一种磁链和转矩的高精度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高精度磁链计算的直接转矩控制方法，用电机相关参数绘制电机平面图，根据电机有限元分析结果将电机平面图分解成块，使用电机分块尺寸和相关参数拟合分块磁导数值关于分块磁导率或分块角度的代理模型，利用相关方法和代理模型构建电机磁导方阵模型和节点磁通源数组模型，利用两个模型迭代磁导率，利用最终磁导率和两个模型，使用相关方法计算电机定子磁链矢量和电机转矩。优点在于：提高电机定子磁链矢量和电机转矩估计精度，减小了在直接转矩控制方法下，电机处于低中高速度范围内的转矩和定子磁链的波动，提高了电机运行的稳定性。了电机运行的稳定性。了电机运行的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种磁链和转矩的高精度计算方法


[0001]本专利技术涉及电机控制方法，特别涉及一种磁链和转矩的高精度计算方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous machine,PMSM)具有高功率密度、宽调速范围、高效率、体积小、响应快和运行可靠等优点，在家用电器、数控机床、工业机器人、电动汽车以及航空设备等交流驱动场合得到广泛的应用。
[0003]直接转矩控制方法结构简单，只需要静止坐标变换，无电流环，转矩动态响应快，被广泛应用；直接转矩控制中对磁链和转矩进行解耦控制，使用电压电流法、电流转速法、或者二种方法结合计算电机磁链和转矩；精确的计算磁链和转矩能提高电机响应速度、降低转矩波动。
[0004]电机运行中存在磁链饱和问题和非谐波成分等问题，导致电压电流法、电流转速法不能准确计算磁链和转矩。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种提高了磁链和转矩的计算精度的方法。本专利技术通过提高转矩和磁链的计算精度来提高直接转矩控制方法对电机的控制效果，直接转矩控制中需要估计转矩和磁链的值。
[0006]本专利技术的一种基于高精度磁链计算的直接转矩控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、利用有限元软件分析电机以获得电机磁场流通回路路径，所述的电机为永磁同步电机，方法如下：
[0008]第一步，获取电机参数，包括：
[0009]电机铁芯总长度T
PMSM
、每槽绕组匝数C
c
、定子外径、定子内径、定子轴向长度、硅钢片磁导率μ
SSS
、定子槽数N、与定子槽建模有关的尺寸、转子外径、转子内径、转子极弧系数ap、转子隔磁桥厚、转子肋板厚、永磁体宽w
PM
、永磁体厚t
m
、永磁体轴向长度T
PM
、永磁体剩磁密B
r
和永磁体相对磁导率μ
Mr
；定子绕组类型、定子每相支路数a、定子每槽导体数N
c
、定子节距、导体并绕股数、转子极数n
p
以及转子极形的类型，所述的转子极形的类型为凸极或隐极；
[0010]第二步，基于所述的电机参数在Maxwell软件中建立电机二维有限元仿真模型，然后输入定子三相电流I
A
,I
B
,I
C
、转子转速以及转子位置θ
r
，运行Maxwell软件获得电机磁场流通回路路径；
[0011]步骤二、沿垂直于电机转子轴线的方向做电机的横向剖视图，按照步骤一中电机参数绘制电机二维横向剖面图；然后在电机剖面图中对电机分块，最后根据电机磁场流通回路路径构建电机的磁路形成分块内磁通路径图，电机剖面图中包含定子、硅钢片、永磁体以及电机转轴；其中，电机剖面图中对电机分块的过程如下：
