CN103187919B - 一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法，该系统包括：电流反馈计算模块、电流环PI调节器模块和变换输出模块，以及超前角计算模块和转矩表查找模块。其中，超前角计算模块根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead，转矩表查找模块将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并根据超前角θ_lead和转矩值T，在转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}。本发明通过获取转矩-电流关系的转矩表，根据计算出的超前角查找转矩表，可以方便的对永磁同步电机进行弱磁调速，最大化的利用电机的转矩输出能力，避免了因转矩-电流系数变化造成的电流指令不准的问题。

Description

一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法

技术领域

本发明涉及电机驱动技术，更具体地说，涉及一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法，以及永磁同步电机转矩表的获取方法。

背景技术

随着电力电子技术、永磁材料技术的进步，永磁同步电机的性能有了很大的提升。由于永磁同步电机的气隙主磁场由永磁体产生，不同于电励磁同步电机那样可以调节，因此只有通过在定子电流中施加直轴弱磁分量来实现弱磁扩速。但是传统的弱磁方法通过PI调节器增加定子电流的直轴弱磁分量，无法考虑到由于电机本体设计的差别以及弱磁分量的增加而带来的转矩非线性变化，这样就限制了永磁同步电机在弱磁区的转矩输出能力，无法达到最佳的控制效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有永磁同步电机弱磁调速时未考虑到转矩非线性变化的缺陷，提供一种永磁同步电机转矩表的获取方法，以及基于该转矩表的永磁同步电机弱磁调速的系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种永磁同步电机弱磁调速的系统，包括：

电流反馈计算模块，用于根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}；电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ；

电流环PI调节器模块，用于对接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d，对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q；其中，所述d轴电流指令为0，所述q轴电流指令由驱动器或上级速度环根据弱磁信号产生；

超前角计算模块，用于根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead，并将超前角θ_lead和电机编码器反馈的实际电机转子角度θ相加后获得新的电角度θ_new；

转矩表查找模块，用于将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并将超前角θ_lead和转矩值T一起作为索引，在转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}，所述转矩表和电机结构相关，代表了永磁同步电机的实际转矩输出能力；

变换输出模块，用于根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_a和V_β，并根据该参考电压V_a和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机；

所述超前角计算模块包括超前角计算单元，用于根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead；、

所述超前角计算单元首先根据计算d轴和q轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与永磁同步电机的直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅，使其输出的超前角θ_lead满足：0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。

本发明还提供了一种永磁同步电机弱磁调速的方法，包括：

电流反馈计算步骤，根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}；电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ；

电流环PI调节步骤，对接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d，对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q；其中，所述d轴电流指令为0，所述q轴电流指令由驱动器或上级速度环根据弱磁信号产生；

超前角计算步骤，根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead，并将超前角θ_lead和电机编码器反馈的实际电机转子角度θ相加后获得新的电角度θ_new；

转矩表查找步骤，将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并将超前角θ_lead和转矩值T一起作为索引，在转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}，所述转矩表和电机结构相关，代表了永磁同步电机的实际转矩输出能力；

变换输出步骤，根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_a和V_β，并根据该参考电压V_a和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机；

所述超前角计算步骤具体为：首先根据计算d轴和q轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与永磁同步电机的直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅，使其输出的超前角θ_lead满足：0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。

实施本发明的永磁同步电机弱磁调速的系统、方法和转矩表的获取方法，具有以下有益效果：本发明在传统的I_d＝0矢量控制的基础上，通过获取转矩-电流关系的转矩表，增加了超前角计算操作和转矩表查找操作，根据计算出的超前角查找转矩表，可以方便的对永磁同步电机进行弱磁调速，最大化的利用电机的转矩输出能力，避免了因转矩-电流系数变化造成的电流指令不准的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为永磁同步电机的电流值和超前角的坐标关系图；

图2为根据本发明的优选实施例中永磁同步电机弱磁调速的系统的原理框图；

图3为根据本发明的优选实施例中永磁同步电机弱磁调速的系统中超前角计算的原理框图；

图4为根据本发明的优选实施例中永磁同步电机弱磁调速的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明构思了一种永磁同步电机转矩表的获取方法，并基于获得的该永磁同步电机转矩表提供一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法。

