基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法。永磁同步电机实时控制过程中，在

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法
本专利技术涉及了一种永磁同步电机控制方法，尤其是提出了一种内置式永磁同步电机的宽速度范围的高效与高性能控制方法，其中涉及了基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制及弱磁控制。
技术介绍
由于磁路的各向异性，内置式永磁同步电机的d轴和q轴电感不相等，因此内置式永磁同步电机的转矩包含永磁转矩和磁阻转矩两部分。这两部分之间存在一个最佳的组合，使得在相同的转矩下定子电流最小，这种运行状态被称为最大转矩电流比控制。当电机转速在基速以下时，由于铜耗占比较大，通常采用最大转矩电流比控制来使得电机铜耗最小。为了获得最大转矩电流比时的定子电流矢量d-q轴分量的参考值，常用的方法是先通过转速环得到定子电流矢量q轴分量的参考值，然后通过一个包含d轴电感Ld、q轴电感Lq和永磁体磁链Ψf的公式获得定子电流矢量d轴分量的参考值。但在电机运行过程的中，由于铁芯饱和和温度提升的影响，Ld、Lq和Ψf都会发生变化，因此通过传统公式求得的定子电流矢量d轴分量的参考值会偏离实际的最大转矩电流比控制下的值。受直流母线电压的限制，逆变器能提供的电压存在最大值。由定子电压最大值Vlim、电角速度ωe、d轴电感Ld、q轴电感Lq和永磁体磁链Ψf可作得电压极限椭圆，其两轴长度与转速成反比。随着电机转速的上升，电压极限椭圆不断缩小；当转速高于基速后，最大电流转矩比曲线上的工作点落在电压极限椭圆外，定子电压给定值大于定子电压最大值。此时必须控制定子电流矢量d轴分量电流沿负方向增大，即采用弱磁控制，使得定子电流矢量向左摆动，定子电流矢量落在电压极限椭圆上。因此，当转速上升到一定速度后需要从最大转矩电流比切换到弱磁控制。本专利技术提供了一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法，既可以在参数变化的情况下实现最大转矩电流比控制，又可以保证最大转矩电流比与弱磁控制的顺利切换。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的内置式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁控制方法，既可以在参数变化的情况下实现最大转矩电流比控制，又可以保证最大转矩电流比与弱磁控制的顺利切换，实现了更加精确的最大转矩电流比和弱磁共存控制，并且实现最大转矩电流比控制与弱磁控制的无缝切换。如图3所示，本专利技术的技术方案如下：永磁同步电机实时控制过程中，在坐标系下注入虚拟信号利用虚拟信号注入法和梯度下降法获得定子电流矢量的角度参考值，通过转矩补偿计算方法获得定子电流矢量轴分量的参考值，进一步通过坐标变换得到d-q坐标系下的定子电流矢量参考值，对最大电流转矩比控制与弱磁控制共同存在下的梯度值进行修正控制，实现最大电流转矩比控制与弱磁控制之间的无缝切换。所述的d-q坐标系中，d轴方向为转子磁链方向，q轴落后d轴90度。所述的坐标系中，轴方向与定子电流矢量方向重合，如图1所示，轴落后轴90度所述的方法具体过程如下：首先，将采集得到的定子三相电流变换到永磁同步电机的d-q坐标系下，进一步处理得到定子电流矢量的角度实际值，利用定子电流矢量的角度实际值将定子电流从d-q坐标系变换到d^-q^坐标系下；具体采集定子三相电流，通过帕克变换得到定子电流矢量d、q轴分量的实际值id、iq。电流PI控制器的输出为d-q轴电压参考值，因为在线性调制区内，并且载波频率比较高，可认为实际的d-q轴电压就是这个电压参考值。再利用旋转变压器或者编码器获得电机的机械角速度，进一步得到转子位置的角度信息。在采集到定子三相电流之后，结合转子位置的角度信息，进行坐标变换得到定子电流矢量d、q轴分量的实际值，进一步获得定子电流矢量的角度实际值β。利用定子电流矢量的角度实际值β进一步将d-q坐标系下的定子电流变换到坐标系下。由于轴方向与定子电流矢量方向重合，因此定子电流矢量的轴分量定子电流矢量的轴分量等于定子电流矢量的幅值实际值。