CN103872959A - 一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法。它为内环采用电流闭环控制、外环结合电压闭环弱磁控制，尤为使用实际电压作为电压反馈，并增加电压误差前馈控制的方法，即根据电流幅值指令i_sref分别获得用于电流闭环控制的转矩电流指令i_qref和第一个励磁电流指令i_dref1，使其于基速以下按最大转矩电流比控制，根据定子电压闭环控制获得第二个励磁电流指令i_dref2，使其于基速以上实现弱磁控制，根据电压误差值Δu设计前馈定向角度Δθ控制来提高弱磁控制的动态响应，大大地提高了弱磁控制的精度和弱磁区电流的动态响应速度；从而将基速以下和以上的控制有机地融为一体，形成了一种大输出转矩和高速运行统筹兼顾的控制方法。它可广泛地用于电动汽车的驱动控制。

Description

一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及一种同步电机的弱磁控制方法，尤其是用于电动汽车的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法。

背景技术

随着石油、天然气等不可再生能源的枯竭，新能源技术得到了蓬勃的发展。采用新能源代替传统的化石燃料进行驱动的电动汽车，是未来汽车工业的主流发展方向。永磁同步电机因其效率高、可靠性好等诸多优点而被越来越多地用在了电动汽车的驱动中。实践中，为满足电动汽车低速爬坡的要求，电机控制需要实现低速大转矩控制；同时，为满足电动汽车的高速运行，电机控制还需要实现高速弱磁控制。已有的研究表明，最大转矩电流比控制在基速以下时，可充分地利用电流产生更大的输出转矩，故已被广泛应用；弱磁控制则允许电机运行于基速以上，以满足电动汽车高速运行的要求。由此，人们为实现对永磁同步电机高速弱磁控制做出了不懈的努力，如中国发明专利申请公布说明书CN101626216A于2010年1月13日公开的一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法。该公布说明书中提及的控制方法为基于电压闭环，采用矢量控制的参考电压作为反馈来实现弱磁。然而，这种控制方法存在着不足之处，首先，由于受逆变器死区等非线性特性的影响，参考电压不等于实际电压，从而降低了电压闭环弱磁的控制精度；其次，没有考虑到弱磁区电流的动态响应问题，使控制的效果大打折扣。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种基于电压闭环，以实际电压作为电压反馈，并引入电压误差前馈控制的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法采用电压闭环控制法，特别是主要步骤如下：

步骤1，先根据电流幅值指令i_sref分别获得第一个励磁电流指令i_dref1和用于电流闭环控制的转矩电流指令i_qref，再采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β；

步骤2、先根据定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β计算得到实际电压的幅值

再根据定子电压指令U_sref和实际电压的幅值U_s，求得电压误差值Δu=U_sref-U_s；

步骤3、先根据电压误差值Δu，经过比例积分调节器得到第二个励磁电流指令

式中的k_p为比例系数、k_i为积分系数、s为拉普拉斯算子，k_p和k_i由试凑的方法得到，再对第二个励磁电流指令i_dref2进行限幅，其最大值为零、最小值为允许的最小弱磁电流i_dlim，i_dlim取为

其中，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感；

步骤4、先根据第一个励磁电流指令i_dref1和第二个励磁电流指令i_dref2，得到用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref＝i_dref1＋i_dref2，再根据第二个励磁电流指令i_dref2和电压误差值Δu计算前馈定向角度Δθ，其计算方法为：当i_dref2等于零时，前馈定向角度Δθ为零，当i_dref2小于零时，前馈定向角度Δθ满足Δθ＝mΔu，其中，m为一个正的系数，由试凑的方法得到；

步骤5、将实测的转子位置角度θ₀减去前馈定向角度Δθ，得到用于矢量定向控制的实际定向角度θ。

作为增强型永磁同步电机的弱磁控制方法的进一步改进：

优选地，第一个励磁电流指令i_dref1和转矩电流指令i_qref由下式获得：

$i_{\mathrm{dref}1}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{i}_{\mathrm{sref}}^2}}{2(L_q-L_d)},$

$i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{i_{\mathrm{sref}}^2-i_{\mathrm{dref}1}^2},$

式中的ψ_f为永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感；利于获得精准的结果。

优选地，采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β的步骤如下：

（1）如下式计算定子相电压 $u_A,u_B,u_C,\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.,$

式中的u_ab、u_bc为两个定子线电压，u_A、u_B、u_C为定子三相相电压；

（2）定子三相相电压u_A、u_B、u_C经过下式坐标变换得到u_α、u_β， $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right];$ 利于获得精准的结果。

优选地，先采样定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并根据实际定向角度θ进行坐标变换，得到反馈的电流i_d、i_q，再根据转矩电流指令i_qref和用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref以及反馈的电流i_d、i_q，构成电流闭环控制，输出PWM波控制永磁同步电机运行；利于有效地进行弱磁控制。

