本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于電流角控制的永磁同步電機(jī)改進(jìn)型mtpa控制方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率密度大、轉(zhuǎn)矩密度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和可再生能源領(lǐng)域。特別是在電動(dòng)汽車中，由于其低能耗、高加速性能和提供更長(zhǎng)距離的能力，它已成為一種常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低速和爬坡時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速范圍，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的表現(xiàn)特征為電感不對(duì)稱，與表貼式永磁同步電機(jī)相比，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)除了包含一樣的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩外，還包含有磁阻轉(zhuǎn)矩，更適合于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。電磁轉(zhuǎn)矩與d軸電流有關(guān)，磁阻轉(zhuǎn)矩與d、q軸電流都有關(guān)，采用零直軸控制會(huì)強(qiáng)制使磁阻轉(zhuǎn)矩等于零，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩降低，而最大轉(zhuǎn)矩電流比(maximum?torqueper?ampere，mtpa)控制能夠合理分配d、q軸電流，使得內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在定子電流幅值恒定時(shí)輸出最大的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(mtpa)作為一種先進(jìn)的控制技術(shù)，而得到廣泛應(yīng)用，確保電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中銅耗最小，從而使系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率得到提升。

2、ipmsm在實(shí)際運(yùn)行中，參數(shù)將隨溫度、磁飽和等工況發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)mtpa控制工作點(diǎn)將發(fā)生偏移，使得難以實(shí)現(xiàn)mtpa軌跡實(shí)時(shí)跟蹤。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研究出了很多具有參數(shù)魯棒性的mtpa控制方案，可以分為離線和在線兩類。對(duì)于離線方案，查表法是根據(jù)離線實(shí)驗(yàn)或有限元分析模擬得到的，該方法既簡(jiǎn)單又具有魯棒性，但是方法耗時(shí)且占據(jù)大量硬件資源。在線方案中高頻信號(hào)注入式mtpa控制根據(jù)高頻信號(hào)響應(yīng)而計(jì)算出優(yōu)化的mtpa角度。從ipmsm數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出高頻速度諧波與電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，利用所引入的速度諧波的相位角來(lái)代替現(xiàn)有mtpa方程中的電機(jī)參數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的非線性具有較強(qiáng)的魯棒性。然而，在實(shí)際電流中注入高頻信號(hào)，會(huì)引入高頻電流諧波，導(dǎo)致額外損耗及轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)，且收斂性能和動(dòng)態(tài)性能較差。虛擬信號(hào)注入法向電機(jī)中注入假定的高頻信號(hào)，根據(jù)ipmsm的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出含有高頻信息的虛擬高頻響應(yīng)，通過(guò)對(duì)虛擬高頻響應(yīng)進(jìn)行解調(diào)制提取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)mtpa控制，該方法不需要實(shí)際注入信號(hào)，但存在直軸電感參數(shù)影響電磁轉(zhuǎn)矩方程精度的問(wèn)題。搜索法通過(guò)不斷改變電流矢量角的大小和相位，依次比較定子電流幅值的變化情況，使mtpa控制達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。但是該控制方法每次調(diào)整都需要進(jìn)行比較，導(dǎo)致收斂時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)工況變化較大時(shí)可能引起控制系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于電流角控制的永磁同步電機(jī)改進(jìn)型mtpa控制方法，提高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的抗擾和控制精度，降低電機(jī)參數(shù)變化帶來(lái)的影響，提升系統(tǒng)魯棒性，且具有良好的暫態(tài)響應(yīng)和負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明公開(kāi)了一種基于電流角控制的永磁同步電機(jī)改進(jìn)型mtpa控制方法，包括以下步驟：

3、步驟1：建立機(jī)械角速度誤差e，根據(jù)pmsm的動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器將轉(zhuǎn)速環(huán)中的機(jī)械角速度ωm與定子電流is聯(lián)系起來(lái)；

4、步驟2：利用極值原理，確定mtpa傳統(tǒng)工作點(diǎn)中對(duì)應(yīng)的超前角θmtpa，將步驟1中定子電流is輸入給mtpa控制的基本模塊，使得電磁轉(zhuǎn)矩te最大時(shí)，定子電流is最小，降低銅損耗；

5、步驟3：檢測(cè)d-q軸電壓ud、uq和d-q軸電流id、iq以用來(lái)得到輸出機(jī)械功率pmech，并確定pmech與高頻變化角δθadv有關(guān)，利用帶通濾波器獲取高頻分量po；

6、步驟4：根據(jù)步驟3中控制高頻分量po為零能夠?qū)崿F(xiàn)新的mtpa控制，得到新的mtpa工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流角θγ；

7、步驟5：在步驟4建立的理論基礎(chǔ)之上，將第k個(gè)采樣間隔內(nèi)的輸出機(jī)械功率po(k)和第k個(gè)采樣間隔內(nèi)的電流矢量變化量δis(k)輸入遞歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出高頻變化角δθadv；

8、步驟6：根據(jù)步驟5新的mtpa工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流角為θγ＝θadv+δθadv，其中θadv＝θmtpa，θadv為未加高頻角的超前角，θmtpa為mtpa控制的超前角，將新的mtpa工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流角θγ輸入到mtpa控制的基本模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)。

