CN106357182A - 一种永磁直流电机的弱磁控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种永磁直流电机的弱磁控制方法及装置，该弱磁控制方法包括：根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；根据电流参考矢量获取MTPA角度；将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。实施本发明的技术方案，算法环节少、调试过程简单、减小了高频噪音。

Description

一种永磁直流电机的弱磁控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种永磁直流电机的弱磁控制方法及装置。

背景技术

随着永磁材料性能的不断提高和完善，永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁同步电机向大功率化、高性能和微型化发展。由于采用永磁体提供气隙磁通，永磁同步电机均具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，在搞性能伺服控制等领域获得了广泛的应用。

对于永磁直流电机控制，由于逆变器直流侧电压达到最大值后会引起电流环控制器的饱和，为了获得较宽的调速范围，在高速运行时实现恒功率调速，需要对电动机进行弱磁控制。当电机端电压达到最大电压时，只能通过降低电机的励磁电流，改变励磁磁通，在保证电压平衡的条件下，使电机能恒功率运行于更高的转速。这就要求电机设计的时候往往将转子磁通设计在较高的范围，这样在高速运行时就需要在弱磁的环境中进行。直流永磁电机弱磁控制有许多种方法，有通过电压模差进行PI控制法，有通过速度误差经过PI控制法，还有Q轴电流误差积分进行控制的方法。但是，采样这些方法进行弱磁控制时，运算环节多、算法复杂，而且，会引起的力矩抖动，提高了高频噪音。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述算法复杂且会引起力矩抖动缺陷，提供一种永磁直流电机的弱磁控制方法及装置，算法简单，且不易引起力矩抖动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种永磁直流电机的弱磁控制方法，包括：

S10.根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；

S20.根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；

S30.根据电流参考矢量获取MTPA角度；

S40.将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；

S50.根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

优选地，在所述步骤S20中，根据以下公式计算补偿角度；

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{Kwf\mathrm{\ω}e}{s}\left|\mathrm{\Δ}u\right|$

其中，Δθ为补偿角度，ωe为电机的电转速，Kwf为大于0的常数，∣Δu∣为电压模的误差。

本发明还构造一种永磁直流电机的弱磁控制装置，包括电流环控制器，还包括：

第一计算模块，用于根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；

第二计算模块，用于根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；

第三计算模块，用于根据电流参考矢量获取MTPA角度；

第四计算模块，用于将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；

第五计算模块，用于根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

优选地，所述第一计算模块包括：第一平方计算器、第二平方计算器、第一加法器、第一开方计算器、第一减法器、比较器和第一选择器，其中，所述第一平方计算器的输入端连接所述电流环控制器d轴的电压输出端，所述第二平方计算器的输入端连接所述电流环控制器q轴的电压输出端，所述第一平方计算器的输出端及所述第二平方计算器的输出端分别连接所述第一加法器的两个输入端，所述第一加法器的输出端连接所述第一开方计算器的输入端，所述第一开方计算器的输出端分别连接所述比较器的第一输入端及所述第一减法器的第一输入端，所述比较器的第二输入端及所述第一减法器的第二输入端分别输入电压模的限制值，所述比较器的输出端连接所述第一选择器的控制端，所述第一减法器的输出端连接所述第一选择器的第一输入端，所述第一选择器的第二输入端输入0，所述第一选择器的输出端输出电压模的误差。

优选地，所述第二计算模块包括第一乘法器、第二乘法器、低通滤波器、第一限幅计算器，其中，所述第一乘法器的两个输入端分别输入转子电角速度及运行常数值，所述低通滤波器的输入端连接所述第一选择器的输出端，所述第二乘法器的两个输入端分别连接所述第一乘法器的输出端及所述低通滤波器的输出端，所述第一限幅计算器的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，所述第一限幅计算器的第三输入端连接所述第二乘法器的输出端，所述第一限幅计算器的输出端输出补偿角度。

优选地，所述第四计算模块包括第二加法器、第二限幅计算器，其中，所述第二加法器的两个输入端分别连接第三计算模块的输出端及所述第一限幅计算器的输出端，所述第二限幅计算器的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，所述第二限幅计算器的第三输入端连接所述第二加法器的输出端，所述第二限幅计算器的输出端输出弱磁后的相位角。

优选地，所述第五计算模块包括三角函数计算器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器，其中，所述三角函数计算器的输入端连接所述第二限幅计算器的输出端，所述三角函数计算器的正弦输出端连接所述第三乘法器的第一输入端，所述三角函数计算器的余弦输出端连接所述第五乘法器的第一输入端，所述第三乘法器的第二输入端及所述第五乘法器的第二输入端分别输入电流参考矢量，所述第三乘法器的输出端连接所述第四乘法器的第一输入端，所述第四乘法器的第二输入端输入-1，所述第四乘法器的输出端输出d轴的电流参考值，所述第五乘法器的输出端输出q轴的电流参考值。

