CN101626216A - 一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提出一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法，该控制系统包括依次相连的扭矩输入模块、扭矩－电流查表模块、矢量控制和解耦模块、空间矢量脉宽调制和逆变器模块以及永磁同步电机，另外，永磁同步电机还反馈电流信号至矢量控制和解耦模块；该系统还包括一个弱磁控制模块，该模块接收矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压，并输出直轴去磁电流分量到矢量控制和解耦模块的直轴电流输入回路。该系统可以有效地避免由于逆变器的饱和所引起的电机控制器错误的发生，为逆变器提供较大的裕量使其远离饱和区，从而实现对永磁同步电机高速运行时的弱磁控制，使电机高速运行时的调速范围大大提高。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及到混合动力车用永磁同步电机的弱磁控制方面。
背景技术
目前，随着科技的进步和人们环保意识的增强，混合动力车的发展越来越快，永磁同步电机具有效率高、功率密度大等优点，在电力拖动系统中的应用越来越广泛。但由于永磁同步电机的磁场是固定不变的，其在基速以上运行时，不能像感应电机一样，通过调节磁场来实现调速，因此不能很好地满足电机控制的要求，从而制约了它的应用范围。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统，该系统可以有效地避免由于逆变器的饱和所引起的电机控制器错误的发生，为逆变器提供较大的裕量使其远离饱和区，从而实现对永磁同步电机高速运行时的弱磁控制，使电机高速运行时的调速范围大大提高。
本发明的基于永磁同步电机的弱磁控制系统包括扭矩输入模块、扭矩-电流查表模块、矢量控制和解耦模块、空间矢量脉宽调制和逆变器模块、弱磁控制模块以及永磁同步电机；所述扭矩-电流查表模块接收扭矩输入模块的命令并输出直轴查表电流和交轴查表电流；所述弱磁控制模块接收矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压，并输出直轴去磁电流分量；所述直轴去磁电流分量与直轴查表电流相加后再与永磁同步电机输出的直轴电流相减，其差值输入矢量控制和解耦模块；所述交轴查表电流在与永磁同步电机输出的交轴电流相减后输入矢量控制和解耦模块；所述矢量控制和解耦模块输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，矢量脉宽调制和逆变器模块与永磁同步电机相连。
上述弱磁控制系统引入了弱磁控制模块，可以根据电机的运行状况向电机施加直轴去磁电流分量，从而改变通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。
本发明的第二个目的是提出上述基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法。
该控制方法的关键在于：当永磁同步电机在低于基速运行时，弱磁控制模块不工作；当永磁同步电机在高于基速运行时，弱磁控制模块从矢量控制和解耦模块采集交轴参考电压值和直轴参考电压值作为输入信号，并输出直轴去磁电流分量到矢量控制和解耦模块的直轴电流输入回路。
具体来说：当永磁同步电机在高于基速运行时，扭矩-电流查表模块根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，并输出交轴查表电流和直轴查表电流，其中交轴查表电流与从永磁同步电机输出的交轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；弱磁控制模块输出的直轴去磁电流分量与扭矩-电流查表模块输出的直轴查表电流叠加后再与从永磁同步电机输出的直轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；矢量控制和解耦模块经过计算后输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块的变换后送到永磁同步电机。上述扭矩-电流表是根据交轴电感、直轴电感、电机极对数、永磁磁链、交直轴电流、输出扭矩计算得到的，是建立在大量的实验数据的基础上总结出来的特定扭矩下的最优的矢量控制电流值。
因为永磁同步电机在低于基速运行时无需弱磁控制模块介入调整，所以此时的控制方法为：扭矩-电流查表模块根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，输出交轴查表电流和直轴查表电流，其中交轴查表电流与从永磁同步电机输出的交轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；直轴查表电流与从永磁同步电机输出的直轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；矢量控制和解耦模块经过计算后输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块的变换后送到永磁同步电机。
