CN103916058A

CN103916058A - 一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统

Info

Publication number: CN103916058A
Application number: CN201410087639.8A
Authority: CN
Inventors: 陈坤华; 孙玉坤; 李天博; 项倩雯
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103916058B

Abstract

本发明公开了一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，属于电机技术领域。本发明包括内嵌式永磁同步电机、线性弱磁控制器、逆变器和转速检测模块，线性弱磁控制器设有线性弱磁控制一区、线性弱磁控制二区和线性弱磁控制三区；转速检测模块检测内嵌式永磁同步电机的转速，并送入线性弱磁控制器，线性弱磁控制器根据目标转速选择上述的线性弱磁控制区域，线性弱磁控制器根据线性弱磁控制区域输出的电流控制信号控制逆变器对输出的电流控制信号进行功率放大，驱动内嵌式永磁同步电机旋转。本发明系统简单、控制快速、可靠性高，低速时恒转矩输出，高速时恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽，在电动汽车等领域具有良好的应用前景。

Description

一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统，更具体地说，涉及一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统。

背景技术

内嵌式永磁同步电机具有功率密度大，气隙磁路小，适于高速运行等特点，该类电机可以利用磁阻转矩分量来改善调速性能、提高电机效率，在电动汽车等要求较高调速驱动系统中的应用越来越广泛。普通永磁同步电机在基速以上运行时，其反电势与转速成正比，随着电机转速增大而增大，而受电压极限圆的限制以及电流极限圆的限制，会制约其速度范围进一步拓宽。常规的弱磁控制方法虽然能够减弱磁场，增大电机恒功率运行范围，但是其工作点直轴电流和交轴电流相互耦合，难以进行有效解耦运算，导致实际电流无法跟踪给定电流，使电流调节器迅速饱和，电流失控，而且在恒压频比控制方式下无法实现弱磁控制，因此大大限制了永磁同步电机调速系统在宽调速应用领域的使用。

中国专利号ZL200710072187.6，授权公告日为2009年6月17日，发明创造名称为：基于交流电流直接控制的永磁铁同步电机弱磁控制系统，该申请案涉及一种基于交流电流直接控制的永磁铁同步电机弱磁控制系统，为了解决传统的永磁同步电机的控制方式复杂、弱磁控制速度范围小、在恒压频比控制方式下无法实现弱磁控制的问题。该申请案的永磁同步电机的定子上有两套绕组，即功率绕组和弱磁控制绕组，功率绕组和弱磁控制绕组的绕组形式相同，功率绕组连接功率绕组逆变器的输出端，弱磁控制绕组连接弱磁控制绕组逆变器的输出端。该申请案在一定程度上解决了传统的永磁同步电机的控制方式复杂、弱磁控制速度范围小、在恒压频比控制方式下无法实现弱磁控制的问题，但该申请案需要对永磁同步电机定子上的绕组进行改进，很难适用于现有结构的永磁同步电机的控制，且对永磁同步电机进行的改进，势必会使成本增加。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服传统的永磁同步电机弱磁控制工作点直轴电流和交轴电流难以有效解耦、电流容易失控、恒压频比控制又无法实现弱磁控制的不足，提供一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，采用本发明的技术方案，通过内嵌式永磁同步电机弱磁控制区域的分段线性化，能够实现工作点直轴电流和交轴电流的线性控制，避免了工作点直轴电流和交轴电流的耦合，具有系统简单、控制快速、可靠性高，在低速时能实现恒转矩输出，高速时能恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽等特点，在电动汽车等领域具有良好的应用前景。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，包括内嵌式永磁同步电机，还包括线性弱磁控制器、逆变器和转速检测模块，

所述的线性弱磁控制器设有线性弱磁控制一区、线性弱磁控制二区和线性弱磁控制三区三个控制区域；所述的线性弱磁控制一区为O点到A点所构成的线段；所述的线性弱磁控制二区为A点到B点所构成的线段；所述的线性弱磁控制三区为B点到C点所构成的线段；其中，O点为i_d-i_q坐标系的坐标原点；A点为最大转矩输出点；B点为由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流的直线与电流极限圆交点；C点为电压极限椭圆中心点；

