基於參數檢測的永磁同步電機轉矩PI調控方法與流程

2023-04-24 19:54:43

本發明屬於永磁同步電機控制領域，涉及永磁同步電機轉矩控制系統，更具體地說，本發明涉及一種基於參數檢測的永磁同步電機轉矩PI調控方法。

背景技術：

永磁同步電機轉矩控制必須採用閉環控制才能獲得優良的轉矩控制性能，永磁同步電機轉矩閉環控制系統包括控制器和被控對象，同時，永磁同步電機轉矩控制系統如何根據不同的被控對象，PI（比例積分）控制器參數有的放矢調整，則是現有技術有待解決的問題。目前，公知的現有技術中，PI控制器其比例控制參數和積分控制參數都是直接採用試湊法或經驗法進行調整，而不是根據被控對象參數進行調整，控制器參數的調整比較盲目，永磁同步電機轉矩控制系統的調試費時費力，轉矩控制性能難以滿足要求。

有相關在先前申請專利中做了初步探索研究，在先專利為：公開號是CN103427747B，專利名稱為直流電機電流PI控制的參數調節系統的調節方法；公開號是CN103414418B，專利名稱為一種直流電機電流PI控制系統的控制方法；公開號是CN103427758B，專利名稱為單相感應電機勵磁電流PI控制參數的調整方法；公開是CN103427748B，專利名稱為一種單相感應電機勵磁電流PI控制方法；公開是CN101499755A，專利名稱為一種直流電機速度PID控制方法。但上述現有研究中，沒有涉及到永磁同步電機以及對轉矩的閉環控制，另一方面，隨著定子繞組溫度的升高，電機參數會發生變化，導致控制精度出現偏差，為此，急需發明一種針對於永磁同步電機的轉矩調控方法。

技術實現要素：

本發明的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。

本發明還有一個目的是為了解決在永磁同步電機轉矩閉環控制採用PI控制器時，PI控制器參數難於根據被控對象參數進行調整的問題，而提出一種永磁同步電機轉矩PI控制方法。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種基於參數檢測的永磁同步電機轉矩PI調控方法，該轉矩PI調控方法採用的系統包括：

控制器、第一功率驅動單元、永磁同步電機、轉矩傳感器、定子電壓控制單元、第二功率驅動單元、測溫裝置以及記錄儀器，其中所述控制器由比較器、比例器、積分器和加法器組成，所述比較器的第一輸入端接收轉矩指令信號，所述比較器的輸出端分別與所述比例器和所述積分器的輸入端連接，所述比例器和積分器的輸出端分別與所述加法器的輸入端連接，所述加法器的輸出端與所述第一功率驅動單元的輸入端連接，控制器用於生成定子電壓的第一控制信號，第一功率驅動單元輸入端與所述控制器的輸出端連接，所述第一功率驅動單元接收所述定子電壓的第一控制信號，並輸出相應大小的第一驅動電壓；定子電壓控制單元用於生成定子電壓的第二控制信號，第二功率驅動單元輸入端與所述定子電壓控制單元的輸出端連接，所述第二功率驅動單元接收所述定子電壓的第二控制信號，並輸出相應大小的第二驅動電壓；永磁同步電機的電源輸入端通過第一切換開關與所述第一功率驅動單元的輸出端連接、通過第二切換開關與所述第二功率驅動單元的輸出端連接，所述永磁同步電機的定子接收所述第一驅動電壓或第二驅動電壓；轉矩傳感器用於測量測量永磁同步電機轉矩輸出信號，並分別輸送至所述記錄儀器中以及所述比較器的第二輸入端；測溫裝置用於測量所述永磁同步電機定子繞組的溫度；記錄儀器的輸入端分別與所述控制器、轉矩傳感器以及測溫裝置的輸出端連接，所述記錄儀器用於記錄所測量數據隨時間的變化過程；

該轉矩PI調控方法包括以下步驟：

步驟一、識別永磁同步電機在不同定子繞組溫度下的等效轉矩慣量參數，包括以下步驟：

步驟A. 將永磁同步電機轉子定位於永磁同步電機A相繞組軸線位置；測溫裝置實時採集所述定子繞組的溫度數據，並將該溫度數據傳送至記錄儀器中，將所述溫度數據從小到大劃分為若干個溫度區間；