下面对永磁同步电机转矩表的获取方法进行说明。

该永磁同步电机转矩表的获取方法的原理为：将永磁同步电机堵转，给永磁同步电机施加幅值和超前角都以一定步长变化的给定定子电流，通过测功机或转矩传感器等仪器测出各个点相应的电机输出转矩，形成一张由电流幅值、超前角和转矩值构成的表格。其中，电流幅值最大不能超过电机最大允许过载电流。超前角大于等于0度电角度，小于90度电角度。本发明提出通过实验的方法提取出永磁同步电机的转矩表，这张表格真实反映了电机在各种允许定子电流状态下的转矩值-电流特性，包含了磁饱和等非线性因素，可以给驱动器提供准确的参考电流命令，有助于最大化的利用电机设计能力。

该永磁同步电机转矩表的具体获取步骤如下：

首先，将待测试的永磁同步电机堵转；例如将待测试的永磁同步电机通过连轴节连接到量程足够的测功机上，并将测功机的负载设置为最大，以保证测试过程中电机轴不会转动。并使永磁同步电机工作在转矩模式。

随后，将超前角θ_lead置为预设初始超前角，优选0度，令给定定子电流I_m从预设初始电流值以预设电流值步长逐步提高到电机的预设电流幅值，该预设初始电流值优选为1/4倍电机额定电流值，所述预设电流值步长优选为1/4倍电机额定电流值，所述预设电流幅值优选为电机的允许最大电流值，通常为2倍电机额定电流值。测量并记录超前角为0度时每个给定定子电流I_m对应的转矩值T。如图1所示，为永磁同步电机的电流值和超前角的坐标关系图。此时相当于I_d＝0的矢量控制，给定定子电流I_m全部为q轴电流值I_q，无弱磁分量。例如，将超前角θ_lead置为0度，令给定定子电流I_m从1/4倍额定电流值逐步提高到2倍电机额定电流值，步长为1/4倍额定电流值，通过测功机读出相应的转矩值并记录。

随后，将超前角θ_lead以预设超前角步长从预设初始超前角逐步提高到预设超前角幅值，通过测功机记录每个超前角θ_lead的每个给定定子电流I_m对应的转矩值T。优选地，预设初始超前角为0度，预设超前角步长为10度，预设超前角幅值为90度。例如，将超前角θ_lead置为10度，此时实际的q轴电流值I_q相当于cos(10°)×I_m，实际的d轴电流值I_d相当于-sin(10°)×I_m，同样扫描给定定子电流I_m，再记录一组数据，依次类推，直到将超前角置为90度。若以电机最大允许过载2倍额定电流值计，共测得8×9＝72组数据。

最后，根据记录的数据生成给定定子电流I_m、超前角θ_lead和转矩值T的转矩表。转矩表主要反映转矩-电流关系。在上述过程中，减小或增加预设电流值步长和预设超前角步长，可以提高或降低表格的精度，相应的测试工作量也会变化。

请参阅图2，为根据本发明的优选实施例中永磁同步电机弱磁调速的系统的原理框图。如图2所示，该永磁同步电机弱磁调速的系统包括电流反馈计算模块10、电流环PI调节器模块20、转矩表查找模块30、变换输出模块40和超前角计算模块50。该永磁同步电机设备还包括逆变器60和永磁同步电机70。

电流反馈计算模块10，与永磁同步电机70连接和超前角计算模块50连接，用于根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}，并发送给电流环PI调节器模块20。在初始周期中，电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ。在后续周期中，电角度θ_new由超前角计算模块50在上一周期计算获得。

电流环PI调节器模块20，与电流反馈计算模块10连接，接收实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}。该电流环PI调节器模块20还与驱动器或上级速度环连接，接收d轴电流指令和q轴电流指令。当永磁同步电机设备工作在转矩模式时，该q轴电流指令可以由驱动器内部根据弱磁信号给出，也可以由更上一级的速度环根据弱磁信号给出。d轴电流指令则始终保持为0。电流环PI调节器模块20将接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}做差后经电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d。该电流环PI参数可调。电流环PI调节器模块20同时对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}做差后经电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q。