所述的转速检测模块检测内嵌式永磁同步电机的转速，并将该转速送入线性弱磁控制器，所述的线性弱磁控制器根据内嵌式永磁同步电机的目标转速选择上述的线性弱磁控制区域，所述的线性弱磁控制器根据选定的线性弱磁控制区域输出的电流控制信号控制逆变器，所述的逆变器将线性弱磁控制器输出的电流控制信号进行功率放大，驱动内嵌式永磁同步电机旋转。

更进一步地，所述的线性弱磁控制一区为恒转矩线性控制区域，其转速控制范围为零到A点的转速；其中，A点的转速为：

ω_{r 1} = \frac{u_{\lim}}{\sqrt{{(L_{q} i_{\lim})}^{2} + ψ_{f}^{2} + \frac{(L_{d} + L_{q}) C^{2} + 8 ψ_{f} L_{d} C}{16 (L_{d} - L_{q})}}};

式中，u_lim为电压极限值，i_lim为电流极限值，Ψ_f为永磁磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感。

更进一步地，所述的线性弱磁控制二区为恒功率转折线性控制区域，其转速控制范围为A点的转速到B点的转速；其中，B点的转速为：

更进一步地，所述的线性弱磁控制三区为恒功率恒直轴电流控制区域（直轴电流小于零），转速控制范围为B点的转速到内嵌式永磁同步电机的最高转速。

更进一步地，所述的A点为最大转矩电流比曲线与电流极限圆的交点。

更进一步地，所述的逆变器的输出为正弦波或脉宽调制正弦波。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

本发明的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，通过内嵌式永磁同步电机弱磁控制区域的分段线性化，能够实现工作点直轴电流和交轴电流的线性控制，避免了工作点直轴电流和交轴电流的耦合，具有系统简单、控制快速、可靠性高，在低速时能实现恒转矩输出，高速时能恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽等特点，在电动汽车等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统的系统框图；

图2为本发明中的线性弱磁控制区域的划分原理图。

示意图中的标号说明：

1、内嵌式永磁同步电机；2、线性弱磁控制器；3、逆变器；4、转速检测模块；2-1、线性弱磁控制一区；2-2、线性弱磁控制二区；2-3、线性弱磁控制三区；O点：坐标原点；A点：最大转矩输出点；B点：由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流的直线与电流极限圆交点；C点：电压极限椭圆中心点。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

图1为本发明的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统的系统框图。如图所示，本发明包括内嵌式永磁同步电机1、线性弱磁控制器2、逆变器3和转速检测模块4，其中，线性弱磁控制器2设有线性弱磁控制一区2-1、线性弱磁控制二区2-2和线性弱磁控制三区2-3三个控制区域。转速检测模块4检测内嵌式永磁同步电机1的转速，并将该转速送入线性弱磁控制器2，线性弱磁控制器2根据内嵌式永磁同步电机1的目标转速选择上述的线性弱磁控制区域，线性弱磁控制器2根据选定的线性弱磁控制区域输出的电流控制信号控制逆变器3，逆变器3将线性弱磁控制器2输出的电流控制信号进行功率放大，驱动内嵌式永磁同步电机1旋转。

图2为本发明中的线性弱磁控制区域的划分原理图。图中，横坐标i_d表示直轴电流；纵坐标i_q表示交轴电流；O点表示i_d-i_q坐标系的坐标原点；A点表示最大转矩输出点；B点表示由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流i_d的直线与电流极限圆的交点；C点表示电压极限椭圆中心点。线性弱磁控制一区2-1为OA线段；线性弱磁控制二区2-2为AB线段；线性弱磁控制三区2-3为BC线段。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，包括内嵌式永磁同步电机1、线性弱磁控制器2、逆变器3和转速检测模块4，线性弱磁控制器2设有线性弱磁控制一区2-1、线性弱磁控制二区2-2和线性弱磁控制三区2-3三个控制区域；线性弱磁控制一区2-1为O点到A点所构成的线段；线性弱磁控制二区2-2为A点到B点所构成的线段；线性弱磁控制三区2-3为B点到C点所构成的线段；其中，O点为i_d-i_q坐标系的坐标原点；A点为最大转矩输出点；B点为由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流的直线与电流极限圆交点；C点为电压极限椭圆中心点。本实施例中的线性弱磁控制一区2-1为恒转矩线性控制区域，其转速控制范围为零到A点的转速，其中，A点的转速为：