然后，利用定子电流矢量的角度实际值β将d-q坐标系下的定子电流变换到坐标系下，根据永磁同步电机的坐标系，定子电流矢量的轴分量定子电流矢量的轴分量等于定子电流矢量的幅值实际值；向定子电流矢量的轴分量中注入虚拟信号Δ，利用以下式(1)和式(2)分别处理得到未注入虚拟信号Δ的电磁转矩Te和注入虚拟信号Δ后的电磁转矩其中，ωm是永磁同步电机的机械角速度，ωe是永磁同步电机的电角速度；R是定子电阻，Ld是d轴电感；Vd、Vq、id、iq分别表示定子电压矢量和定子电流矢量的d、q轴分量；分别是注入虚拟信号Δ之后定子电流矢量的d、q轴分量；在永磁同步电机仅通过最大电流转矩比实时控制过程中，计算一阶差分来获得转矩对的偏导数作为梯度值来进行控制：其中，γ(k)为第k个控制周期的梯度值，∈表示非零参数，表示定子电流矢量的d^轴分量，Δ(k)表示第k个控制周期的虚拟信号；上述注入的第k个控制周期的虚拟信号Δ(k)具体如下，且所有控制周期的虚拟信号Δ的正负符号构成的序列由随机数序列产生，该随机数序列满足高斯分布且平均值为0，能使得注入虚拟信号Δ的幅值足够小：Δ(k)＝1-e|γ(k-1)|(4)其中，k代表第k个控制周期，e为自然常数，γ(k-1)表示第k-1个控制周期的梯度值；梯度值γ与定子电流矢量的角度实际值β具有如下关系，由图1可知梯度值γ与定子电流矢量的角度实际值β的关系：其中，βMTPA代表定子电流矢量位于最大转矩电流比曲线上时的定子电流矢量的角度实际值。接着，由这一关系结合梯度下降法，采用以下公式计算获得下一个控制周期的定子电流矢量的角度参考值：β*(k+1)＝β*(k)-αγ(k)(6)其中，α为学习率参数，β*(k)表示第k个控制周期的定子电流矢量的角度参考值；最后，在永磁同步电机通过最大电流转矩比控制与弱磁共同作用的切换控制过程中，采用以下公式修正梯度值来进行控制：其中，为梯度值的修正值，kFW为积分器系数，Vlim是定子电压允许达到的最大值，和分别为定子电压矢量d、q轴分量的参考值。本专利技术的有益效果：结合虚拟信号注入与梯度下降法，实现了对最大转矩电流比轨迹的精确追踪，且不存在虚拟信号幅值、频率的选择问题。通过对梯度表达式的修正，实现了最大转矩电流比控制与弱磁控制的无缝切换。本专利技术无需复杂的信号处理，具有良好的动态响应性能，能够实现最大转矩电流比控制与弱磁控制之间的无缝切换，且转速范围宽。附图说明图1是不同定子电流角度下电磁转矩与轴电流关系的示意图。图2是弱磁控制下定子电流矢量的示意图。图3是整体控制框图。图4是实施例获得的最大转矩电流比的运行点与真实的最大转矩电流比曲线图。图5是实施例获得的定子电流波形图。图6是实施例获得的转速和梯度值γ的波形图。具体实施方式本专利技术的技术方案是应用于两电平的三相逆变器驱动的内置式永磁同步电机的情况下，整体的控制框图如图3所示。本专利技术的实施例及其实施过程如下：首先，将采集得到的定子三相电流变换到永磁同步电机的d-q坐标系下，进一步处理得到定子电流矢量的角度实际值；具体采集电机的三相电流，通过帕克变换得到定子电流矢量的d-q轴分量id、iq。电流PI控制器的输出为定子电压矢量d-q轴分量的参考值，因为在线性调制区内，并且载波频率比较高，可认为实际的定子电压矢量的d-q轴分量就是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法，其特征在于：永磁同步电机实时控制过程中，在

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法，其特征在于：永磁同步电机实时控制过程中，在坐标系下注入虚拟信号利用虚拟信号注入法和梯度下降法获得定子电流矢量的角度参考值，通过转矩补偿计算方法获得定子电流矢量轴分量的参考值，进一步通过坐标变换得到d-q坐标系下的定子电流矢量参考值，对最大电流转矩比控制与弱磁控制共同存在下的梯度值进行修正控制，实现最大电流转矩比控制与弱磁控制之间的无缝切换。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟信号注入和梯度下降法的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的方法具体过程如下：首先，将采集得到的定子三相电流变换到永磁同步电机的d-q坐标系下，进一步处理得到定子电流矢量的角度实际值；然后，利用定子电流矢量的角度实际值β将d-q坐标系下的定子电流变换到坐标系下，根据永磁同步电机的坐标系，定子电流矢量的轴分量定子电流矢量的轴分量等于定子电流矢量的幅值实际值；向定子电流矢量的轴分量中注入虚拟信号Δ，利用以下式分别处理得到未注入虚拟信号Δ的电磁转矩Te和注入虚拟信号Δ后的电磁转矩其中，ωm是永磁同步电机的机械角速度，ωe是永磁同步电机的电角速度；R是定子电阻，Ld是d轴电感；Vd、Vq、id、iq分别表示定子电压矢量和定子电流矢量的d、q...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓艳，章夏荷，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33