9、進(jìn)一步地，所述步驟1中，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器將轉(zhuǎn)速環(huán)中的機(jī)械角速度ωm與定子電流is聯(lián)系起來(lái)，具體過(guò)程為：

10、ipmsm的非受控模型用下面的動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述：

11、

12、式中：ωm為電機(jī)的機(jī)械角速度，jp為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，bp為阻尼系數(shù)，kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為控制輸入，tlp為外部負(fù)載擾動(dòng)；參數(shù)ap，kp，cp為常數(shù)，ap＜0，kp＞0，cp＜0；

13、的動(dòng)力學(xué)方程表示為：

14、

15、其中：是參考模型的輸出，是參考模型的輸入，cm是總不確定性，參數(shù)am、km和cm是已知常數(shù)且am＜0，am的值與的響應(yīng)有關(guān)；

16、自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)如下：

17、

18、其中：θ、k、c為控制器參數(shù)；

19、機(jī)械角速度誤差e如下：

20、

21、其中：ωmd為參考機(jī)械角速度；

22、跟蹤誤差動(dòng)態(tài)如下：

23、

24、其中：θ*，k*和c*是常數(shù)值，參數(shù)誤差是θ與θ*之間的差，是k與k*之間的差，而是c與c*之間的差；

25、選擇適應(yīng)律如下：

26、

27、其中，為控制器參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，γ1、γ2、γ3為非負(fù)加權(quán)系數(shù)。

28、進(jìn)一步地，所述步驟2中，mtpa控制的基本模塊設(shè)計(jì)為：

29、

30、其中：θmtpa為mtpa控制的超前角，ld、lq為永磁同步電機(jī)在d軸和q軸的等效電感，id為d軸定子電流，iq為q軸定子電流，ψf為永磁體磁鏈，is為定子電流。

31、進(jìn)一步地，所述步驟3中輸出機(jī)械功率pmech，并確定pmech與高頻變化角δθadv有關(guān)，利用帶通濾波器獲取高頻分量po的公式為：

32、

33、其中，rs為定子電阻，po控制高頻分量，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，te為電磁轉(zhuǎn)矩，θadv為未加高頻角的超前角，δθadv為高頻變化角。

34、進(jìn)一步地，所述步驟4中新的mtpa工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流角為：

35、θγ＝θadv+δθadv。

36、進(jìn)一步地，所述步驟5中，遞歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)rpwfnn輸出的高頻變化角δθadv為：

37、

38、其中：n為規(guī)則總數(shù)，表示輸出，表示規(guī)則層的第l個(gè)輸出，表示規(guī)則層和輸出層之間的可調(diào)權(quán)重；

39、rpwfnn參數(shù)的自適應(yīng)律設(shè)計(jì)如下：

40、

41、其中：為小波層的小波權(quán)值，mij和cij分別為第i個(gè)輸入，第j項(xiàng)高斯函數(shù)到該層節(jié)點(diǎn)的中心點(diǎn)和寬度。

42、有益效果：

43、本發(fā)明在轉(zhuǎn)速環(huán)利用轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制器提高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的抗擾和控制精度，利用注入假定的虛擬信號(hào)，通過(guò)對(duì)虛擬高頻響應(yīng)進(jìn)行解調(diào)制提取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)mtpa控制，避免了實(shí)際高頻注入法的額外損耗及轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)問(wèn)題，利用基于遞歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的搜索法，利用遞歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(rpwfnn)學(xué)習(xí)能力和推理能力，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自適應(yīng)律，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，定子電流誤差和輸出功率的高頻變化率時(shí)輸入變量，而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是用于誤差補(bǔ)償?shù)母哳l變化角。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的rpwfnn能夠根據(jù)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)地更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，能快速和準(zhǔn)確的搜索出傳統(tǒng)mtpa控制誤差補(bǔ)償?shù)母哳l變化角，降低電機(jī)參數(shù)變化帶來(lái)的影響，提升系統(tǒng)魯棒性，且具有良好的暫態(tài)響應(yīng)和負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)一步降低銅損耗，提高永磁同步電機(jī)效率。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

44、1.魯棒性強(qiáng)?；谶f歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搜索法通過(guò)不斷改變電流矢量角的大小和相位，依次比較定子電流幅值的變化情況，使mtpa控制達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低電機(jī)參數(shù)變化帶來(lái)的影響，提升系統(tǒng)魯棒性。

45、2.精度高。所設(shè)計(jì)的遞歸概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(rpwfnn)能夠根據(jù)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)地更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。因此，且具有良好的暫態(tài)響應(yīng)和負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)。

46、3.廣泛適用。自適應(yīng)控制是一種常用的非線性控制方法。它能通過(guò)實(shí)時(shí)地調(diào)整控制器的參數(shù)來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的變化，能夠提高控制系統(tǒng)對(duì)不確定性和變化的魯棒性，適用于不同領(lǐng)域的不同功率的永磁同步電機(jī)。

47、4.簡(jiǎn)單實(shí)用。使用實(shí)際高頻注入法會(huì)引入高頻電流諧波，導(dǎo)致額外損耗及轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)，且收斂性能和動(dòng)態(tài)性能較差，采用搜索法和虛擬信號(hào)注入法結(jié)合避免了該類問(wèn)題。