步驟B.斷開第一切換開關，閉合第二切換開關，採用定子電壓控制單元輸出三相定子電壓幅值各為一正常數L的第二控制信號；

步驟C. 所述第二功率驅動單元接收所述第二控制信號後輸出三相電壓幅值各為所述正常數L的第二驅動電壓，所述永磁同步電機的定子繞組接收所述第二驅動電壓，將所述定子繞組升溫；

步驟D. 當所述定子繞組的溫度超過第j個所述溫度區間的中間值時，斷開所述第二切換開關，閉合所述第一切換開關，採用控制器輸出定子α軸電壓幅值為一正常數0、定子β軸電壓幅值為一正常數M的第一控制信號，其中，j為1、2、3…；

步驟E. 所述第一功率驅動單元接收所述第一控制信號後輸出輸出定子α軸電壓幅值為一正常數0、定子β軸電壓幅值為一正常數M的第一驅動電壓，所述永磁同步電機的定子繞組接收所述第一驅動電壓，產生轉矩輸出信號；

步驟F.採用轉矩傳感器實時測量永磁同步電機轉子的轉矩輸出信號；

步驟G.記錄儀器分別記錄所述第一控制信號和所述轉矩輸出信號隨時間變化的過程，並在坐標系分別建立所述轉矩輸出信號、第一控制信號與時間關係的曲線圖，其中，時間為橫坐標，轉矩輸出信號和第一控制信號為縱坐標；

步驟H.在坐標系中讀取轉矩輸出信號曲線的穩態幅值C，過該穩態幅值C作一條平行於時間軸的直線，將定子β軸電壓幅值M除以轉矩信號穩態幅值C，得到永磁同步電機的電磁轉矩參數K；