[0012]第一步，将电机的每个永磁体通过平行于永磁体厚t
m
方向的永磁体分割线m1m1
’
、
m2m2
’
、m3m3
’
、m4m4
’
、m5m5
’
平均分为四个形状相同的矩形分块，从左至右依次记为第一永磁体分块m1m2m2
’
m1
’
、第二永磁体分块m2m3m3
’
m2
’
、第三永磁体分块m3m4m4
’
m3
’
、第四永磁体分块m4m5m5
’
m4
’
，其中设定每个转子肋板右侧的永磁体分块为第一永磁体分块m1m2m2
’
m1
’
，每个永磁体分块当作一个永磁体分块等效磁通源Φ
e
和一个永磁体分块磁阻组成的并联结构；
[0013]第二步，以分别过每个永磁体外边缘上的两个端点m1、m5以及端点m1和m5连线上的三个等分点m2、m3、m4且沿转子半径方向设置的直线作为转子极靴径向分割线m1md1、m2md2、m3md3、m4md4、m5md5，将电机的每个转子极靴进行分割使得每个转子极靴分为四块转子极靴切向分块，连接转子极靴径向分割线m1md1、m2md2、m3md3、m4md4、m5md5的中点构造转子极靴切向分块内的磁通路径，永磁体和转子极靴贴合面称为永磁体上壁，和永磁体上壁相对的面为永磁体下壁；
[0014]第三步，依次连接每块转子极靴切向分块上部外壁中点以及与该块转子极靴切向分块对应的内部切向磁通路径中点、位于该块转子极靴切向分块底部的永磁体分块上壁中点，构成转子极靴径向分块内的磁通路径；
[0015]第四步，构造每一对相邻永磁体之间的转子内部梯形分块，通过分段方式构造转子内部梯形分块m5
’
A
’
B
’
m4
’
、m4
’
B
’
C
’
m3
’
、efm1
’
m5
’
、A
’
Am1
’
m5
’
、A
’
ABB
’
、B
’
BCC
’
、m1
’
ABm2
’
、m2
’
BCm3
’
、CDD'C'，方法如下：
[0016]首先以每个转子肋板的中心线为对称轴构造肋板磁通路径，每个肋板磁通路径的上下端点分别与转子外壁和转子轴外壁相交；连接每个转子肋板的四角c、d、e、f形成的矩形块为肋板分块cdfe，在每个肋板分块cdfe下方的肋板磁通路径高度，即ef线段到b点之间的肋板磁通路径部分的上部六分之一处E、二分之一处G、六分之五处I分别做垂直于肋板磁通路径的垂线，且每一条肋板磁通路径垂线关于肋板磁通路径左右对称，然后延长每个转子肋板左右两侧永磁体相邻的外壁m1m1'和m5m5'分别与六分之一处E垂线相交于A、A'，形成位于转子内的倒等腰梯形分割线m5'A'Am1'；连接每个肋板两侧永磁体端点m1
’
、m5
’
，每个转子肋板下方形成一正一倒共下底m5
’
m1
’
的等腰梯形efm1'm5'、A'Am1'm5'，延长每个肋板左侧永磁体的m4m4'和右侧永磁体的m2m2
’
，与G点垂线交于B'、B形成转子内倒等腰梯形分割线m4'B'Bm2'，连接A
’
、A、B、B
’
，构成梯形分块m5
’
A
’
B
’
m4
’
、A
’
ABB
’
、m1
’
ABm2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高精度磁链计算的直接转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、利用有限元软件分析电机以获得电机磁场流通回路路径，所述的电机为永磁同步电机，方法如下：第一步，获取电机参数，包括：电机铁芯总长度T
PMSM
、每槽绕组匝数C
c
、定子外径、定子内径、定子轴向长度、硅钢片磁导率μ
SSS
、定子槽数N、与定子槽建模有关的尺寸、转子外径、转子内径、转子极弧系数ap、转子隔磁桥厚、转子肋板厚、永磁体宽w
