本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制方法。

背景技術(shù)：

表貼式永磁同步電機(jī)具有體積小、噪聲小、效率高、功率密度大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)汽車、醫(yī)療器械、飛行器等需要高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的位置、速度及轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用領(lǐng)域。表貼式永磁同步電機(jī)為多輸入多輸出、高階、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，為獲得較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，常采用矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。但經(jīng)典矢量控制系統(tǒng)沒(méi)有考慮電機(jī)鐵損等因素的影響，并采用pid調(diào)節(jié)器，存在系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠快、電機(jī)效率不夠高、調(diào)節(jié)器參數(shù)難以整定等問(wèn)題，難以滿足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。因此，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度與電機(jī)效率，并優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)，表貼式永磁同步電機(jī)的最小損耗控制方法得到了大量研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為提高表貼式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)響應(yīng)速度與電機(jī)效率，并優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)，本發(fā)明的目的在于提出一種表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)轉(zhuǎn)速給定ω^*與電磁轉(zhuǎn)矩給定通過(guò)lagrange乘數(shù)法，算出使電機(jī)損耗ploss最小的d、q軸勵(lì)磁電流給定

求解與lagrange乘數(shù)λ，使得在式(1)所示的約束條件下的式(2)所示的目標(biāo)函數(shù)f(iod,ioq,λ)最?。?/p>

式中，iod、ioq為d、q軸勵(lì)磁電流；id、iq為d、q軸輸入電流；ud、uq為d、q軸輸入電壓；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ψr為電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈幅值；l為d、q軸勵(lì)磁電感；rs為d、q軸銅損等效電阻；rcd、rcq為d、q軸鐵損等效電阻；

解得：

步驟2：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角度θ和a、b相電壓ua、ub與電流ia、ib，算出d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq：

根據(jù)式(4)算出d、q軸輸入電壓ud、uq：

根據(jù)式(5)算出d、q軸輸入電id、iq：

根據(jù)式(6)算出d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq：

步驟3：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角速度ω、d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq、和d、q軸勵(lì)磁電流給定算出d、q軸電壓給定

根據(jù)d、q軸勵(lì)磁電流給定和d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq，算出d、q軸勵(lì)磁電流變化率i'od、i'oq：

式中，ki為勵(lì)磁電流反饋增益；ti為逆變器的時(shí)間常數(shù)；

根據(jù)轉(zhuǎn)子電氣角速度ω、d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq和d、q軸勵(lì)磁電流變化率i'od、i'oq，算出d、q軸電壓給定

步驟4：使用等功率兩相旋轉(zhuǎn)到三相靜止變換，將d、q軸電壓給定變換成三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定

步驟5：根據(jù)三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定產(chǎn)生6路svpwm信號(hào)以驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器的6個(gè)橋臂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的最小損耗控制：

根據(jù)三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定算出三相svpwm調(diào)制電壓

式中，u0為在三相靜止坐標(biāo)系下給定電壓中，注入的零序分量，其定義為：

將三相svpwm調(diào)制電壓與幅值為逆變器直流母線電壓一半的雙極性載波電壓比較，當(dāng)svpwm調(diào)制電壓比載波電壓高時(shí)，該相上橋臂svpwm信號(hào)為高電平，該相下橋臂svpwm信號(hào)為低電平；當(dāng)svpwm調(diào)制電壓比載波電壓低時(shí)，該相上橋臂svpwm信號(hào)為低電平，該相下橋臂svpwm信號(hào)為高電平；

用產(chǎn)生的6路svpwm信號(hào)驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器的6個(gè)橋臂，進(jìn)而使d、q軸輸入電壓ud、uq等于d、q軸電壓給定從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的最小損耗控制。

通過(guò)以上步驟，本發(fā)明可實(shí)時(shí)算出在轉(zhuǎn)速給定ω^*和轉(zhuǎn)矩給定的條件下，使得電機(jī)損耗ploss最小的d、q軸勵(lì)磁電流給定并使d、q軸勵(lì)磁電流iod,ioq快速跟蹤輸出電磁轉(zhuǎn)矩te快速跟蹤使得表貼式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)在保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性與穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)損耗達(dá)到最小。

和現(xiàn)有表貼式永磁同步電機(jī)矢量控制方法相比，本發(fā)明可實(shí)時(shí)算出在轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)矩給定的條件下，使得電機(jī)損耗最小的d、q軸勵(lì)磁電流給定，并使d、q軸勵(lì)磁電流快速跟蹤d、q軸勵(lì)磁電流給定，輸出電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤轉(zhuǎn)矩給定，使得表貼式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)在保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性與穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)損耗達(dá)到最小。