实施本发明的技术方案，通过控制电流矢量的相位实现弱磁控制，算法简单可靠，运算的环节少，只有控制电压模的误差和积分环节；弱磁过程实现自动进入和自动退出无需过多的参数干预，调试过程简单；该弱磁过程能最大限度的减小弱磁过程中引起的力矩抖动，减小了高频噪音。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明永磁直流电机的弱磁控制方法实施例一的流程图；

图2是本发明永磁直流电机的弱磁控制装置实施例一的逻辑结构图；

图3是本发明第一计算模块实施例一的逻辑结构图；

图4是本发明第二计算模块实施例一的逻辑结构图；

图5是本发明第三计算模块、第四计算模块和第五计算模块实施例一的逻辑结构图。

具体实施方式

本发明通过限制dq轴电压模的方式得到电压模的误差，该电压模的误差经过积分过程后，再与当前转子电角速度及一个合适的常数相乘，所得的积作为补偿角度的输出，最后再与MTPA角度相加作为弱磁后的相位角的输出。下面说明本发明技术方案的实现原理：

1、在忽略定子电阻压降，电流环控制器输出的参考电压及过调制后输出的实际电压ud、uq之差在dq坐标系下表示为：

$\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}ud=-\mathrm{\ω}eLqiq*-ud\\ \mathrm{\ω}uq=\mathrm{\ω}e(Ldid*-\mathrm{\φ}f)-uq\end{array}---\left(1\right)$

其中，ωe为电机电转速，Ld、Lq分别是电机d、q轴的电感，φf电机转子磁链，id*、iq*分别为d、q轴的参考电流。

2、定义电压误差的模方函数：

F(id*，iq*)＝Δud²+Δuq² (2)

为最大利用逆变器的母线电压，以电压误差模方函数最小为原则进行分配dq轴参考电流分量的大小。在此通过运用梯度下降法原理，沿着模方函数梯度的反方向，以最快速度得到dq旋转坐标系下的电流参考值。

$\frac{d}{at}\left(\begin{array}{c}id*\\ iq*\end{array}\right)=-\mathrm{\β}\▿F=-2\mathrm{\β}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{\ω}eLd\mathrm{\Δ}uq\\ \mathrm{\ω}eLq\mathrm{\Δ}ud\end{array}\right)---\left(3\right)$

在系统平衡时满足：

$\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}id*\\ iq*\end{array}\right)+2\mathrm{\β}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{\ω}eLd\mathrm{\Δ}uq\\ \mathrm{\ω}eLq\mathrm{\Δ}ud\end{array}\right)=0---\left(4\right)$

当系统不平衡时，公式(4)不为0，因此可令：

$\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}idm*\\ iqm*\end{array}\right)=\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}id*\\ iq*\end{array}\right)+2\mathrm{\β}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{\ω}eLd\mathrm{\Δ}uq\\ \mathrm{\ω}eLq\mathrm{\Δ}ud\end{array}\right)---\left(5\right)$

idm*、iqm*为弱磁运行区域重新分配的参考电流，这样由式(5)两边积分可得到：

$\left(\begin{array}{c}idm*\\ iqm*\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}id*\\ iq*\end{array}\right)+\frac{2\mathrm{\β}}{s}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{\ω}eLd\mathrm{\Δ}uq\\ \mathrm{\ω}eLq\mathrm{\Δ}ud\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中id*、iq*是恒转矩区域的参考电流，β为大于0的常数。

3、定子电流在dq轴坐标系中，可表示为电流矢量乘以各自分量。在弱磁过程中，定子电流矢量在dq平面上按电流极限圆逆时针转Δθ，因此有：

$\left(\begin{array}{c}idm*\\ iqm*\end{array}\right)=is*\left(\begin{array}{c}\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})\\ \sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中is*是电流参考矢量，θ是is*的相位角，Δθ是由于电压偏差|Δu|补偿的角度，即补偿角度。

由(6)(7)式可得：

$\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{2}\right)=\frac{1}{s}\frac{\mathrm{\β}\mathrm{\ω}eLd}{is*}\left|\mathrm{\Δ}u\right|---\left(8\right)$

由于Δθ比较小，因此可得到：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{Kwf\mathrm{\ω}e}{s}\left|\mathrm{\Δ}u\right|---\left(9\right)$