上述弱磁控制模块的具体控制方式如下：弱磁控制模块根据矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压进行计算后输出直轴去磁电流分量，所述直轴参考电压和交轴参考电压越大，所输出的直轴去磁电流分量就越小。
其中，所述弱磁控制模块包括比例积分控制器和NORM运算器，所述矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压经过NORM运算器计算后输出电压矢量，所述电压矢量与调制电压相减后，其差值经过比例积分控制器的积分后输出；所述NORM运算器中的运算公式为：
其中Udref为直轴参考电压，Uqref为交轴参考电压，所述调制电压来自于供电的直流电源模块，约等于永磁同步电机的直流母线电压。
考虑到开关器件的死区时间以及电机位置角测量误差的影响等，为保证计算结果准确，所述调制电压最好略小于永磁同步电机的直流母线电压，即调制电压等于0.8～0.95倍直流母线电压。
目前的数字信号处理芯片处理速度已经大大提高，克服了以往由于芯片处理速度慢对算法复杂度的制约，因此用现有的数字信号处理芯片就可以实现上述控制算法，此处不再赘述。
本发明的基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法，通过引入弱磁控制模块和相关算法，可以有效调节永磁同步电机在基速以上运转时的定子电流，防止逆变器饱和，从而实现了对永磁同步电机高速运行时的弱磁控制。
附图说明
图1是实施例1的基于永磁同步电机的弱磁控制系统的结构图；
图2是实施例1的弱磁控制模块的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的基于永磁同步电机的弱磁控制系统包括扭矩输入模块1、扭矩-电流查表模块2、矢量控制和解耦模块3、空间矢量脉宽调制和逆变器模块4、弱磁控制模块5以及永磁同步电机6；所述扭矩-电流查表模块2接收扭矩输入模块1的命令并输出直轴查表电流Idref和交轴查表电流Iqref；所述弱磁控制模块5接收矢量控制和解耦模块3输出的直轴参考电压Udref和交轴参考电压Uqref，并输出直轴去磁电流分量IdfW；所述直轴去磁电流分量IdfW与直轴查表电流Idref相加后再与永磁同步电机6输出的直轴电流Id相减，其差值输入矢量控制和解耦模块3；所述交轴查表电流Iqref在与永磁同步电机6输出的交轴电流Iq相减后输入矢量控制和解耦模块3；所述矢量控制和解耦模块3输出直轴参考电压Udref和交轴参考电压Uqref至空间矢量脉宽调制和逆变器模块4，矢量脉宽调制和逆变器模块4与永磁同步电机6相连。
上述基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法如下：
当永磁同步电机6在低于基速运行时无需弱磁控制模块5介入调整，扭矩-电流查表模块2根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，输出交轴查表电流Iqref和直轴查表电流Idref，其中交轴查表电流Iqref与从永磁同步电机输出的交轴电流Iq相减，其差值输入至矢量控制和解耦模块3；直轴查表电流Idref与从永磁同步电机6输出的直轴电流Id相减，其差值输入至矢量控制和解耦模块3；矢量控制和解耦模块3经过计算后输出直轴参考电压Udref和交轴参考电压Uqref至空间矢量脉宽调制和逆变器模块5，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块5的变换后送到永磁同步电机6。
当永磁同步电机6在高于基速运行时，扭矩-电流查表模块2根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，并输出交轴查表电流Iqref和直轴查表电流Idref，其中交轴查表电流Iqref与从永磁同步电机6输出的交轴电流Iq相减，其差值输入至矢量控制和解耦模块3；弱磁控制模块5输出的直轴去磁电流分量IdfW与扭矩-电流查表模块2输出的直轴查表电流Idref叠加后再与从永磁同步电机6输出的直轴电流Id相减，其差值输入至矢量控制和解耦模块3；矢量控制和解耦模块3经过计算后输出直轴参考电压Udref和交轴参考电压Uqref至空间矢量脉宽调制和逆变器模块4，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块4的变换后送到永磁同步电机6。