超前角计算模块50的输入端与电流环PI调节器模块20相连，用于接收电流环PI调节器模块20输出的d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q，随后经过超前角计算单元计算出超前角θ_lead。请结合参阅图3，该超前角计算单元的计算过程包括：首先，首先根据计算dq轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅。如果V_ref已经大于U_dc，那么差值为正，经过比例环节后输出一个正的超前角，反之输出一个负的超前角。在输出超前角θ_lead之前进行限幅，使0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。如果临时超前角为负，则最终输出超前角θ_lead为0。为避免退磁和转矩系数过低等问题，最大超前角θ_{lead_max}可以取60度，具体幅值可以根据实际情况调节。计算得到的超前角θ_lead有两个作用，一个是和电机编码器反馈的实际电机转子角度θ相加后供矢量变换调用，另一个是发送给转矩表查找模块30和PI调节器输出的q轴参考电压一起作为索引，在转矩表中查找对应的电流值，以得到实际需要的q轴参考电压值V_q。超前角计算单元计算出超前角θ_lead通过求和器，将超前角θ_lead加上电机编码器反馈的实际电机转子角度θ，得到新的电角度θ_new，发送给电流反馈计算模块10和变换输出模块40供下个周期的矢量变换和派克变换使用。

转矩表查找模块30与电流环PI调节器模块20和超前角计算模块50相连，用于接收电流环PI调节器模块20输出的q轴电压参考值V_q，并首先将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并根据转矩值T以及超前角计算模块50在本周期计算的超前角θ_lead，在前述获取的转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，该q轴电流值I_q与定子电流I_m的关系为I_q＝cos(10°)×I_m。通过该查找获得的实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}。

变换输出模块40与转矩表查找模块30和超前角计算模块50相连，首先根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_a和V_β，该操作可以例如通过派克变换单元41实现，其中电角度θ_new采用超前角计算模块50在上个周期计算的电角度θ_new，其初始周期的初始值为电机编码器反馈的实际电机转子角度θ。随后根据该参考电压V_a和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器60产生三相电流驱动永磁同步电机70，该操作可以通过例如空间矢量脉宽调制单元42实现。

请参阅图4，为根据本发明的优选实施例中永磁同步电机弱磁调速的方法的流程图。如图4所示，该永磁同步电机弱磁调速的方法是动态周期计算过程，开始于步骤S401；

首先，在步骤S401中，执行电流反馈计算步骤，根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}。在初始周期中，电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ。在后续周期中，采用的电角度θ_new由上一周期的超前角计算步骤获得。

随后，在步骤S402中，执行电流环PI调节步骤，接收实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}，并接收驱动器或上级速度环产生的d轴电流指令和q轴电流指令。当永磁同步电机设备工作在转矩模式时，该q轴电流指令可以由驱动器内部根据弱磁信号给出，也可以由更上一级的速度环根据弱磁信号给出。d轴电流指令则始终保持为0。步骤S402中将接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}做差后经电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d。步骤S402同时对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}做差后经电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q。

随后，在步骤S403中，执行超前角计算步骤，根据步骤S403输出的d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead。如图3，该步骤S403的计算过程包括：首先，首先根据计算dq轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅。如果V_ref已经大于U_dc，那么差值为正，经过比例环节后输出一个正的超前角，反之输出一个负的超前角。在输出超前角θ_lead之前进行限幅，使0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。为避免退磁和转矩系数过低等问题，最大超前角θ_{lead_max}可以取60度，具体幅值可以根据实际情况调节。计算出的超前角θ_lead通过求和器，将超前角θ_lead加上电机编码器反馈的实际电机转子角度θ，得到新的电角度θ_new，发送给下一周期的电流反馈计算步骤和变换输出步骤分别用作矢量变换和派克变换。

随后，在步骤S404中，执行转矩表查找步骤，首先将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并根据转矩值T以及超前角计算步骤在本周期计算的超前角θ_lead，在前述获取的转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，该q轴电流值I_q与定子电流I_m的关系为I_q＝cos(10°)×I_m。通过该查找获得的实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}。

随后，在步骤S405中，执行变换输出步骤，首先根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_a和V_β，其中电角度θ_new采用上个周期的超前角计算步骤计算的电角度θ_new，其初始周期的初始值为电机编码器反馈的实际电机转子角度θ。随后，并根据该参考电压V_a和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机。

由此可见，本发明提供了基于上述转矩表和超前角控制的永磁同步电机弱磁的系统和方法。该控制方法令直流分量的参考值始终为0，省去了对定子电流中直轴弱磁分量参考命令的计算。在传统的I_d＝0矢量控制的基础上，增加了超前角计算模块和转矩表模块。超前角的引入使得控制器在做矢量变换时就实现了弱磁的效果。通过对上述转矩表的插值查找，可以将电流环PI调节器的输出转矩命令和实际电流命令一一对应起来，避免了因转矩-电流系数变化造成的电流指令不准的问题。