PM
、永磁体厚t
m
、永磁体轴向长度T
PM
、永磁体剩磁密B
r
和永磁体相对磁导率μ
Mr
；定子绕组类型、定子每相支路数a、定子每槽导体数N
c
、定子节距、导体并绕股数、转子极数n
p
以及转子极形的类型，所述的转子极形的类型为凸极或隐极；第二步，基于所述的电机参数在Maxwell软件中建立电机二维有限元仿真模型，然后输入定子三相电流I
A
,I
B
,I
C
、转子转速以及转子位置θ
r
，运行Maxwell软件获得电机磁场流通回路路径；步骤二、沿垂直于电机转子轴线的方向做电机的横向剖视图，按照步骤一中电机参数绘制电机二维横向剖面图；然后在电机剖面图中对电机分块，最后根据电机磁场流通回路路径构建电机的磁路形成分块内磁通路径图，电机剖面图中包含定子、硅钢片、永磁体以及电机转轴；其中，电机剖面图中对电机分块的过程如下：第一步，将电机的每个永磁体通过平行于永磁体厚t
m
方向的永磁体分割线m1m1
’
、m2m2
’
、m3m3
’
、m4m4
’
、m5m5
’
平均分为四个形状相同的矩形分块，从左至右依次记为第一永磁体分块m1m2m2
’
m1
’
、第二永磁体分块m2m3m3
’
m2
’
、第三永磁体分块m3m4m4
’
m3
’
、第四永磁体分块m4m5m5
’
m4
’
，其中设定每个转子肋板右侧的永磁体分块为第一永磁体分块m1m2m2
’
m1
’
，每个永磁体分块当作一个永磁体分块等效磁通源Φ
e
和一个永磁体分块磁阻R
eMs
组成的并联结构；第二步，以分别过每个永磁体外边缘上的两个端点m1、m5以及端点m1和m5连线上的三个等分点m2、m3、m4且沿转子半径方向设置的直线作为转子极靴径向分割线m1md1、m2md2、m3md3、m4md4、m5md5，将电机的每个转子极靴进行分割使得每个转子极靴分为四块转子极靴切向分块，连接转子极靴径向分割线m1md1、m2md2、m3md3、m4md4、m5md5的中点构造转子极靴切向分块内的磁通路径，永磁体和转子极靴贴合面称为永磁体上壁，和永磁体上壁相对的面为永磁体下壁；第三步，依次连接每块转子极靴切向分块上部外壁中点以及与该块转子极靴切向分块对应的内部切向磁通路径中点、位于该块转子极靴切向分块底部的永磁体分块上壁中点，构成转子极靴径向分块内的磁通路径；第四步，构造每一对相邻永磁体之间的转子内部梯形分块，通过分段方式构造转子内部梯形分块m5
’
A
’
B
’
m4
’
、m4
’
B
’
C
’
m3
’
、efm1
’
m5
’
、A
’
Am1
’
m5
’
、A
’
ABB
’
、B
’
BCC
’
、m1
’
ABm2
’
、m2
’
BCm3
’
、CDD'C'，方法如下：首先以每个转子肋板的中心线为对称轴构造肋板磁通路径，每个肋板磁通路径的上下端点分别与转子外壁和转子轴外壁相交；连接每个转子肋板的四角c、d、e、f形成的矩形块为肋板分块cdfe，在每个肋板分块cdfe下方的肋板磁通路径高度，即ef线段到b点之间的肋板磁通路径部分的上部六分之一处E、二分之一处G、六分之五处I分别做垂直于肋板磁通路径的垂线，且每一条肋板磁通路径垂线关于肋板磁通路径左右对称，然后延长每个转子肋
板左右两侧永磁体相邻的外壁m1m1'和m5m5'分别与六分之一处E垂线相交于A、A'，形成位于转子内的倒等腰梯形分割线m5'A'Am1'；连接每个肋板两侧永磁体端点m1
’
、m5
’
，每个转子肋板下方形成一正一倒共下底m5
’
m1
’
的等腰梯形efm1'm5'、A'Am1'm5'，延长每个肋板左侧永磁体的m4m4'和右侧永磁体的m2m2
’