相对于现有技术的有益效果是：

内环采用电流闭环控制、外环结合电压闭环弱磁控制，尤为通过采用实际电压作为电压反馈，并增加电压误差前馈控制的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法，大大地提高了弱磁控制的精度和弱磁区电流的动态响应速度。其不仅由于根据电流幅值指令i_sref而分别获得了用于电流闭环控制的转矩电流指令i_qref和第一个励磁电流指令i_dref1，使其具备了基速以下的最大转矩电流比控制；还因根据定子电压闭环控制获得了第二个励磁电流指令i_dref2，使其具有了基速以上的弱磁控制；更由于根据电压误差值Δu设计了前馈定向角度Δθ控制来提高弱磁控制的动态响应，将基速以下的控制和基速以上的控制有机地融为了一体，从而形成了一种大输出转矩和高速运行统筹兼顾的永磁同步电机的控制方法。

其中，弱磁控制的过程为，当电机转速低于额定转速时，电压闭环输出的第二个励磁电流指令i_dref2为零，当电机转速高于额定转速时，电压闭环输出的第二个励磁电流指令i_dref2小于零，实现了弱磁控制。当实际电压的幅值U_s等于电压指令U_sref时，第二个励磁电流指令i_dref2达到一个稳定的值。当电机运行于弱磁区时，第二个励磁电流指令i_dref2小于零，此时如果负载突增，将导致实际电压的幅值U_s大于电压指令U_sref，此时通过前馈定向角度Δθ控制，加快弱磁控制的动态响应，迅速控制实际电压的幅值U_s等于电压指令U_sref。当实际电压的幅值U_s等于电压指令U_sref时，电压误差值Δu等于零，从而前馈定向角度Δθ等于零，即暂态时前馈定向角度Δθ起作用以提高弱磁控制的动态响应。稳态时，前馈定向角度Δθ不作用，从而不影响系统的稳态运行。通过本方法的控制，有效地提高了弱磁区电流的动态响应，抑制了定子电压的暂态超调。经仿真实测，电压的暂态超调得到了抑制，极有助于保护电机的绝缘，提高其使用寿命。

这种大输出转矩和高速运行兼顾的增强型永磁同步电机的弱磁控制方法极易于广泛地应用于电动汽车于不同路况下的电机转速控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1为弱磁区电流矢量轨迹图。由其可知，当电机转速高于额定转速时，受逆变器所允许的输出电压的限制，必须采用弱磁控制方法对定子电压进行限制。由于电压被限制，在弱磁区的电流的动态响应很慢。图1中给出了在电压限制椭圆和电流限制圆下的弱磁电流矢量轨迹图：在低于额定转速时，采用最大转矩电流比控制，如公式

和

所示，式中的ψ_f为永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感，这时电流轨迹为曲线OA。当电机转速高于额定转速时，电流轨迹由电压限制椭圆、电流限制圆和负载转矩共同确定。如图1所示，当负载转矩为T_e1时，电流矢量为线段OB，当负载转矩由T_e1突增为T_e2时，电流矢量由线段OB变为线段OC，但是由于电压受到限制，电流突变的动态响应很慢，这时电压超调很大，持续时间很长，可能会损坏电机绝缘，降低电机的使用寿命。由图1可以看到，当负载突增时，电流矢量逆时针向左转动，相反，当负载突减时，电流矢量顺时针向右转动。因此，可以根据电压误差直接旋转电流矢量的角度，从而加快负载突变时的动态响应。

图2为本发明的系统框图。

图3为相同条件下不加前馈定向角度Δθ控制的传统电压闭环弱磁控制方法的转矩电流i_q动态响应和本发明的转矩电流i_q动态响应对比的仿真结果图之一。由其对比仿真结果可见，本发明明显地提高了弱磁控制的动态响应能力。

图4为相同条件下传统方法和本发明的电压动态响应的对比仿真结果图之一。由其可知，采用本发明后电压的暂态超调得到抑制，这极有助于保护电机绝缘，提高电机使用寿命。

具体实施方式

参见图1、图2、图3和图4，一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法如下：

步骤1，先根据电流幅值指令i_sref分别获得第一个励磁电流指令i_dref1和用于电流闭环控制的转矩电流指令i_qref；其中，第一个励磁电流指令i_dref1和转矩电流指令i_qref由下式获得：

$i_{\mathrm{dref}1}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{i}_{\mathrm{sref}}^2}}{2(L_q-L_d)},$

$i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{i_{\mathrm{sref}}^2-i_{\mathrm{dref}1}^2},$

式中的ψ_f为永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感。再采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β；其中，采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β的步骤如下：

（1）如下式计算定子相电压 $u_A,u_B,u_C,\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.,$

式中的u_ab、u_bc为两个定子线电压，u_A、u_B、u_C为定子三相相电压；

（2）定子三相相电压u_A、u_B、u_C经过下式坐标变换得到u_α、u_β， $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].$

