CN106712630A - 永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置 - Google Patents

永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置，方法包括以下步骤：获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流；将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。

Description

永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法、一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置以及一种永磁同步电机系统。
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，例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。相关技术中的弱磁控制方法通常是基于直流母线电压，但是其存在的问题是，直流母线电压的波动会对永磁同步电机的弱磁控制造成影响，造成弱磁深度过大或过小。
发明内容
本申请的申请人发现并认识到：输入交流电压本身周期波动特性和负载波动，很容易造成直流母线电压波动，例如在负载稳定或者变化缓慢的情况下，直流母线电压波动频率约为输入交流电压频率的2倍。波动的直流母线电压对永磁同步电机的弱磁控制造成影响，如果弱磁深度不足以使得输出电压小于最低直流母线电压值，那么永磁同步电机存在失控的时段；如果弱磁深度设置过深使得输出电压小于最低直流母线电压值，那么在直流母线电压较大的时段，直流母线电压无法充分利用，同时降低电机效率(不需要弱磁控制时采用弱磁控制导致效率降低)。
为此，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本发明的一个目的在于提出一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法，能够充分利用直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
本发明的另一个目的在于提出一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置。本发明的又一个目的在于提出一种永磁同步电机系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法，包括以下步骤：获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据所述第一输出电压ud/uq或所述第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据所述期望输出电压us的幅值和所述电压限幅阈值生成弱磁电流；将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于所述直轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，先获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us，然后根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，本发明实施例的方法能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，包括：获取所述旋转坐标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者所述静止所标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压；将所述旋转坐标系下的最大输出电压或所述静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述期望输出电压us和所述电压限幅阈值生成弱磁电流，包括：获取所述电压限幅阈值与所述期望输出电压us的幅值之间的电压差值；根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。
根据本发明的一个实施例，在根据所述期望输出电压us和所述过调制电压限制阈值生成弱磁电流后，还包括：根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
根据本发明的一个实施例，其中，根据所述弱磁控制带宽设置所述预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置，包括：获取模块，用于获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据所述第一输出电压ud/uq或所述第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；弱磁控制模块，用于根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据所述期望输出电压us的幅值和所述电压限幅阈值生成弱磁电流，并将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于所述直轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，先通过获取模块获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us，然后弱磁控制模块根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，本发明实施例的装置能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
根据本发明的一个实施例，所述弱磁控制模块进一步用于，获取所述旋转坐标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者所述静止所标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压，并将所述旋转坐标系下的最大输出电压或所述静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