，与G点垂线交于B'、B形成转子内倒等腰梯形分割线m4'B'Bm2'，连接A
’
、A、B、B
’
，构成梯形分块m5
’
A
’
B
’
m4
’
、A
’
ABB
’
、m1
’
ABm2
’
，延长每个肋板两侧永磁体的m3m3'与I点垂线相交于C'、C，形成转子内倒等腰梯形分割线m3
’
C
’
Cm3
’
，连接B
’
、B、C、C
’
，构成梯形分块m4
’
B
’
C
’
m3
’
、B
’
BCC
’
、m2
’
BCm3
’
，过端点C
’
、C沿转子半径方向做延长线CD、C
’
D
’
，与转子轴外壁交于D、D
’
，形成以肋板磁通路径为对称轴的转子轴等腰梯形分块CDD
’
C
’
；第五步，构造所述第四步的每一对相邻永磁体之间的转子内部梯形分块内的磁通路径，方法如下：将线段m4
’
m5
’
的中点和线段A
’
B
’
的中点相连形成的线段为梯形分块m5
’
A
’
B
’
m4
’
内的磁通路径；将A
’
B
’
的中点、EG的中点、AB的中点相连形成的线段为梯形分块A
’
ABB
’
内的切向磁通路径，EG为梯形分块A
’
ABB
’
内的径向磁通路径；将AB的中点、m1
’
m2
’
的中点相连形成的线段为梯形分块m1
’
ABm2
’
内的磁通路径；将m4
’
m3
’
的中点、B
’
C
’
的中点相连形成的线段为梯形分块m4
’
B
’
C
’
m3
’
内的磁通路径，将B
’
C
’
的中点、GI的中点、BC的中点相连形成的线段为梯形分块B
’
BCC
’
内的切向磁通路径，GI为梯形分块B
’
BCC
’
内的径向磁通路径；将BC的中点、m2
’
m3
’
的中点相连形成的线段为梯形分块m2
’
BCm3
’
内的磁通路径；将CD的中点、Ib的中点i、D'C'的中点相连形成的线段为梯形分块CDD
’
C
’
内的切向磁通路径，删除线段Ib中的线段ib，剩下Ii为梯形分块CDD
’
C
’
内的径向磁通路径；第六步，通过分段方式构造每个转子肋板上方矩形分块jcdk，每个肋板上方矩形分块jcdk左右的隔磁桥矩形分块jcop、kdo
’
p
’
和直角梯形分块md5pom5、p
’
o
’
m1md1，每个转子肋板分块cdfe左右永磁体空气槽直角梯形分块lcom5、lcem5
’
、l
’
do
’
m1、l
’
dfm1
’
和所述分块内部磁通路径，方法如下：延长线段ec和df交转子外壁于j、k点，构成矩形jkdc，转子肋板的侧壁轮廓线为ce、df；将jc中点和kd中点中点相连形成的线段为矩形分块jcdk内部磁通路径；过点c、d分别向左右的永磁体边m5m5'、m1m1'做垂线cl、dl'，垂线cl、dl'将左右永磁体空气槽分为共下底的两个直角梯形lcom5、lcem5
’
和l
’
do
’
m1、l
’
dfm1
’
，直角梯形lcom5、lcem5
’
和l
’
do
’
m1、l
’
dfm1
’
为永磁体空气槽分块；连接m4'm5'的中点H'、m5'e的中点L'、lc的中点L”、om5的中点L、m5m4的中点H，构造每个肋板左侧永磁体空气槽分块lcom5和lcem5
’
的磁通回路路径；连接线段m1
’
m2
’
的中点H
”’
、线段m1
’
f的中点L1
’
、线段dl
’
的中点L1”、线段o
’
m1的中点L1、线段m1m2的中点H”构造每个肋板右侧永磁体空气槽分块l
’
do
’
m1和l
’
dfm1
’
的磁通回路路径；分别通过永磁体空气槽直角梯形lcom5、dl
’
m1o
’
上底端点o、o
’
作转子半径op，o
’
p
’
，op将jcdk左侧隔磁桥jmd5m5c分为矩形块jcop和直角梯形块opmd5m5，o