步骤2、先根据定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β计算得到实际电压的幅值

再根据定子电压指令U_sref和实际电压的幅值U_s，求得电压误差值Δu=U_sref-U_s。

步骤3、先根据电压误差值Δu，经过比例积分调节器得到第二个励磁电流指令

式中的k_p为比例系数、k_i为积分系数、s为拉普拉斯算子，k_p和k_i由试凑的方法得到。再对第二个励磁电流指令i_dref2进行限幅；其最大值为零、最小值为允许的最小弱磁电流i_dlim，i_dlim取为

其中，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感。

步骤4、先根据第一个励磁电流指令i_dref1和第二个励磁电流指令i_dref2，得到用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref＝i_dref1＋i_dref2。再根据第二个励磁电流指令i_dref2和电压误差值Δu计算前馈定向角度Δθ；其计算方法为：当i_dref2等于零时，前馈定向角度Δθ为零，当i_dref2小于零时，前馈定向角度Δθ满足Δθ＝mΔu，其中，m为一个正的系数，由试凑的方法得到。

步骤5、将实测的转子位置角度θ₀减去前馈定向角度Δθ，得到用于矢量定向控制的实际定向角度θ。

步骤6，先采样定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并根据实际定向角度θ进行坐标变换，得到反馈的电流i_d、i_q，再根据转矩电流指令i_qref和用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref以及反馈的电流i_d、i_q，构成电流闭环控制，输出PWM波控制永磁同步电机运行。

为了验证本发明的有效性，对本发明进行了仿真验证。仿真所用电机的定子电阻为0.03欧、d轴电感为0.013H、q轴电感为0.025H、永磁体磁链为1.16Wb、额定转速为1000r/min、电压闭环指令U_sref设定为380V、允许的最小弱磁电流i_dlim设定为-89A、前馈定向角度Δθ控制所需的前馈系数m取为0.03，控制电机运行于1500r/min，给定电流幅值指令i_sref为5A，在0.6s时，电流幅值指令i_sref突增为20A。仿真时，试凑得到的k_p为1，k_i为30，得到了如图3和图4中的曲线所示的结果。

Claims (4)

1.一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法，采用电压闭环控制法，其特征在于主要步骤如下：

步骤1，先根据电流幅值指令i_sref分别获得第一个励磁电流指令i_dref1和用于电流闭环控制的转矩电流指令i_qref，再采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β；

步骤2、先根据定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β计算得到实际电压的幅值

再根据定子电压指令U_sref和实际电压的幅值U_s，求得电压误差值Δu=U_sref-U_s；

步骤3、先根据电压误差值Δu，经过比例积分调节器得到第二个励磁电流指令

式中的k_p为比例系数、k_i为积分系数、s为拉普拉斯算子，k_p和k_i由试凑的方法得到，再对第二个励磁电流指令i_dref2进行限幅，其最大值为零、最小值为允许的最小弱磁电流i_dlim，i_dlim取为

其中，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感；

步骤4、先根据第一个励磁电流指令i_dref1和第二个励磁电流指令i_dref2，得到用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref＝i_dref1＋i_dref2，再根据第二个励磁电流指令i_dref2和电压误差值Δu计算前馈定向角度Δθ，其计算方法为：当i_dref2等于零时，前馈定向角度Δθ为零，当i_dref2小于零时，前馈定向角度Δθ满足Δθ＝mΔu，其中，m为一个正的系数，由试凑的方法得到；

步骤5、将实测的转子位置角度θ₀减去前馈定向角度Δθ，得到用于矢量定向控制的实际定向角度θ。

2.根据权利要求1所述的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征是第一个励磁电流指令i_dref1和转矩电流指令i_qref由下式获得：

$i_{\mathrm{dref}1}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{i}_{\mathrm{sref}}^2}}{2(L_q-L_d)},$

$i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{i_{\mathrm{sref}}^2-i_{\mathrm{dref}1}^2},$

式中的ψ_f为永磁体磁链、L_d为d轴电感、L_q为q轴电感。

3.根据权利要求1所述的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征是采样定子线电压u_ab、u_bc，计算定子电压在静止α-β坐标系上的分量u_α、u_β的步骤如下：

（1）如下式计算定子相电压 $u_A,u_B,u_C,\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.,$

式中的u_ab、u_bc为两个定子线电压，u_A、u_B、u_C为定子三相相电压；

（2）定子三相相电压u_A、u_B、u_C经过下式坐标变换得到u_α、u_β，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的一种增强型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征是先采样定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并根据实际定向角度θ进行坐标变换，得到反馈的电流i_d、i_q，再根据转矩电流指令i_qref和用于电流闭环控制的励磁电流指令i_dref以及反馈的电流i_d、i_q，构成电流闭环控制，输出PWM波控制永磁同步电机运行。

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