CN105634358B - 永磁同步电机的弱磁控制方法和驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的弱磁控制方法，所述弱磁控制方法包括以下步骤：根据永磁同步电机矢量控制的输出电压矢量计算期望输出电压幅值，通过控制器对所述电压幅值设定电压限幅阈值；所述的期望输出电压经过脉宽调制算法后可得到实际输出电压幅值；根据所述的期望输出电压幅值、实际输出电压幅值和电压限幅阈值进行闭环调节得到初次弱磁电流；对所述的初次弱磁电流限幅得到弱磁电流。本发明还公开了一种实现永磁同步电机的弱磁控制方法的驱动控制装置，包括：驱动电路和控制模块，所述控制模块产生驱动信号以控制驱动电路，驱动电路包括六个功率开关管，所述六个功率开关管构成三相桥臂。本发明具有提高了弱磁控制的响应速度等优点。

Description

永磁同步电机的弱磁控制方法和驱动控制装置

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术，特别涉及一种永磁同步电机的弱磁控制方法和驱动控制装置。

背景技术

永磁同步电机以其控制性能好、功率密度高、节能等特点，已经在各行各业中得到广泛应用。其中，在很多应用场合中，要求永磁同步电机运行在高频范围，继而运行在弱磁区间，比如基于永磁同步电机的变频压缩机、基于永磁同步电机的风机等。

经典的弱磁控制方法，将输出电压矢量幅值与设定输出电压阈值比较，当超过阈值时增大弱磁电流(即矢量控制中d轴负方向电流)，反之减小弱磁电流。调节过程通常采用纯积分控制器或者比例积分控制器，即对输出电压矢量幅值与设定输出电压阈值的差值进行纯积分控制或者比例积分控制来调节弱磁电流。

在运行频率给定要求快速上升或者输入电压暂降的情况下，直流母线电压幅值不满足输出电压要求，由于永磁同步电机控制系统速度环的滞后特性，需要快速进入弱磁状态以保证矢量控制的稳定性。在输出电压受脉宽调制算法和直流母线电压限制而使得实际输出电压低于期望输出电压时，更加需要加快弱磁控制的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种永磁同步电机的弱磁控制方法，该方法对进入弱磁控制的输入电压差值进行优化，补偿上脉宽调制算法造成实际电压输出损失对弱磁控制的影响，以提高弱磁控制的响应速度。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种实现永磁同步电机的弱磁控制方法的驱动控制装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种永磁同步电机的弱磁控制方法，包括以下步骤：

当期望输出电压幅值≥电压限幅阈值时，进入弱磁状态，通过第一控制器调节以增大弱磁电流；当期望输出电压幅值＜电压限幅阈值时，退出弱磁状态，通过第一控制器调节以减小弱磁电流。

其中，期望输出电压幅值为永磁同步电机矢量控制输出的电压矢量幅值；

其中，电压限幅阈值为驱动器能够输出的最大电压幅值和电压调节裕量设定的差值，即电压限幅阈值等于最大电压幅值减去电压调节裕量；

其中，驱动器能够输出的最大电压幅值受限于直流母线电压和脉宽调制算法；可选地，采用空间矢量脉宽调制算法，驱动器在线性调制区内能够输出的最大电压幅值为直流母线电压的0.577倍。

其中，第一控制器的输入为弱磁电压差值ΔU，ΔU＝(Umax-Us)+λ(U0-Us)，其中，Umax为电压限幅阈值，Us为期望输出电压幅值，U0为实际电压输出幅值，λ为可调系数；

其中，实际输出电压为期望输出电压经过脉宽调制算法后实际输出的电压，在空间矢量脉宽调制算法中，当期望输出电压超出电压空间时会被限制在电压空间范围，从而使得实际输出电压幅值小于期望电压幅值；