其中

这样通过求取控制电压模的误差与速度的乘积，然后进行积分，可以得到弱磁的角度移动。

图1是本发明永磁直流电机的弱磁控制方法实施例一的流程图，该实施例的永磁直流电机的弱磁控制方法包括以下步骤：

步骤S10.根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差。

在该步骤中，在获得了电流环控制器所输出的电压后，由于母线电压的限制，电流环控制器所输出的电压合成矢量的模应小于0.577Udc，在此将该值作为电压模的限制值。因此，在计算电压模的误差时，该误差在线性阶段为0，进入弱磁阶段后由理想的电压矢量模减去电压模的限制值得到。

步骤S20.根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度。

在该步骤中，首先，可通过速度环控制器将运行的参考速度转换成转子电角速度。然后，在获得了电压模的误差后，可根据公式9计算补偿角度。

步骤S30.根据电流参考矢量获取MTPA角度。

步骤S40.将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角。

步骤S50.根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

该实施例的技术方案，有以下特点：

1、在控制电压的运算上，采用的是电压矢量相位不变模值限制的方法，该方法可以有效的减小弱磁过程中的力矩抖动和高频噪音。该方法通过简单的比例关系快速的得到电压模的误差，避免的单独求取Δuq和Δuq，然后求取Δu模的过程，节省的运算资源。在此需说明的是，根据相似三角形原理，电压模的误差与电压误差的模相等；

2、在弱磁控制时，通过引入电压模的误差作为系统弱磁单一变量求取补偿角度。

综上分析可得，这种算法的优势是：通过控制电流矢量的相位实现弱磁控制，算法简单可靠，运算的环节少，只有控制电压模的误差和积分环节。弱磁过程实现自动进入和自动退出无需过多的参数干预。调试过程简单。该弱磁过程能最大限度的减小弱磁过程中引起的力矩抖动，减小了高频噪音。

图2是本发明永磁直流电机的弱磁控制装置实施例一的逻辑结构图，该实施例的永磁直流电机的弱磁控制装置主要包括有：速度环控制器、弱磁模块2、分配模块3、电流环控制器4、采样模块、电流电压转换模块。下面着重说明弱磁模块2、分配模块3及电流环控制器4，而且，电流电压转换模块包括第一计算模块，弱磁模块2包括第二计算模块，分配模块3包括第三计算模块、第四计算模块和第五计算模块。其中，第一计算模块用于根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；第二计算模块用于根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；第三计算模块用于根据电流参考矢量获取MTPA角度；第四计算模块用于将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；第五计算模块用于根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

结合图3，在第一计算模块中，第一平方计算器11的输入端连接电流环控制器d轴的电压输出端，第二平方计算器12的输入端连接电流环控制器q轴的电压输出端，第一平方计算器11的输出端及第二平方计算器12的输出端分别连接第一加法器13的两个输入端，第一加法器13的输出端连接第一开方计算器14的输入端，第一开方计算器14的输出端分别连接比较器15的第一输入端及第一减法器16的第一输入端，比较器15的第二输入端及第一减法器16的第二输入端分别输入电压模的限制值，该电压模的限制值为0.577Udc。比较器15的输出端连接第一选择器17的控制端，第一减法器16的输出端连接第一选择器17的第一输入端，第一选择器17的第二输入端输入0，第一选择器17的输出端(Mderr)输出电压模的误差。

结合图4，首先说明的是，该实施例使用低通滤波器23来代替积分器。在第二计算模块中，第一乘法器21的两个输入端分别输入转子电角速度ωe及运行常数值Kwf，低通滤波器23的输入端连接第一选择器17的输出端，第二乘法器22的两个输入端分别连接第一乘法器21的输出端及低通滤波器23的输出端，第一限幅计算器24的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，第一限幅计算器24的第三输入端连接第二乘法器22的输出端，第一限幅计算器24的输出端(Theta)输出补偿角度。

结合图5，第三计算模块(MTPA)生成MTPA角。在第四计算模块中，第二加法器的两个输入端31分别连接第三计算模块的输出端及第一限幅计算器24的输出端，第二限幅计算器32的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，第二限幅计算器32的第三输入端连接第二加法器31的输出端，第二限幅计算器32的输出端输出弱磁后的相位角。在第五计算模块中，三角函数计算器33的输入端连接第二限幅计算器32的输出端，三角函数计算器33的正弦输出端连接第三乘法器34的第一输入端，三角函数计算器33的余弦输出端连接第五乘法器36的第一输入端，第三乘法器34的第二输入端及第五乘法器36的第二输入端分别输入电流参考矢量IsRef，第三乘法器34的输出端连接第四乘法器35的第一输入端，第四乘法器35的第二输入端输入-1，第四乘法器35的输出端再通过限制器(IdLim)后输出d轴的电流参考值IdRef，第五乘法器36的输出端输出q轴的电流参考值IqRef。在此说明的是，通过第二限幅计算器32后，弱磁后的相位角被限制在0-π/4，而实际上该角度为一在第二象限的角度，所以，在第三乘法器34计算后，还需要通过第四乘法器将该值乘以-1，以使其落入第二象限。在电机由于硬件原因无法接受较大的电流时，需考虑使用限制器(IdLim)将第四乘法器35的输出数据限制在预设范围内，例如，限制在IsRef/1.414范围内，当然，在其它一些实施例中，可省去该限制器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁直流电机的弱磁控制方法，其特征在于，包括：