根据本发明的一个实施例，所述弱磁控制模块用于，获取所述电压限幅阈值与所述期望输出电压us的幅值之间的电压差值，并根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。
根据本发明的一个实施例，在根据所述期望输出电压us和所述电压限幅阈值生成弱磁电流后，所述弱磁控制模块还用于，根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
根据本发明的一个实施例，根据所述弱磁控制带宽设置所述预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
为达到上述目的，本发明又一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统，包括所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。
根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统，通过上述的弱磁控制装置，能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
附图说明
图1是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的永磁同步电机的控制电路的拓扑示意图；
图3是根据本发明一个实施例的旋转坐标系与静止坐标系的关系示意图；
图4是根据本发明一个实施例的空间电压调制的示意图；
图5是根据本发明另一个实施例的空间电压调制的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的控制框图；
图7是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的矢量控制框图，其中，永磁同步电机为表贴式永磁同步电机；
图8是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的矢量控制框图，其中，永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机；
图9是根据本发明一个实施例的弱磁控制传递函数的示意图；
图10是根据本发明一个实施例的的弱磁控制的分区示意图；以及
图11是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来描述本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法、永磁同步电机系统的弱磁控制装置以及永磁同步电机系统。
图1是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据所述第一输出电压ud/uq或所述第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，永磁同步电机系统可包括控制芯片、驱动单元、电解电容和永磁同步电机。其中，电解电容并联在驱动单元的输入端，驱动单元的输出端与永磁同步电机相连，驱动单元用于驱动永磁同步电机；控制芯片用于通过电流检测单元检测永磁同步电机的相电流，并根据永磁同步电机的相电流输出驱动信号至驱动单元，以通过驱动单元控制永磁同步电机的运行。根据本发明的一个具体示例，电流检测单元可包括三个(或者两个)电流传感器。驱动单元可以为由6个IGBT组成的三相桥式驱动电路、或者由6个MOSFET组成的三相桥式驱动电路、或者采用智能功率模块IPM，同时每个IGBT或MOSFET具有相应的反并联二极管。
其中，如图3所示，旋转坐标系下可具有d轴和q轴，旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq可指d轴电压ud和q轴电压uq，此时，期望输出电压us可为d轴电压ud与q轴电压uq合成的电压矢量。另外，根据永磁同步电机的转子的估计角度θe对d轴电压ud和q轴电压uq进行逆park坐标转换以获得静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，静止坐标系下可具有α轴和β轴，静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ可指α轴电压uα和β轴电压uβ，此时，期望输出电压us可为α轴电压uα与β轴电压uβ合成的电压矢量。
S2：根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流。
其中，可根据旋转坐标系下第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下第二输出电压uα/uβ计算期望输出电压us的幅值，即
根据本发明的一个实施例，根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，包括：获取旋转坐标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者静止所标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压；将旋转坐标系下的最大输出电压或静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
也就是说，根据系统对应的控制方法与调制方法能够输出的最大电压幅值设置电压限幅阈值ulim，如图4和图5所示，正六边形边界及其内部区域为电压空间，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us(或者表示为ud/uq，或者表示为uα/uβ)矢量方向上能够输出的最大电压，即期望输出电压us与电压空间边界(正六边形)的交点形成的电压矢量幅值。
具体地，如图4所示，如果期望输出电压us位于电压空间内，则调制后的输出电压与期望输出电压us一致，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us延长线与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值；
如图5所示，如果期望输出电压us位于电压空间外，则调制后输出电压与期望输出电压us不相同，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。