ω_{r 1} = \frac{u_{\lim}}{\sqrt{{(L_{q} i_{\lim})}^{2} + ψ_{f}^{2} + \frac{(L_{d} + L_{q}) C^{2} + 8 ψ_{f} L_{d} C}{16 (L_{d} - L_{q})}}};

线性弱磁控制二区2-2为恒功率转折线性控制区域，其转速控制范围为A点的转速到B点的转速，其中，B点的转速为：式中，u_lim为电压极限值，i_lim为电流极限值，Ψ_f为永磁磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感；线性弱磁控制三区2-3为恒功率恒直轴电流控制区域（直轴电流小于零），转速控制范围为B点的转速到内嵌式永磁同步电机1的最高转速。A点的转速和B点的转速分别为内嵌式永磁同步电机1转速的第一转折点和第二转折点。

本实施例中的转速检测模块4检测内嵌式永磁同步电机1的转速，并将该转速送入线性弱磁控制器2，线性弱磁控制器2根据内嵌式永磁同步电机1的目标转速选择上述的线性弱磁控制区域，线性弱磁控制器2根据选定的线性弱磁控制区域输出的电流控制信号控制逆变器3，逆变器3将线性弱磁控制器2输出的电流控制信号进行功率放大，驱动内嵌式永磁同步电机1旋转。

具体在本实施例中，最大转矩输出点A点为最大转矩电流比曲线与电流极限圆的交点。逆变器3的输出为正弦波。

实施例2

本实施例的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统的连接关系和组成基本同实施例1，不同之处在于：本实施例中的逆变器3的输出为脉宽调制正弦波。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，包括内嵌式永磁同步电机（1），其特征在于：还包括线性弱磁控制器（2）、逆变器（3）和转速检测模块（4），

所述的线性弱磁控制器（2）设有线性弱磁控制一区（2-1）、线性弱磁控制二区（2-2）和线性弱磁控制三区（2-3）三个控制区域；所述的线性弱磁控制一区（2-1）为O点到A点所构成的线段；所述的线性弱磁控制二区（2-2）为A点到B点所构成的线段；所述的线性弱磁控制三区（2-3）为B点到C点所构成的线段；其中，O点为i_d-i_q坐标系的坐标原点；A点为最大转矩输出点；B点为由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流的直线与电流极限圆交点；C点为电压极限椭圆中心点；

所述的转速检测模块（4）检测内嵌式永磁同步电机（1）的转速，并将该转速送入线性弱磁控制器（2），所述的线性弱磁控制器（2）根据内嵌式永磁同步电机（1）的目标转速选择上述的线性弱磁控制区域，所述的线性弱磁控制器（2）根据选定的线性弱磁控制区域输出的电流控制信号控制逆变器（3），所述的逆变器（3）将线性弱磁控制器（2）输出的电流控制信号进行功率放大，驱动内嵌式永磁同步电机（1）旋转。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，其特征在于：所述的线性弱磁控制一区（2-1）为恒转矩线性控制区域，其转速控制范围为零到A点的转速；其中，A点的转速为：

ω_{r 1} = \frac{u_{\lim}}{\sqrt{{(L_{q} i_{\lim})}^{2} + ψ_{f}^{2} + \frac{(L_{d} + L_{q}) C^{2} + 8 ψ_{f} L_{d} C}{16 (L_{d} - L_{q})}}};

3.根据权利要求2所述的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，其特征在于：所述的线性弱磁控制二区（2-2）为恒功率转折线性控制区域，其转速控制范围为A点的转速到B点的转速；其中，B点的转速为：

4.根据权利要求3所述的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，其特征在于：所述的线性弱磁控制三区（2-3）为恒功率恒直轴电流控制区域（直轴电流小于零），转速控制范围为B点的转速到内嵌式永磁同步电机（1）的最高转速。

5.根据权利要求4所述的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，其特征在于：所述的A点为最大转矩电流比曲线与电流极限圆的交点。

6.根据权利要求5所述的一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，其特征在于：所述的逆变器（3）的输出为正弦波或脉宽调制正弦波。