步驟I. 過原點對轉矩信號曲線作切線與所述步驟H中所述的直線相交於交點S，過交點S向下作垂線與時間軸相交，垂線與時間軸的交點的坐標值為T；

步驟J. 將所述電磁轉矩參數K和所述坐標值T相乘，得到永磁同步電機在定子繞組溫度處於第j個溫度區間的等效轉矩慣量參數Ai，i=1、2…j；

步驟K.回到步驟B，在第j+1個所述溫度區間進行等效轉矩慣量參數Ai的測量，直至將各個所述溫度區間對應的等效轉矩慣量參數Ai全部測量完畢；

步驟二、根據所述等效轉矩慣量參數Ai調整控制器的比例控制參數Kp和積分控制參數Ki，以調整第一功率驅動單元的輸出勵磁電壓，最終調整永磁同步電機的輸出轉矩。

優選的，所述步驟二中，比例控制參數Kp和積分控制參數Ki的調整方法包括以下步驟：

步驟1.確定永磁同步電機的額定電壓Ue；

步驟2．確定永磁同步電機的額定轉矩Ie；

步驟3．調整控制器的比例控制參數Kp，Kp=Ue/Ie；

步驟4．調整控制器的積分控制參數Ki，Ki=Kp/Ai。

優選的，所述步驟D中，所述定子β軸電壓幅值M與永磁同步電機的額定電壓Ue相等。

優選的，所述步驟二中的所述積分控制參數Ki的初值為0。

優選的，所述第一功率驅動單元和第二功率驅動單元的額定電壓大於所述永磁同步電機的額定電壓。

優選的，所述第一功率驅動單元和第二功率驅動單元的額定電流大於所述永磁同步電機的額定電流。

優選的，步驟B中所述定子電壓控制單元輸出的三相定子電壓幅值L與所述永磁同步電機的額定電壓幅值相等。

優選的，所述第一切換開關和第二切換開關聯鎖設置，所述第一切換開關和第二切換開關在同一時刻不能同時閉合。

優選的，所述測溫裝置設置在所述永磁同步電機的機殼上，所述測溫裝置為紅外測溫傳感器，所述紅外測溫傳感器的出光口朝向所述定子繞組。

優選的，根據永磁同步電機的定子繞組所處的溫度區間，選擇在該溫度下對應的所述等效轉矩慣量參數Ai，根據所述等效轉矩慣量參數Ai確定所述控制器的控制參數。

本發明至少包括以下有益效果：

1、通過在不同定子繞組溫度下，對永磁同步電機的參數進行定量識別，獲得了對電機轉矩控制時的電磁轉矩參數K和等效轉矩慣量參數Ai，為永磁同步電機的控制設計和調試節省了精力和時間，提高了對永磁同步電機在不同定子繞組溫度下的控制性能，而且使得永磁同步電機獲得了良好的靜態性能和動態性能，實現了對永磁同步電機的精確控制；

2、實現了轉矩的自動調整，且系統在調試時，由於PI控制器的參數是根據永磁同步電機參數進行調整的，所以PI控制器參數可以有的放矢進行調整，做到心中有數，遏制了PI控制器參數調整的盲目性，節省了時間和精力，並能取得良好的轉矩控制效果，提高了永磁同步電機轉矩的控制精度。

本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發明永磁同步電機轉矩PI調控系統的結構方框圖；

圖2為本發明調控方法框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

本發明提供了一種基於參數檢測的永磁同步電機轉矩PI調控方法，如圖1所示，該轉矩調控方法採用的系統包括：控制器110、第一功率驅動單元120、永磁同步電機130、轉矩傳感器140、定子電壓控制單元600、第二功率驅動單元700、測溫裝置900以及記錄儀器500。

其中所述控制器110由比較器111、比例器112、積分器113和加法器114組成，所述比較器111的第一輸入端接收外界輸入的轉矩指令信號，所述比較器111的輸出端分別與所述比例器112和所述積分器113的輸入端連接，所述比例器112和積分器113的輸出端分別與所述加法器114的輸入端連接，所述加法器114的輸出端與所述第一功率驅動單元120的輸入端連接，控制器110用於接收轉矩指令信號後生成定子電壓的第一控制信號，第一功率驅動單元120輸入端與所述控制器110的輸出端連接，所述第一功率驅動單元120接收所述定子電壓的第一控制信號，並輸出相應大小的第一驅動電壓；定子電壓控制單元600用於生成定子電壓的第二控制信號，第二功率驅動單元700輸入端與所述定子電壓控制單元600的輸出端連接，所述第二功率驅動單元700接收所述定子電壓的第二控制信號，並輸出相應大小的第二驅動電壓；永磁同步電機130的電源輸入端通過第一切換開關810與所述第一功率驅動單元120的輸出端連接、通過第二切換開關820與所述第二功率驅動單元700的輸出端連接，所述永磁同步電機130的定子接收所述第一驅動電壓或第二驅動電壓以給定子繞組勵磁，其中，所述第一切換開關810和第二切換開關820聯鎖設置的，也就是所述第一切換開關810和第二切換開關820在同一時刻不能同時閉合，使得第一功率驅動單元120與第二功率驅動單元700隻能有一者可以為定子繞組勵磁。

轉矩傳感器140用於測量測量永磁同步電機130轉矩輸出信號，並分別輸送至所述記錄儀器500中以及所述比較器111的第二輸入端；測溫裝置900用於測量所述永磁同步電機130定子繞組的溫度，本實施例中，所述測溫裝置900為紅外測溫傳感器，其他實施例可以根據具體條件選擇合適的溫度傳感器，所述紅外測溫傳感器的出光口朝向所述定子繞組，以提高測量定子繞組溫度的準確性。

記錄儀器500的輸入端分別與所述控制器110、轉矩傳感器140以及測溫裝置900的輸出端連接，所述記錄儀器500用於記錄所測量數據隨時間的變化過程；本實施例中，記錄儀器500接收所述轉矩輸出信號、定子繞組電壓的第一控制信號、定子繞組電壓的第二控制信號以及定子繞組的溫度，並分別記錄所述轉矩輸出信號、定子繞組電壓的第一控制信號、定子繞組電壓的第二控制信號以及定子繞組的溫度與時間關係的曲線圖。