S10.根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；

S20.根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；

S30.根据电流参考矢量获取MTPA角度；

S40.将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；

S50.根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

2.根据权利要求1所述的永磁直流电机的弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤S20中，根据以下公式计算补偿角度；

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{Kwf\mathrm{\ω}e}{s}\left|\mathrm{\Δ}u\right|$

其中，Δθ为补偿角度，ωe为电机的电转速，Kwf为大于0的常数，∣Δu∣为电压模的误差。

3.一种永磁直流电机的弱磁控制装置，包括电流环控制器，其特征在于，还包括：

第一计算模块，用于根据电流环控制器输出的dq旋转坐标系下的电压值与电压模的限制值计算电压模的误差；

第二计算模块，用于根据所述电压模的误差和转子电角速度计算补偿角度；

第三计算模块，用于根据电流参考矢量获取MTPA角度；

第四计算模块，用于将所述补偿角度与所述MTPA角度相加，以生成弱磁后的相位角；

第五计算模块，用于根据所述弱磁后的相位角及电流参考矢量计算dq旋转坐标系下的电流参考值，并将所述dq旋转坐标系下的电流参考值送入电流环控制器。

4.根据权利要求3所述的永磁直流电机的弱磁控制装置，其特征在于，所述第一计算模块包括：第一平方计算器、第二平方计算器、第一加法器、第一开方计算器、第一减法器、比较器和第一选择器，其中，所述第一平方计算器的输入端连接所述电流环控制器d轴的电压输出端，所述第二平方计算器的输入端连接所述电流环控制器q轴的电压输出端，所述第一平方计算器的输出端及所述第二平方计算器的输出端分别连接所述第一加法器的两个输入端，所述第一加法器的输出端连接所述第一开方计算器的输入端，所述第一开方计算器的输出端分别连接所述比较器的第一输入端及所述第一减法器的第一输入端，所述比较器的第二输入端及所述第一减法器的第二输入端分别输入电压模的限制值，所述比较器的输出端连接所述第一选择器的控制端，所述第一减法器的输出端连接所述第一选择器的第一输入端，所述第一选择器的第二输入端输入0，所述第一选择器的输出端输出电压模的误差。

5.根据权利要求4所述的永磁直流电机的弱磁控制装置，其特征在于，所述第二计算模块包括第一乘法器、第二乘法器、低通滤波器、第一限幅计算器，其中，所述第一乘法器的两个输入端分别输入转子电角速度及运行常数值，所述低通滤波器的输入端连接所述第一选择器的输出端，所述第二乘法器的两个输入端分别连接所述第一乘法器的输出端及所述低通滤波器的输出端，所述第一限幅计算器的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，所述第一限幅计算器的第三输入端连接所述第二乘法器的输出端，所述第一限幅计算器的输出端输出补偿角度。

6.根据权利要求5所述的永磁直流电机的弱磁控制装置，其特征在于，所述第四计算模块包括第二加法器、第二限幅计算器，其中，所述第二加法器的两个输入端分别连接所述第三计算模块的输出端及所述第一限幅计算器的输出端，所述第二限幅计算器的第一输入端和第二输入端分别输入0及π/4，所述第二限幅计算器的第三输入端连接所述第二加法器的输出端，所述第二限幅计算器的输出端输出弱磁后的相位角。

7.根据权利要求6所述的永磁直流电机的弱磁控制装置，其特征在于，所述第五计算模块包括三角函数计算器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器，其中，所述三角函数计算器的输入端连接所述第二限幅计算器的输出端，所述三角函数计算器的正弦输出端连接所述第三乘法器的第一输入端，所述三角函数计算器的余弦输出端连接所述第五乘法器的第一输入端，所述第三乘法器的第二输入端及所述第五乘法器的第二输入端分别输入电流参考矢量，所述第三乘法器的输出端连接所述第四乘法器的第一输入端，所述第四乘法器的第二输入端输入-1，所述第四乘法器的输出端输出d轴的电流参考值，所述第五乘法器的输出端输出q轴的电流参考值。