’
p
’
将jckd右侧隔磁桥kdm1md1分为kdo
’
p
’
和p
’
o
’
m1md1，连接md5m5、po、jc、kd、p
’
o
’
、md1m1的中点，构成jckd左右两侧隔磁桥矩形和梯形分块内的磁通；第七步，构造每个定子极的定子极下段的等腰梯形分块u
’
v
’
vu、定子极靴矩形分块uvtw和定子极靴梯形分块ruts、wxyv、相邻定子极靴之间的矩形分块rsx
’
y
’
和各个分块内部磁通路径，方法如下：
过每个定子极靴上底端点u,v做直线穿过定子圆心，交定子极靴底面于t、w，构成线段ut、vw，线段ut、vw将定子极靴分成两个定子极靴梯形ruts、wxyv和一个定子极靴矩形uvtw分块，连接线段rs、ut、vw、yx的中点，构成ruts、wxyv和uvtw内的切向磁通路径；沿定子半径方向从ruts、wxyv和uvtw内的切向磁通路径的中点a1、a2、a3分别作线段与定子内壁相交，构成ruts、wxyv和uvtw内的径向磁通路径；分别连接左右相邻的两个定子极靴相邻侧面上的上下端点形成线段ry
’
,sx
’
，构成相邻定子极靴之间的矩形分块ry
’
x
’
s，连接rs、x
’
y
’
的中点，构成分块ry
’
x
’
s内的磁通路径；连接定子极左右侧壁的中点u
’
、v
’
，线段u
’
v
’
将定子极分为两段，定子极下段等腰梯形分块为u
’
v
’
vu；电机通电后整段定子极上产生磁动势F
e
，将磁动势F
e
其放在线段u
’
v
’
上方；连接每个定子极靴矩形uvtw内切向磁通路径的中点a2和定子极的等效磁动势源F
e
，构成u
’
v
’
vu内磁通路径；第八步，构造每个定子极的定子极上段等腰梯分块a4a5u
’
v
’
、定子极首部倒等腰梯形分块a4a5a6a7和定子轭扇环形分块a6a7a8a9以及各个分块内的磁通路径，方法如下：对每个定子极，连接定子极左右侧壁的上端点a4、a5，连接相邻定子槽上部圆弧的中点a6、a7，构成定子极首部倒等腰梯形a4a5a7a6分块，线段a4a5、a6a7分别为定子极首部倒等腰梯形分块的上底、下底；连接线段a4a5和a6a7的中点，构成倒等腰梯形分块a4a5a7a6内的磁通路径；每个定子极上段为等腰梯形分块a4a5v
’
u
’
；对每个定子极，连接定子极的等效磁动势源F
e
和线段a4a5中点，构成等腰梯形分块a4a5v
’
u
’
内的磁通路径；沿定子半径方向，从每个定子极左右槽圆弧中点a6、a7向定子外壁做定子轭分割线与定子外壁分别相交于a9、a8，构成定子轭扇环形分块a6a7a8a9；连接a6a9、a7a8的中点，构成定子轭扇环形分块a6a7a8a9内的切向磁通路径a10a11；连接a10a11、a6a7的中点，构成定子轭扇环形分块a6a7a8a9内的径向磁通路径；第九步，构造每个定子槽的等腰梯形空气分块v1ua4a5
’
及其内部磁通路径v1'u'和定子极切向磁通路径u'v'，方法如下：连接每个定子槽的左右侧壁上的定子极侧壁端点a5'、a4、v1、u，构成定子槽等腰梯形分块v1ua4a5'；连接ua4、v1a5
’
中点u'、v1'，构成定子槽空气磁通路径v1'u'；过梯形腰上中点u'、v'对定子极磁通路径做垂线，构成定子极切向磁通路径u'v'；第十步，构造每个转子极和每个定子极之间的气隙扇环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛文铁，刘宏达，郭永豪，赵磊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：