如图2所示，上述弱磁控制模块5包括比例积分控制器51和NORM运算器52，所述矢量控制和解耦模块3输出的直轴参考电压Udref和交轴参考电压Uqref经过NORM运算器52计算后输出电压矢量，所述电压矢量与调制电压相减后，其差值经过比例积分控制器51的积分后输出；所述NORM运算器52中的运算公式为：
所述调制电压约等于永磁同步电机6的直流母线电压。
考虑到开关器件的死区时间以及电机位置角测量误差的影响等，所述调制电压最好略小于永磁同步电机6的直流母线电压，即调制电压等于0.8～0.95倍直流母线电压。
Claims (7)
1、一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于该系统包括扭矩输入模块、扭矩-电流查表模块、矢量控制和解耦模块、空间矢量脉宽调制和逆变器模块、弱磁控制模块以及永磁同步电机；所述扭矩-电流查表模块接收扭矩输入模块的命令并输出直轴查表电流和交轴查表电流；所述弱磁控制模块接收矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压，并输出直轴去磁电流分量；所述直轴去磁电流分量与直轴查表电流相加后再与永磁同步电机输出的直轴电流相减，其差值输入矢量控制和解耦模块；所述交轴查表电流在与永磁同步电机输出的交轴电流相减后输入矢量控制和解耦模块；所述矢量控制和解耦模块输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，矢量脉宽调制和逆变器模块与永磁同步电机相连。
2、一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法，其特征在于：当永磁同步电机在低于基速运行时，弱磁控制模块不工作；当永磁同步电机在高于基速运行时，弱磁控制模块从矢量控制和解耦模块采集交轴参考电压值和直轴参考电压值作为输入信号，并输出直轴去磁电流分量到矢量控制和解耦模块的直轴电流输入回路。
3、根据权利要求2所述的基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法，其特征在于：当永磁同步电机在高于基速运行时，扭矩-电流查表模块根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，并输出交轴查表电流和直轴查表电流，其中交轴查表电流与从永磁同步电机输出的交轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；弱磁控制模块输出的直轴去磁电流分量与扭矩-电流查表模块输出的直轴查表电流叠加后再与从永磁同步电机输出的直轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；矢量控制和解耦模块经过计算后输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块的变换后送到永磁同步电机。
4、根据权利要求3所述的基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法，其特征在于：当永磁同步电机在低于基速运行时，扭矩-电流查表模块根据输入的扭矩命令查扭矩-电流表，输出交轴查表电流和直轴查表电流，其中交轴查表电流与从永磁同步电机输出的交轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；直轴查表电流与从永磁同步电机输出的直轴电流相比较，其差值输入至矢量控制和解耦模块；矢量控制和解耦模块经过计算后输出直轴参考电压和交轴参考电压至空间矢量脉宽调制和逆变器模块，再经过空间矢量脉宽调制和逆变器模块的变换后送到永磁同步电机。
5、根据权利要求2或3或4所述的基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法，其特征在于：所述弱磁控制模块根据矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压进行计算后输出直轴去磁电流分量，所述直轴参考电压和交轴参考电压越大，所输出的直轴去磁电流分量就越小。
6、根据权利要求5所述的基于永磁同步电机的弱磁控制系统的控制方法，其特征在于：所述弱磁控制模块包括比例积分控制器和NORM运算器，所述矢量控制和解耦模块输出的直轴参考电压和交轴参考电压经过NORM运算器计算后输出电压矢量，所述电压矢量与调制电压相减后，其差值经过比例积分控制器的积分后输出；所述NORM运算器中的运算公式为：
，其中Udref为直轴参考电压，Uqref为交轴参考电压，所述调制电压约等于永磁向步电机的直流母线电压。
7、根据权利要求6所述的基于永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于所述调制电压略小于永磁同步电机的直流母线电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100113 |