附圖說(shuō)明

圖1為表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制原理圖。

圖2為表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制系統(tǒng)仿真模型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中：圖2(a)為表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制系統(tǒng)仿真模型，圖2(b)為主控模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖3為電機(jī)空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速后突加額定負(fù)載的仿真波形，其中：圖3(a)為轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速的仿真波形，圖3(b)為電磁轉(zhuǎn)矩給定與實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形，圖3(c)為d軸勵(lì)磁電流給定與實(shí)際d軸勵(lì)磁電流的仿真波形，圖3(d)為q軸勵(lì)磁電流給定與實(shí)際q軸勵(lì)磁電流的仿真波形，圖3(e)為電機(jī)實(shí)時(shí)效率仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

根據(jù)以上對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制方法的詳細(xì)介紹，以下以對(duì)一臺(tái)參數(shù)如表1所示的表貼式永磁同步電機(jī)進(jìn)行最小損耗控制為例說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

按照?qǐng)D1所示基于損耗模型的表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制原理圖在matlab/simulink仿真軟件上搭建表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2(a)所示，其中主控模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，逆變器開(kāi)關(guān)頻率為10khz。

表1表貼式永磁同步電機(jī)參數(shù)

步驟1：根據(jù)轉(zhuǎn)速給定ω^*與電磁轉(zhuǎn)矩給定通過(guò)lagrange乘數(shù)法，算出使電機(jī)損耗ploss最小的d、q軸勵(lì)磁電流給定

求解與lagrange乘數(shù)λ，使得在式(1)所示的約束條件下的式(2)所示的目標(biāo)函數(shù)f(iod,ioq,λ)最小：

解得：

當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下帶額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，ω^*＝3000r/min，解得：

步驟2：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角度θ和a、b相電壓ua、ub與電流ia、ib，算出定子d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq：

根據(jù)式(4)算出d、q軸輸入電壓ud、uq：

根據(jù)式(5)算出d、q軸輸入電id、iq：

根據(jù)式(6)算出d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq：

步驟3：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角速度ω、d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq、和d、q軸勵(lì)磁電流給定算出d、q軸電壓給定

根據(jù)d、q軸勵(lì)磁電流給定和d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq，算出d、q軸勵(lì)磁電流變化率i'od、i'oq：

式中，ki＝1；ti＝200μs；

根據(jù)轉(zhuǎn)子電氣角速度ω、d、q軸勵(lì)磁電流iod、ioq和d、q軸勵(lì)磁電流變化率i'od、i'oq，算出d、q軸電壓給定

步驟4：使用等功率兩相旋轉(zhuǎn)到三相靜止變換，將d、q軸電壓給定變換成三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定

步驟5：根據(jù)三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定產(chǎn)生6路svpwm信號(hào)以驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器的6個(gè)橋臂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的最小損耗控制：

根據(jù)三相靜止坐標(biāo)系下電壓給定算出三相svpwm調(diào)制電壓

式中，u0為在三相靜止坐標(biāo)系下給定電壓中，注入的零序分量，其定義為：

將三相svpwm調(diào)制電壓與幅值為逆變器直流母線電壓一半的雙極性載波比較，當(dāng)svpwm調(diào)制電壓比載波電壓高時(shí)，該相上橋臂svpwm信號(hào)為高電平，該相下橋臂svpwm信號(hào)為低電平；當(dāng)svpwm調(diào)制電壓比載波電壓低時(shí)，該相上橋臂svpwm信號(hào)為低電平，該相下橋臂svpwm信號(hào)為高電平；

用產(chǎn)生的6路svpwm信號(hào)驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器的6個(gè)橋臂，進(jìn)而使d、q軸輸入電壓ud、uq等于d、q軸電壓給定從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的最小損耗控制。

圖3為電機(jī)空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速后，于0.1s突加額定負(fù)載的仿真波形。由圖3(a)可知，電機(jī)啟動(dòng)0.06s后，轉(zhuǎn)速便達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且無(wú)超調(diào)與穩(wěn)態(tài)誤差。突加額定負(fù)載后，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速降落為80rpm，并于0.02s后再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且無(wú)超調(diào)與穩(wěn)態(tài)誤差。圖3(b)～3(d)分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、d軸勵(lì)磁電流與q軸勵(lì)磁電流的仿真波形，實(shí)測(cè)值可快速跟蹤給定值。由圖3(e)所示電機(jī)實(shí)時(shí)效率仿真波形可知，當(dāng)電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電機(jī)效率高達(dá)93％。

可見(jiàn)，本發(fā)明提出的表貼式永磁同步電機(jī)最小損耗控制方法，可實(shí)時(shí)算出在轉(zhuǎn)速給定ω^*和轉(zhuǎn)矩給定的條件下，使得電機(jī)損耗ploss最小的d、q軸勵(lì)磁電流給定并使d、q軸勵(lì)磁電流iod,ioq快速跟蹤輸出電磁轉(zhuǎn)矩te快速跟蹤使得表貼式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)在保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性與穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)損耗達(dá)到最小。