其中，可调系数取值在[0,1]范围内，当可调系数取值为零时，对弱磁控制没有影响；当可调系数取值大于零时，可以加快弱磁控制的响应速度；

可选地，第一控制器采用比例-积分控制器；

可选地，第一控制器采用纯积分控制器。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种实现永磁同步电机的弱磁控制方法的驱动控制装置，包括：驱动电路，所述驱动电路包括六个功率开关管，所述六个功率开关管构成三相桥臂，所述三相桥臂中的第一桥臂具有第一节点，所述三相桥臂中的第二桥臂具有第二节点，所述三相桥臂中的第三桥臂具有第三节点，所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点对应与所述永磁同步电机的三相绕组相连，且所述六个功率开关管中的每个功率开关管反并联有二极管；控制模块，所述控制模块用于在接收到永磁同步电机三相电流进行矢量控制，输出驱动信号给六个功率开关管。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明对进入弱磁控制的输入电压差值进行优化，补偿上脉宽调制算法造成实际电压输出损失对弱磁控制的影响，以提高弱磁控制的响应速度。

附图说明

图1是永磁同步电机的控制电路拓扑。

图2是旋转坐标系与静止坐标系关系图。

图3是表贴式永磁同步电机的矢量控制框图。

图4时内嵌式永磁同步电机的矢量控制框图。

图5是经典弱磁控制模块的控制方法。

图6是本发明表贴式永磁同步电机的矢量控制框图。

图7时本发明内嵌式永磁同步电机的矢量控制框图。

图8时本发明弱磁控制模块的控制方法。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，永磁同步电机的控制电路拓扑包括控制芯片、功率开关管组成的三相桥式驱动电路、永磁同步机。其中，驱动电路具有6个IGBT，所述驱动电路反向并联有二极管，此外，电容采用电解电容C，U+、U-分别为U相上、下桥臂的电压，V+、V-分别为V相上、下桥臂的电压，W+、W-分别为W相上、下桥臂的电压。控制芯片输出压缩机驱动信号，压缩机驱动信号通过驱动电路控制压缩机的运行，通过三个电流传感器进行压缩机相电流检测。

如图2所示，为永磁同步电机矢量控制的坐标关系图，如图3所示，为表贴式永磁同步电机的无传感器矢量控制框图，如图4所示，为内嵌式永磁同步电机的无传感器矢量控制框图。本实施例中以永磁同步电机的无传感器矢量控制为例，叙述本发明提供的弱磁控制方法；在永磁同步电机的有传感器矢量控制中，本发明提供的弱磁控制并无区别。

如图3和图4所示，在永磁同步电机的矢量控制中，给定转速与估计转速经过比例积分控制器(PI)输出转矩给定在表贴式永磁同步电机中，根据转矩给定与转矩电流系数K_t计算得到转矩电流(q轴电流)的给定直轴电流(d轴电流)的给定由弱磁电流i_fwc决定。在内嵌式永磁同步电机中，根据转矩给定与转矩电流系数K_t以及弱磁电流i_fwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到交轴电流(q轴电流)给定和直轴电流(d轴电流)给定根据d轴电流给定、q轴电流给定和反馈电流i_d/i_q经过矢量控制输出电压u_d/u_q，然后经过PARK逆变换得到控制输出电压u_α/u_β，再经过空间矢量调制(SpaceVetorModulation,SVM)输出PWM波形，经过功率模块驱动永磁同步电机(PMSM)。通过电流传感器检测电机三相电流，并经过CLARKE变换得到反馈电流i_α/i_β，再经过PARK变化得到反馈电流i_d/i_q。根据输出电压u_α/u_β和反馈电流i_α/i_β以及电机参数(电机电阻R_s、直轴电感L_d和交轴电感L_q)，通过无传感器估计算法可以得到估计转速和估计电角度

经典的弱磁控制方法如图5所示，根据旋转坐标系下输出电压u_d/u_q或者静止坐标系下输出电压u_α/u_β计算输出电压幅值u_s，为：

根据驱动器能够输出的最大电压幅值和电压调节裕量u_spare设置电压限幅阈值u_max，当采用空间矢量脉宽调制算法并且驱动器只工作在线性调制区内而不进行过调制时，能够输出的最大电压幅值为直流母线电压u_dc的0.577倍，那么，u_max＝0.577u_dc-u_spare。