上述技術方案中，所述第一功率驅動單元120和第二功率驅動單元700的額定電壓大於所述永磁同步電機130的額定電壓；所述第一功率驅動單元120和第二功率驅動單元700的額定電流大於所述永磁同步電機130的額定電流。

如圖2所示，該轉矩PI調控方法包括以下步驟：

步驟一、識別永磁同步電機130在不同定子繞組溫度下的等效轉矩慣量參數，包括以下步驟：

步驟A. 將永磁同步電機轉子定位於永磁同步電機A相繞組軸線位置，測溫裝置900實時採集所述定子繞組的溫度數據，並將該溫度數據傳送至記錄儀器500中，將所述溫度數據從小到大劃分為若干個溫度區間，將所述溫度數據從小到大劃分為若干個溫度區間，劃分的溫度區間越小，每個溫度區間對應的等效轉矩慣量參數Ai越精確，可以根據具體情況來劃分溫度區間，本實施例中，將定子繞組溫度從-30OC～110 OC每5 OC劃分為一個溫度區間，一共22個溫度區間；

步驟B.斷開第一切換開關810，閉合第二切換開關820，採用定子電壓控制單元600輸出三相定子電壓幅值各為一正常數L的第二控制信號；本實施例中，該定子電壓控制單元600輸出的三相定子電壓幅值L與所述永磁同步電機300的額定電壓幅值相等；

步驟C. 所述第二功率驅動單元700接收所述第二控制信號後輸出三相電壓幅值各為所述正常數L的第二驅動電壓，所述永磁同步電機130的定子繞組接收所述第二驅動電壓，將所述定子繞組升溫，測溫裝置900實時測量定子繞組的溫度，將溫度數據反饋至記錄儀器500中；

步驟D. 隨著定位繞組溫度的升高，當所述定子繞組的溫度超過第j個所述溫度區間的中間值時，其中，j為1、2、3…22，比如定子繞組的溫度超過了第8個所述溫度區間的中間值時，也就是超過了7.5 OC時，斷開所述第二切換開關820，閉合所述第一切換開關810，採用控制器110輸出定子α軸電壓幅值為0、定子β軸電壓幅值為一正常數M的第一控制信號；

步驟E.所述第一功率驅動單元120接收所述第一控制信號後輸出輸出定子α軸電壓幅值為0、定子β軸電壓幅值為一正常數M的第一驅動電壓，定子β軸電壓幅值M為所述永磁同步電機130的額定電壓Ue相等；所述永磁同步電機130的定子繞組接收所述第一驅動電壓，產生轉矩輸出信號；

步驟F.採用轉矩傳感器140實時測量永磁同步電機130轉子的轉矩輸出信號；

步驟G.記錄儀器500分別記錄所述第一控制信號和所述轉矩輸出信號隨時間變化的過程，並在坐標系分別建立所述轉矩輸出信號、第一控制信號與時間關係的曲線圖，其中，時間為橫坐標，轉矩輸出信號和第一控制信號為縱坐標；

步驟H.在坐標系中讀取轉矩輸出信號曲線的穩態幅值C，過該穩態幅值C作一條平行於時間軸的直線，將定子β軸電壓幅值M除以轉矩信號穩態幅值C，得到永磁同步電機的電磁轉矩參數K；

步驟I. 過原點對轉矩信號曲線作切線與所述步驟H中所述的直線相交於交點S，過交點S向下作垂線與時間軸相交，垂線與時間軸的交點的坐標值為T；

步驟J. 將所述電磁轉矩參數K和所述坐標值T相乘，得到永磁同步電機130在定子繞組溫度處於第j個溫度區間的等效轉矩慣量參數Ai，i=1、2…j，本實施例中，也就是測得了第八個溫度區間的等效轉矩慣量參數Ai，i=8；

