为了我国电动汽车的主流驱动电机。随着科技的飞速发展，人们日渐追求着更高的功率密度，与之而来的便是更小的电机及逆变器体积、不断提高的逆变器开关频率，这将给永磁同步电机带来越来越大的热环境的挑战。恶劣的热环境将严重限制永磁同步电机性能的发挥，并导致定子绕组绝缘老化、甚至导致永磁体退磁。在不改变现有硬件的基础上，通过改进永磁同步电机的控制策略来提高其运行效率，则能减小电机发热，改善电机的热环境。同时，电动汽车的续航能力一直是电动汽车在推广过程中有待解决的问题之一。效率及其区间范围在很大程度上影响了新能源汽车的续航能力，制约其进一步的发展和应用。我国针对新能源汽车运行效率问题，将驱动系统效率80％以上区间定义为高效区间，且高效区间应超过80％的范围。本专利技术具有以下优点：可改善电动汽车驱动电机系统的热环境，更好地发挥电机性能，提高电机寿命，提高电动汽车动力系统的转矩动态响应，使电动汽车具有更佳的动力性能。为了以最小的定子电流达到目标转矩，从而将定子铜耗降至最小并发挥出永磁同步电机的最大转矩性能，通常对永磁同步电机进行MTPA(MaximumTorquePerAmpere，MTPA)控制。但永磁同步电机的反电动势正比于电机转速，当单机端电压到达逆变器所能输出的最大值时，如果仍采用MTPA控制，随着转速的进一步提高，电机的输出转矩将迅速下降。这将导致永磁同步电机无法以较高的转速运行，从而无法满足电动汽车驱动电机的要求。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体产生，因此无法像异步电机那样容易弱磁。80年代ThomasM.Jahns等人开始对永磁同步电机的弱磁控制进行探索，90年代后弱磁控制的基本原理被不断并最终完善。弱磁控制指出，对于永磁同步电机，只能通过注入负的d轴电流以实现直轴去磁，从而在更宽的调速范围内获得较好的转矩性能。近年来发展出很多基于弱磁理论的永磁同步电机的控制策略，如转子磁场定向矢量控制。转子磁场定向矢量控制是一种转矩动态响应最优的控制策略，采用矢量控制的驱动电机在额定转速附近的运行效率较高，但远离额定转速区的效率不高。所以为了提高电机的运行效率，最小损耗控制等控制方法被提出，但最小损耗控制的动态响应难以满足电动汽车频繁启停、变速的要求。专利《一种永磁同步电机的工作电流确定方法及装置》(专利号：CN107959452A)介绍了永磁同步电机多种工况下的交直轴电流的确定方法，但是，该方法对于较远的新工作点交直轴电流计算所需迭代次数多，导致系统响应速度也相对较慢。特别是针对电动汽车应用在中速、中高负载情况下的新工作点的初始迭代点固定也相对较慢。因此，提出针对电动汽车应用，解决其运行在中速、中高负载情况下的交直轴电流的一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法是非常必要的。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术提供一种针对电动汽车应用，解决其运行在中速、中高负载情况下的交直轴电流计算方法，通过选取动态初始迭代点进行工作点的迭代计算，以更快的速度确定新工作点的交直轴电流，从而提高系统的整体响应速度。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1、根据给定的永磁同步电机的目标转矩TeSP，采用MTPA曲线迭代获取目标转矩TeSP对应的最小电流工作点下的定子d轴电流(idSP,iqSP)；S2、根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型；S3、根据永磁同步电机的目标转矩TeSP，当前永磁同步电机的电压限制椭圆|U|lim、电流限制圆Imax，基于永磁同步电机工作点选取模型，获取新的工作点所述步骤S2中，电机约束条件包括：电机约束条件一：新工作点应位于电压限制椭圆的内部，即要满足电压要求：d|U|≤d|U|SP；|U|为永磁同步电机定子电压单相幅值，|U|SP为永磁同步电机定子电压单相幅值的限制值；电机约束条件二：新工作点(id*,iq*)应位于电流限制圆的内部，即要满足电流要求：(id*)2+(iq*)2≤Imax2；若新工作点(id*,iq*)因为优先满足约束条件一而导致无法满足(id*)2+(iq*)2≤Imax2，则新工作点(id*,iq*)的选取应满足电流要求：min[(id*)2+(iq*)2]；电机约束条件三：新工作点(id*,iq*)应当与目标转矩曲线的距离最小，即新工作点对应的转矩应满足转矩要求：min|dTeSP-dTe|，TeSP为要达到的目标转矩，Te为新工作点的转矩；电机约束条件四：新的工作点(id*,iq*)应当最靠近MTPA方式计算得到的电流工作点(idSP,iqSP)，即新的工作点应满足效率要求：min|didSP-did|。所述步骤S2包括：建立直轴电流id和交轴电流iq坐标系id-iq，在id-iq坐标系中，建立电压极限椭圆、电流极限圆、最优转矩控制曲线、目标转矩曲线；根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型：模型一：若电压极限椭圆与电流极限圆没有交点，且在id-iq坐标系中，电压极限椭圆整体位于电流极限圆的左边，则根据电机约束条件一和约束条件二，选择电压极限椭圆与定子d轴的右交点作为新工作点模型二：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆没有交点，电流限制圆与目标转矩曲线最近的点位于电压极限椭圆的内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二和电机约束条件三，选择MTPA曲线与电流限制圆的交点作为新工作点；模型三：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆有交点，且MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二、电机约束条件三、电机约束条件四，选择MTPA曲线与目标转矩曲线的交点作为新工作点；模型四：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆没有交点，电流限制圆上与目标转矩曲线最近的点位于电压极限椭圆的外部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二和约束条件三，选择电流限制圆和电压极限椭圆的交点作为新工作点；模型五：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，目标转矩曲线与电流极限圆有交点，MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的外部，电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点位于电流极限圆内