综上所述，本发明提供了的永磁同步电机转矩表的获取方法通过扫描的方法，测试出不同超前角、不同给定定子电流的输出转矩值，该转矩表和电机结构密切相关，非常准确的代表了永磁同步电机的实际转矩输出能力。本发明提供的基于转矩表和超前角的永磁同步电机弱磁调速的系统和方法，在传统的I_d＝0矢量控制的基础上增加了超前角计算和转矩表查找操作，根据计算出的超前角查找转矩表，可以方便的对永磁同步电机进行弱磁调速，最大化的利用电机的转矩输出能力。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机弱磁调速的系统，其特征在于，包括：

电流反馈计算模块，用于根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}；电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ；

电流环PI调节器模块，用于对接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d，对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q；其中，所述d轴电流指令为0，所述q轴电流指令由驱动器或上级速度环根据弱磁信号产生；

超前角计算模块，用于根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead，并将超前角θ_lead和电机编码器反馈的实际电机转子角度θ相加后获得新的电角度θ_new；

转矩表查找模块，用于将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并将超前角θ_lead和转矩值T一起作为索引，在转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}，所述转矩表和电机结构相关，代表了永磁同步电机的实际转矩输出能力；

变换输出模块，用于根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_α和V_β，并根据该参考电压V_α和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机；

所述超前角计算模块包括超前角计算单元，用于根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead；

所述超前角计算单元首先根据计算d轴和q轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与永磁同步电机的直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅，使其输出的超前角θ_lead满足：0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机弱磁调速的系统，其特征在于，所述超前角计算模块中用于限幅的所述最大超前角θ_{lead_max}为60度。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机弱磁调速的系统，其特征在于，所述变换输出模块进一步包括：

派克变换单元，用于根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_α和V_β；

空间矢量脉宽调制单元，用于根据所述参考电压V_α和V_β生成PWM信号。

4.一种永磁同步电机弱磁调速的方法，其特征在于，包括：

电流反馈计算步骤，根据电角度θ_new将永磁同步电机的两相电流I_a和I_b经矢量变换e^-jθ后得到实际d轴电流反馈I_{d_ref}和q轴电流反馈I_{q_ref}；电角度θ_new的初始值等于电机编码器反馈的实际电机转子角度θ；

电流环PI调节步骤，对接收的d轴电流指令和实际d轴电流反馈I_{d_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成d轴电压参考值V_d，对q轴电流指令和实际q轴电流反馈I_{q_ref}求差后的信号进行电流环PI调节后生成q轴电压参考值V_q；其中，所述d轴电流指令为0，所述q轴电流指令由驱动器或上级速度环根据弱磁信号产生；

超前角计算步骤，根据d轴电压参考值V_d和q轴电压参考值V_q计算超前角θ_lead，并将超前角θ_lead和电机编码器反馈的实际电机转子角度θ相加后获得新的电角度θ_new；

转矩表查找步骤，将q轴电压参考值V_q转变为转矩值T，并将超前角θ_lead和转矩值T一起作为索引，在转矩表中查找实际的q轴电流值I_q，转换得到实际q轴参考电压指令V_{q_real}，所述转矩表和电机结构相关，代表了永磁同步电机的实际转矩输出能力；

变换输出步骤，根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_α和V_β，并根据该参考电压V_α和V_β进行空间矢量脉宽调制变换生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机；

所述超前角计算步骤具体为：首先根据计算d轴和q轴的合成电压矢量幅值V_ref，再将V_ref与永磁同步电机的直流母线电压U_dc进行比较获取差值，并经比例环调节后，根据最大超前角θ_{lead_max}进行限幅，使其输出的超前角θ_lead满足：0≤θ_lead≤θ_{lead_max}。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机弱磁调速的方法，其特征在于，所述超前角计算步骤中用于限幅的所述最大超前角θ_{lead_max}为60度。

6.根据权利要求4所述的永磁同步电机弱磁调速的方法，其特征在于，所述变换输出步骤进一步包括：

派克变换步骤，根据实际q轴参考电压指令V_{q_real}、d轴电压参考值V_d以及电角度θ_new进行派克变换，生成参考电压V_α和V_β；

空间矢量脉宽调制步骤，根据所述参考电压V_α和V_β生成PWM信号控制逆变器驱动永磁同步电机。