[发明专利]永磁同步电机转矩控制方法

摘要

一种永磁同步电机转矩控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是提供一中基于驱动转矩需求估算和预测控制，以解决驾驶员驱/制动和提高能效多控制需求的折中优化和建立优化问题求解筛选原则提高计算效率问题的永磁同步电机转矩控制方法。本发明的电机转矩预测控制流程是：先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；估算下一个时域的电流值；最优的开关组合状态作用逆变器驱动电机。本发明所述的转矩控制方法，采集驾驶员踏板信息和车轮转速信息的根据永磁同步电机的机械外特性曲线计算车辆所需驱动力矩值，有效解释了驾驶员的驱/制动的动力需求，为后续电机控制提供参考，提高了系统可靠性。

主权项

1.一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：电机转矩预测控制流程是：步骤1)先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；其中单个电机转矩参考值的获得：根据永磁同步电机的机械外特性曲线，估算出当前状态车辆所需的电机驱动轴转矩：Ta＝a·4kTωm(ωe)    (1)Tb＝‑b·4kTωm(ωe)    (2)式中，Ta和Tb分别表示整车所需的驱动转矩和制动转矩，单位Nm；a和b分别表示驾驶员的加速踏板和制动踏板开度，无量纲；k表示电机输出轴和车轮力矩轴之间的传动比；ωe表示实时的电机输出轴转速，单位rad/s；Tωm(ωe)表示实时的电机最大轴输出转矩，单位Nm，是一个关于转速ωe的函数，由转速和外特性决定；实时的电机最大轴输出转矩Tωm(ωe)的计算如下：式中Pmax为最大功率，Tmax为最大输出转矩；计算得到单个轮毂电机期望转矩值，如下：步骤2)建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；步骤3)将采集的当前电机三相电流值进行clark和park变换为转子坐标系下d‑q轴电流，并根据候选开关状态对应的矢量电压和永磁同步电机电流动态方程估算下一个时域的电流值；步骤4)通过优化问题的代价函数和约束限制，以及筛选原则比较得到最优的开关组合状态，作用逆变器驱动电机；上述步骤1)至4)的具体过程如下：步骤1)：先将单个电机转矩参考值根据电机方程转化为永磁同步电机在转子坐标系下的定子d‑q轴矢量电流的参考值：式中，I_d和I_q分别表示电机在转子坐标系下的d轴和q轴电流，单位A，其中*表示参考值，表示电机参考转矩；步骤2)：建立三相逆变器开关状态和转子坐标系下的d‑q轴输出矢量电压之间的关系式：首先定义a、b、c三个桥的输出电压分别为VaN、VbN、VcN，单位V，计算如下：VaN＝Sa·VdcVbN＝Sb·VdcVcN＝Sc·Vdc         (6)式中，Vdc表示母线直流电压，单位V；Sa、Sb、Sc分别表示三相开关状态，仅有0和1两个状态，无量纲单位；三相桥式电路每个桥之间存存一个正交向量的相位移，即由此定义输出电压矢量V_s为三相电压的矢量和：将带入(7)，然后将输出电压矢量表示为α‑β轴上的矩阵形式V_s＝[V_α，V_β]^T：再经过Park变换，α‑β轴上的矢量电压Vs＝[Vα，Vβ]T转换为转子坐标系下的定子d‑q轴的矢量电压Vdq＝[Vd，Vq]T，即：式中θe表示永磁同步电机的转子角位移，单位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆变器开关状态信号和定子d‑q轴矢量电压之间的关系式：步骤3)：下一个时刻的电流值估算过程：首先，采集到当前电机的a、b、c三相电流值Ia、Ib、Ic，单位A，同样根据clark和park 变换，转换成转子坐标系下定子d‑q轴的矢量电流Id，Iq，作为预测控制的初始状态值，即：然后，根据Kirchoff电压定律和电感特性，建立永磁同步电机转子坐标系下的定子d‑q轴电流方程，即：式中，R表示电枢电阻，单位Ω；Ld和Lq分别表示d‑q轴电感，单位H；p表示极对数，无量纲；φm表示永磁铁磁通量，单位Wb；然后，将公式(10)带入(12)中，可得到d‑q矢量电流的动态方程：定义变量x＝[Id，Iq]T，d＝ωe，u＝[Sa，Sb，Sc]T，则公式(13)可转换为采用梯形积分法离散化动态方程(13)，计算公式：xtemp＝x+Tsf(x，u，d)xp＝x+Ts/2((1+a)f(xtemp，u，d)+(1‑a)f(x，u，d))(14)式中，xp表示估算的下一时刻d‑q轴电流值，xtemp表示中间计算量，Ts表示系统采样周期，单位s；a为0‑1之间的调节因子，无量纲；步骤4)：最优的开关组合：制定电机转矩预测控制器的目标函数，如下：式中Q，M表示加权系数，单位分别为A‑2和J‑1；min Jk表示当前最优目标函数，单位无量纲；Jt，Jploss分别表示转矩跟踪误差最小和能耗最低两个子目标，单位无量纲；最小转矩跟踪误差Jt和最低能耗Jploss：①在Jt中，估算得到单个电机的驱/制动转矩期望值如公式(4)，并转化为电机电流的参考值如公式(5)，通过控制永磁同步电机的d‑q轴的下一时刻预测电流跟踪电流参考值误差最小，实现良好的车辆纵向加速和制动性能；②在Jploss中，电机驱动系统能耗包括电机自身的铜损和逆变器开关损耗，其中电机自身铜损和通电电流有关，即：式中，Em表示Ts时间间隔内铜损能耗能量，单位J；逆变器开关损耗包括三相桥臂上6个IGBT开关的关断损耗和导通损耗，定义下角标i表示a、b、c逆变器三个桥臂，则第i相IGBT在单个Ts时间间隔内的损耗能量EGL，i，单位J，计算如下：式中，Ec，EGon，EGoff分别表示在Ts时间间隔内逆变器单个桥臂上IGBT开关的名义工况下导通、闭合和关断损耗能量，单位J；Inm，Vnm分别表示IGBT开关名义工况下的电流和电压值，单位分别为A和V；Km＝(EGon+EGoff)Vdc/InmVnm，无量纲，单位J；ΔSi表示逆变器第i桥臂当前开关的状态改变，如果当前开关状态为Si，上一时刻开关状态为Si0，则ΔSi＝Si‑Si0；逆变器的三相桥臂总计能量损耗EGL，单位J：式中，开关状态变化矢量ΔS＝[ΔSa，ΔSb，ΔSc]T＝[Sa‑Sa0，Sb‑Sb0，Sc‑Sc0]T，维度3*1，无量纲；Ip表示abc矢量电流的下一时刻的预测值，单位A，由下式计算得到：式中，Idp和Iqp可由公式(11)、(13)和(14)计算得到；③两步筛选原则：在计算目标函数前筛选掉不符合电机运行条件的候选开关状态，两步筛选原则：A、实行最小开关损耗原则，每时域的候选解由8个降低为4个，可将其描述为|ΔSa|+|ΔSb|+|ΔSc|≤1；B、约束为永磁同步电机d‑q轴电流限幅约束，将预测值超出边界范围开关状态候选解筛选掉。