具体来说，根据期望输出电压us计算过调制电压限制阈值，包括，根据直流母线电压计算对应的电压空间，例如，可以为2/3倍的直流母线电压即为基本电压矢量构造电压空间；将期望输出电压us或期望输出电压us延长线与电压空间的边界的交点作为过调制电压限制阈值。
S3：将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
根据本发明的一个实施例，根据期望输出电压us和电压限幅阈值生成弱磁电流，包括：获取电压限幅阈值与所述期望输出电压us的幅值之间的电压差值；根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。
需要说明的是，预设PI控制模型中的比例参数可为零，此时预设PI控制模型仅为积分模型，可对电压差值进行积分控制；预设PI控制模型中的比例参数也可不为零，此时预设PI控制模型为比例积分模型，可对电压差值进行比例积分控制。
具体来说，如图6所示，可根据旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下输出电压uα/uβ计算期望输出电压us的幅值，即：
然后，根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，将电压限幅阈值ulim减去望输出电压us的幅值以得到电压差值Δu，即Δu＝ulim-us，并对电压差值Δu进行纯积分控制或者比例-积分控制以调节弱磁电流。
进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据期望输出电压us和电压限幅阈值ulim生成弱磁电流后，方法还包括：根据预设限幅模型对弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
也就是说，经预设PI控制模型输出的弱磁电流，可再经过预设限幅模型即限幅环节的限幅以得到限幅后的弱磁电流ifwc，进而将限幅后的弱磁电流ifwc叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以进行弱磁控制，其中，限幅环节的上限可为零、限幅环节的下限可为d轴电流的最小值id_min。
具体地，根据本发明的一个实施例，可根据弱磁控制带宽设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
根据本发明的一些实施例，将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，永磁同步电机系统即可根据弱磁电流进行弱磁控制。具体地，结合图7-8来描述永磁同步电机系统的弱磁控制过程，其中，在本实施例中，以永磁同步电机的无传感器矢量控制为例进行描述，而永磁同步电机的有传感器矢量控制与本实施例并无区别，不再赘述。
在永磁同步电机的矢量控制中，速度校正单元根据给定转速与对估计转速进行速度校正例如进行比例-积分调节以获得给定转矩
在表贴式永磁同步电机中，如图7所示，根据给定转矩与转矩电流系数Kt计算给定转矩电流(即给定q轴电流)给定直轴电流(即给定d轴电流)由弱磁电流ifwc决定例如也就是说，将弱磁电流ifwc叠加至d轴电流闭环，以将给定d轴电流设置为ifwc。在内嵌式永磁同步电机中，如图8所示，转矩控制单元根据给定转矩转矩电流系数Kt以及弱磁电流ifwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到给定交轴电流(给定q轴电流)和给定直轴电流(给定d轴电流)
电流校正单元根据给定d轴电流和给定q轴电流分别对直轴反馈电流id和交轴反馈电流iq进行电流校正以获得直轴电压ud和交轴电压uq。然后，逆park坐标转换单元根据估计角度对直轴电压ud和交轴电压uq进行逆park坐标转换以获得α轴电压uα与β轴电压uβ。进而空间矢量调制单元再对α轴电压uα与β轴电压uβ进行SVM(Space Vetor Modulation，空间矢量调制)调制以生成PWM驱动信号；驱动单元根据PWM驱动信号驱动永磁同步电机。
通过电流检测单元采集永磁同步电机的三相电流，clarke坐标转换单元对三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流iα/iβ；park坐标转换单元根据估计角度对两相电流iα/iβ进行park坐标转换以获得直轴反馈电流id和交轴反馈电流iq。位置估计单元例如速度磁链观测器根据输出电压uα/uβ和两相电流iα/iβ以及电机参数(电机电阻Rs、直轴电感Ld和交轴电感Lq)通过无传感器估计算法估计转子的位置和速度以获得估计转速和估计电角度
在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流ifwc叠加至d轴电流闭环，d轴电流闭环根据弱磁电流ifwc对d轴反馈电路id进行调节，从而实现弱磁控制，同时速度闭环依然根据给定转速与对估计转速进行速度校正以获得给定转矩根据给定转矩与转矩电流系数Kt计算给定q轴电流q轴电流闭环依然是根据给定q轴电流对交轴反馈电流iq进行调节。
基于此，弱磁控制环路可如图9所示，将电压限幅阈值ulim减去望输出电压us的幅值得到的电压差值Δu输入至通过弱磁PI控制器的输入端，经过弱磁PI控制器即预设PI控制模型输出弱磁电流ifwc；弱磁电流ifwc叠加至直轴电流闭环即d轴电流闭环，经过d轴电流闭环的d轴电流控制模型对d轴反馈电路id进行调节，并计算望输出电压us相对于d轴反馈电路id的偏导以反馈至弱磁PI控制器。其中，弱磁控制环路的带宽即弱磁控制带宽满足，小于d轴电流闭环的带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
具体来说，弱磁PI控制器的传递函数为：
其中，Gc_fwc(s)为弱磁PI控制器的传递函数，kp为弱磁PI控制器的比例控制参数，ki为弱磁PI控制器的积分控制参数，s为拉普拉斯算子。
d轴电流闭环的传递函数，即给定d轴电流与d轴反馈电流id之间的传递函数，可简化表达为：
其中，Gc_id(s)为d轴电流闭环的传递函数，τid为时间常数，s为拉普拉斯算子。需要说明的是，τid越大那么d轴电流闭环的带宽越小，两者呈反比关系。永磁同步电机的电压电流方程组为：
其中，Rs为永磁同步电机的电阻、Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ωe为电角速度，ψf为永磁体磁链，
和期望输出电压的幅值为：
根据公式(3)和公式(4)，可以得到期望输出电压的幅值关于d轴电流的变化率，即