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二、电机约束条件三和电机约束条件四，选择电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点作为新的工作点；模型六：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，目标转矩曲线与电流极限圆有交点，MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的外部，电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点位于电流极限圆外部，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1、根据给定的永磁同步电机的目标转矩TeSP，采用MTPA曲线迭代获取目标转矩TeSP对应的最小电流工作点下的定子d轴电流(idSP,iqSP)；S2、根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型；S3、根据永磁同步电机的目标转矩TeSP，当前永磁同步电机的电压限制椭圆|U|lim、电流限制圆Imax，基于永磁同步电机工作点选取模型，获取新的工作点(id

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机最大效率转矩比控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1、根据给定的永磁同步电机的目标转矩TeSP，采用MTPA曲线迭代获取目标转矩TeSP对应的最小电流工作点下的定子d轴电流(idSP,iqSP)；S2、根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型；S3、根据永磁同步电机的目标转矩TeSP，当前永磁同步电机的电压限制椭圆|U|lim、电流限制圆Imax，基于永磁同步电机工作点选取模型，获取新的工作点(id*,iq*)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，电机约束条件包括：电机约束条件一：新工作点(id*,iq*)应位于电压限制椭圆的内部，即要满足电压要求：d|U|≤d|U|SP；|U|为永磁同步电机定子电压单相幅值，|U|SP为永磁同步电机定子电压单相幅值的限制值；电机约束条件二：新工作点(id*,iq*)应位于电流限制圆的内部，即要满足电流要求：(id*)2+(iq*)2≤Imax2；若新工作点(id*,iq*)因为优先满足约束条件一而导致无法满足(id*)2+(iq*)2≤Imax2，则新工作点(id*,iq*)的选取应满足电流要求：min[(id*)2+(iq*)2]；电机约束条件三：新工作点(id*,iq*)的实际转矩Te应当与目标转矩曲线的距离最小，即新工作点对应的转矩应满足转矩要求：min|dTeSP-dTe|；电机约束条件四：新的工作点(id*,iq*)应当最靠近MTPA方式计算得到的电流工作点(idSP,iqSP)，即新的工作点应满足效率要求：min|didSP-did*|。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：建立直轴电流id和交轴电流iq坐标系id-iq，在id-iq坐标系中，建立电压极限椭圆、电流极限圆、最优转矩控制曲线、目标转矩曲线；根据电机约束条件，建立永磁同步电机工作点选取模型：模型一：若电压极限椭圆与电流极限圆没有交点，且在id-iq坐标系中，电压极限椭圆整体位于电流限制圆左边，则根据电机约束条件一和约束条件二，选择电压极限椭圆与定子d轴的右交点作为新工作点(id*,iq*)；模型二：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆没有交点，电流限制圆与目标转矩曲线最近的点位于电压极限椭圆的内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二和电机约束条件三，选择MTPA曲线与电流限制圆的交点作为新工作点；模型三：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆有交点，MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二、电机约束条件三、电机约束条件四，选择MTPA曲线与目标转矩曲线的交点作为新工作点；模型四：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，且目标转矩曲线与电流极限圆没有交点，电流限制圆上与目标转矩曲线最近的点位于电压极限椭圆的外部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二和电机约束条件三，选择电流限制圆和电压极限椭圆的交点作为新工作点；模型五：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，目标转矩曲线与电流极限圆有交点，MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的外部，电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点位于电流极限圆内部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二、电机约束条件三和电机约束条件四，选择电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点作为新的工作点；模型六：若电压极限椭圆与电流极限圆有交点，目标转矩曲线与电流极限圆有交点，且MTPA曲线与目标转矩曲线的交点位于电压极限椭圆的外部，电压极限椭圆与目标转矩曲线的交点位于电流极限圆外部，则根据电机约束条件一、电机约束条件二和电机约束条件三，选取电压极限椭圆与电流极限圆交点作为新的工作点。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、获取当前永磁同步电机的电压限制椭圆|U|lim、电流限制圆Imax；S32、判断电压极限椭圆与电流极限圆是否有交点，若否，则获取第一交点(idq0,0)，并将第一交点(idq0,0)作为新工作点；所述第一交点(idq0,0)为电压极限椭圆定子d轴的右交点，若是则执行步骤S33；S33、判断目标转矩曲线与电流极限圆是否有交点，若否，则执行步骤S34，若是，则执行步骤S35；S34...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，黄守道，陈常乐，王建武，覃思雨，李力争，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43