将电压限幅阈值u_max减去输出电压幅值u_s得到弱磁电压差值Δu，即Δu＝u_max-u_s。当Δu≤0时进入弱磁状态，反之，退出弱磁状态。对弱磁电压差值Δu进行比例-积分调节，得到的输出量再经过限幅环节得到弱磁电流i_fwc，其中限幅环节的上限为零、下限为d轴电流最小值i_{d_min}。

本发明的弱磁控制方法如图6、图7和图8所示。

根据旋转坐标系下输出电压u_d/u_q或者静止坐标系下输出电压u_α/u_β计算期望输出电压幅值u_s，u_s为：

根据空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)输出的脉宽信号和直流母线电压可以计算实际输出电压幅值u_o，u_o为：

u_o＝F(SVPWM,u_dc)。

根据驱动器能够输出的最大电压幅值和电压调节裕量设置电压限幅阈值u_max。

弱磁电压差值Δu如图8所示，将电压限幅阈值u_max减去期望输出电压幅值u_s，再加上实际输出电压幅值u_o与期望输出电压幅值u_s的差值乘以可调系数λ，即：Δu＝(u_max-u_s)+λ·(u_o-u_s)。

其中，可调系数取值范围为λ∈[0,1]，可选地λ＝0.5。

当Δu≤0时进入弱磁状态，反之，退出弱磁状态。对弱磁电压差值Δu采用第一比例-积分控制器PI进行调节，得到的输出量再经过限幅环节得到弱磁电流i_fwc，其中限幅环节的上限为零、下限为d轴电流最小值i_{d_min}。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例2

本实施例除以下内容之外，同实施例1：

驱动电路具有6个MOSFET，压缩机驱动信号通过驱动电路控制压缩机的运行，通过两个电流传感器进行压缩机相电流检测。

实施例3

本实施例除以下内容之外，同实施例1：

驱动电路采用智能功率模块IPM。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据永磁同步电机矢量控制的输出电压矢量计算期望输出电压幅值，通过控制器对所述电压幅值设定电压限幅阈值；

实际输出电压为期望输出电压经过脉宽调制算法后实际输出的电压，在空间矢量脉宽调制算法中，当期望输出电压超出电压空间时会被限制在电压空间范围，从而使得实际输出电压幅值小于期望电压幅值；

根据空间矢量脉宽调制算法SVPWM输出的脉宽信号和直流母线电压U_dc计算实际输出电压幅值U_o，U_o为：U_o＝F(SVPWM，U_dc)；

根据所述的期望输出电压幅值、实际输出电压幅值和电压限幅阈值进行闭环调节得到初次弱磁电流；

对所述的初次弱磁电流限幅得到弱磁电流；

当所述期望输出电压的幅值大于或等于电压限幅阈值时，通过所述的控制器调节以增大弱磁电流，所述的控制器采用比例-积分控制器；

当所述的期望输出电压幅值小于电压限幅阈值时，退出弱磁状态，通过所述的控制器调节以减小弱磁电流，所述的控制器采用纯积分控制器；

所述的控制器的输入为弱磁电压差值△U，△U＝(U_max-U_s)+λ(U_o-U_s)，其中，U_max为电压限幅阈值，U_s为期望输出电压幅值，U_o为实际输出电压幅值，λ为可调系数。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，所述的可调系数取值在[0,1]范围内；

当可调系数取值为零时，对弱磁控制没有影响；

当可调系数取值大于零时， 加快弱磁控制的响应速度。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，所述的电压限幅阈值为驱动器输出的最大电压幅值与电压调节裕量设定的差值。

4.如权利要求3所述的永 磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，所述的驱动器输出的最大电压幅值受限于直流母线电压和脉宽调制算法；

所述的驱动器通过脉宽调制算法在线性调制区内输出的最大电压幅值为直流母线电压的0.577倍。