那么，如图9所示，根据公式(1)、公式(2)和公式(5)可得到弱磁控制环路的开环传递函数为：
假设弱磁控制环路的带宽为ωfwc，那么即：
当弱磁PI控制器采用纯积分控制时，比例控制参数设置为零，即kp＝0，而积分控制参数为如果满足弱磁控制环路带宽ωfwc比d轴电流闭环的带宽小得多，那么可以得到即当τidωfwc＜＜1时，有
当弱磁PI控制器采用比例-积分控制时，那么：
如果满足弱磁控制环路带宽ωfwc比d轴电流闭环的带宽小得多，那么即当τidωfwc＜＜1时，有
基于此，可根据上述公式设置积分控制参数，或者根据设置比例控制参数和积分控制参数，以满足弱磁控制环路的带宽ωfwc低于直轴电流闭环带宽且高于输入电源频率*2，从而，保证弱磁控制能够对直流母线电压波动做出足够快的响应。
例如，对于50Hz的供电电源，弱磁控制环路的带宽ωfwc＞＞100×2πrad/s；对于60Hz的供电电源，弱磁控制环路的带宽ωfwc＞＞120×2πrad/s。
由此，通过本发明实施例的弱磁控制方法，可根据永磁同步电机系统的实际情况自动进行弱磁控制或不进行弱磁控制，例如当不需要弱磁控制时此时叠加至直轴电流闭环的弱磁电流将为零，永磁同步电机系统不进行弱磁控制；当需要弱磁控制时将根据实际情况调节弱磁电流，并将弱磁电流叠加至直轴电流闭环，永磁同步电机系统进行弱磁控制。
如图10所示，设波动的直流母线电压udc的最大值为udc_max且最小值为udc_min，那么可以将根据反电势ubmf分成三个区：恒转矩区，部分弱磁区，完全弱磁区，其中，
恒转矩区：系统不需要进入弱磁控制，永磁同步电机的运行功率随着反电势ubmf的增加而增加；
部分弱磁区：系统时而进入弱磁控制，时而退出弱磁控制，永磁同步电机的运行功率可保持在最大；
完全弱磁区：系统一直处于弱磁控制中，永磁同步电机的运行功率可保持在最大。
其中，反电势ubmf＝ωeKe，Ke为反电势系数。
由此，采用本发明实施例的弱磁控制方法，通过设置弱磁控制环路的带宽ωfwc，能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
综上，根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，先获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us，然后根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，本发明实施例的方法能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
图11是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置的方框示意图。根据本发明的一个实施例，如图2所示，永磁同步电机系统可包括控制芯片1、驱动单元2、电解电容EC和永磁同步电机3。其中，电解电容EC并联在驱动单元2的输入端，驱动单元2的输出端与永磁同步电机3相连，驱动单元2用于驱动永磁同步电机3；控制芯片1用于通过电流检测单元4检测永磁同步电机3的相电流，并根据永磁同步电机3的相电流输出驱动信号至驱动单元2，以通过驱动单元2控制永磁同步电机3的运行。根据本发明的一个具体示例，电流检测单元4可包括三个(或者两个)电流传感器。驱动单元2可以为由6个IGBT组成的三相桥式驱动电路、或者由6个MOSFET组成的三相桥式驱动电路、或者采用智能功率模块IPM，同时每个IGBT或MOSFET具有相应的反并联二极管。
其中，如图3所示，旋转坐标系下可具有d轴和q轴，旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq可指d轴电压ud和q轴电压uq，此时，期望输出电压us可为d轴电压ud与q轴电压uq合成的电压矢量。另外，根据永磁同步电机的转子的估计角度θe对d轴电压ud和q轴电压uq进行逆park坐标转换以获得静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，静止坐标系下可具有α轴和β轴，静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ可指α轴电压uα和β轴电压uβ，此时，期望输出电压us可为α轴电压uα与β轴电压uβ合成的电压矢量。
如图11所示，本发明实施例的弱磁控制装置100包括：获取模块10和弱磁控制模块20。
其中，获取模块10用于获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；弱磁控制模块20用于根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
其中，弱磁控制模块20可根据旋转坐标系下第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下第二输出电压uα/uβ计算期望输出电压us的幅值us，即
根据本发明的一个实施例，弱磁控制模块20进一步用于，获取旋转坐标系下期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者静止所标系下期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压，并将旋转坐标系下的最大输出电压或静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
也就是说，弱磁控制模块20可根据系统对应的控制方法与调制方法能够输出的最大电压幅值设置电压限幅阈值ulim，如图4和图5所示，正六边形边界及其内部区域为电压空间，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us(或者表示为ud/uq，或者表示为uα/uβ)矢量方向上能够输出的最大电压，即期望输出电压us与电压空间边界(正六边形)的交点形成的电压矢量幅值。
具体地，如图4所示，如果期望输出电压us位于电压空间内，则调制后的输出电压与期望输出电压us一致，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us延长线与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值；
如图5所示，如果期望输出电压us位于电压空间外，则调制后输出电压与期望输出电压us不相同，电压限幅阈值ulim可为期望输出电压us与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。