步驟K.回到步驟B，繼續對定子繞組升溫，直到定子繞組的溫度超過第j+1個所述溫度區間的中間值，在第j+1個所述溫度區間進行等效轉矩慣量參數Ai的測量，也就是在第九個溫度區間中測量等效轉矩慣量參數Ai，i=9，直至將各個所述溫度區間對應的等效轉矩慣量參數Ai全部測量完畢，得到每個溫度區間對應的等效轉矩慣量參數Ai。

步驟二、根據所述等效轉矩慣量參數Ai調整控制器110的比例控制參數Kp和積分控制參數Ki，以調整第一功率驅動單元120的輸出勵磁電壓，最終調整永磁同步電機130的輸出轉矩。

所述步驟二中，比例控制參數Kp和積分控制參數Ki的調整方法包括以下步驟：

步驟1.確定永磁同步電機130（130）的額定電壓Ue；

步驟2．確定永磁同步電機130（130）的額定轉矩Ie；

步驟3．調整控制器110的比例控制參數Kp，Kp=Ue/Ie；

步驟4．調整控制器110的積分控制參數Ki，Ki=Kp/Ai。

上述技術方案中，所述步驟二中的所述積分控制參數Ki的初值為0。

本發明的永磁同步電機的高精度轉矩調控方法，基於對永磁同步電機轉矩的PI閉環控制，具體對轉矩的調控流程為：比較器111將輸入轉矩指令信號和從轉矩傳感器140反饋回來的轉矩輸出信號進行比較，產生轉矩誤差信號；在轉矩調整過程中，根據上述方法對比例控制參數Kp和積分控制參數Ki進行調整，隨後，比例器112對轉矩誤差信號乘以比例控制參數；積分器113對轉矩誤差信號進行積分並乘以積分控制參數；加法器114對比例器112和積分器113輸出信號相加送到功率驅動單元120；第一功率驅動單元120根據控制器110輸出的控制信號，產生相應大小的勵磁電壓，為永磁同步電機130適時提供適當的能量，使永磁同步電機130產生相應大小的轉矩，以對上一時間段的轉矩誤差進行自行修正，以對永磁同步電機轉矩進行快速的調整，提高對永磁同步電機轉矩的控制精度，永磁同步電機拖動所要控制的對象，同時，轉矩傳感器140實時測量永磁同步電機130的轉矩輸出信號，並反饋至比較器第二輸入端，以驗證轉矩調整效果。

具體的，根據永磁同步電機130的定子繞組所處的溫度區間，選擇在該溫度下對應的所述等效轉矩慣量參數Ai，根據所述等效轉矩慣量參數Ai確定所述控制器110的控制參數，包括比例控制參數Kp和積分控制參數Ki。永磁同步電機控制器就可以根據這兩個參數進行設計和調整，以更好的控制永磁同步電機。

隨後，根據永磁同步電機130的定子繞組所處的溫度區間對應的等效轉矩慣量參數Ai，設定若干個控制器，根據每個溫度下對應的所述等效轉矩慣量參數Ai，來確定用於控制所述永磁同步電機運行狀態的轉矩控制器的控制參數。

在永磁同步電機具體運行時，測溫裝置900實時測量定子繞組的溫度，根據定子繞組所處的溫度區間，來選擇切換對應的控制器，以根據不同溫度下的電機參數來對電機進行轉矩控制，提高控制性能。

由上所述，本發明的基於參數檢測的永磁同步電機轉矩PI調控方法，通過在不同定子繞組溫度下，對永磁同步電機的參數進行定量識別，獲得了對電機轉矩控制時的電磁轉矩參數K和等效轉矩慣量參數Ai，為永磁同步電機的控制設計和調試節省了精力和時間，提高了對永磁同步電機在不同定子繞組溫度下的控制性能，而且使得永磁同步電機獲得了良好的靜態性能和動態性能，實現了對永磁同步電機的精確控制；同時，實現了轉矩的自動調整，且系統在調試時，由於PI控制器的參數是根據永磁同步電機參數進行調整的，所以PI控制器參數可以有的放矢進行調整，做到心中有數，遏制了PI控制器參數調整的盲目性，節省了時間和精力，並能取得良好的轉矩控制效果，提高了永磁同步電機轉矩的控制精度。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。