根据本发明的一个实施例，弱磁控制模块20用于，获取电压限幅阈值与期望输出电压us的幅值之间的电压差值，并根据电压差值和预设PI控制模型生成弱磁电流。
需要说明的是，预设PI控制模型中的比例参数可为零，此时预设PI控制模型仅为积分模型，可对电压差值进行积分控制；预设PI控制模型中的比例参数也可不为零，此时预设PI控制模型为比例积分模型，可对电压差值进行比例积分控制。
具体来说，如图6所示，弱磁控制模块20可根据旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下输出电压uα/uβ计算期望输出电压us的幅值，即：
然后，弱磁控制模块20可根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并将电压限幅阈值ulim减去望输出电压us的幅值以得到电压差值Δu，即Δu＝ulim-us，并对电压差值Δu进行纯积分控制或者比例-积分控制以调节弱磁电流。
进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据期望输出电压us和电压限幅阈值生成弱磁电流后，弱磁控制模块20还用于，根据预设限幅模型对弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
也就是说，弱磁控制模块20经预设PI控制模型输出的弱磁电流，可再经过预设限幅模型即限幅环节的限幅以得到限幅后的弱磁电流ifwc，进而将限幅后的弱磁电流ifwc叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以进行弱磁控制，其中，限幅环节的上限可为零、限幅环节的下限可为d轴电流的最小值id_min。
具体地，根据本发明的一个实施例，可根据弱磁控制带宽设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
根据本发明的一些实施例，将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，永磁同步电机系统即可根据弱磁电流进行弱磁控制。具体地，结合图7-8来描述永磁同步电机系统的弱磁控制过程，其中，在本实施例中，以永磁同步电机的无传感器矢量控制为例进行描述，而永磁同步电机的有传感器矢量控制与本实施例并无区别，不再赘述。
在永磁同步电机的矢量控制中，速度校正单元101根据给定转速与对估计转速进行速度校正例如进行比例-积分调节以获得给定转矩
在表贴式永磁同步电机中，如图7所示，根据给定转矩与转矩电流系数Kt计算给定转矩电流(即给定q轴电流)给定直轴电流(即给定d轴电流)由弱磁电流ifwc决定例如也就是说，将弱磁电流ifwc叠加至d轴电流闭环，以将给定d轴电流设置为ifwc。在内嵌式永磁同步电机中，如图8所示，转矩控制单元102根据给定转矩转矩电流系数Kt以及弱磁电流ifwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到给定交轴电流(给定q轴电流)和给定直轴电流(给定d轴电流)
电流校正单元103根据给定d轴电流和给定q轴电流分别对直轴反馈电流id和交轴反馈电流iq进行电流校正以获得直轴电压ud和交轴电压uq。然后，逆park坐标转换单元104根据估计角度对直轴电压ud和交轴电压uq进行逆park坐标转换以获得α轴电压uα与β轴电压uβ。进而空间矢量调制单元105再对α轴电压uα与β轴电压uβ进行SVM(Space VetorModulation，空间矢量调制)调制以生成PWM驱动信号；驱动单元2根据PWM驱动信号驱动永磁同步电机3。
通过电流检测单元4采集永磁同步电机3的三相电流，clarke坐标转换单元106对三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流iα/iβ；park坐标转换单元107根据估计角度对两相电流iα/iβ进行park坐标转换以获得直轴反馈电流id和交轴反馈电流iq。位置估计单元108例如速度磁链观测器根据输出电压uα/uβ和两相电流iα/iβ以及电机参数(电机电阻Rs、直轴电感Ld和交轴电感Lq)通过无传感器估计算法估计转子的位置和速度以获得估计转速和估计电角度
在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流ifwc叠加至d轴电流闭环，d轴电流闭环根据弱磁电流ifwc对d轴反馈电路id进行调节，从而实现弱磁控制，同时速度闭环依然根据给定转速与对估计转速进行速度校正以获得给定转矩根据给定转矩与转矩电流系数Kt计算给定q轴电流q轴电流闭环依然是根据给定q轴电流对交轴反馈电流iq进行调节。
基于此，弱磁控制环路21可如图9所示，将电压限幅阈值ulim减去望输出电压us的幅值得到的电压差值Δu输入至通过弱磁PI控制器22的输入端，经过弱磁PI控制器22即预设PI控制模型输出弱磁电流ifwc；弱磁电流ifwc叠加至直轴电流闭环即d轴电流闭环23，经过d轴电流闭环23的d轴电流控制模型对d轴反馈电路id进行调节，并计算望输出电压us相对于d轴反馈电路id的偏导以反馈至弱磁PI控制器。其中，弱磁控制环路21的带宽即弱磁控制带宽满足，小于d轴电流闭环23的带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
具体来说，弱磁PI控制器22的传递函数为：
其中，Gc_fwc(s)为弱磁PI控制器22的传递函数，kp为弱磁PI控制器22的比例控制参数，ki为弱磁PI控制器22的积分控制参数，s为拉普拉斯算子。
d轴电流闭环23的传递函数，即给定d轴电流与d轴反馈电流id之间的传递函数，可简化表达为：
其中，Gc_id(s)为d轴电流闭环23的传递函数，τid为时间常数，s为拉普拉斯算子。
需要说明的是，τid越大那么d轴电流闭环的带宽越小，两者呈反比关系。
永磁同步电机的电压电流方程组为：
其中，Rs为永磁同步电机的电阻、Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ωe为电角速度，ψf为永磁体磁链。
和期望输出电压的幅值为：
根据公式(3)和公式(4)，可以得到期望输出电压的幅值关于d轴电流的变化率，即
那么，如图9所示，根据公式(1)、公式(2)和公式(5)可得到弱磁控制环路的开环传递函数为：
假设弱磁控制环路的带宽为ωfwc，那么即：
当弱磁PI控制器22采用纯积分控制时，比例控制参数设置为零，即kp＝0，而积分控制参数为如果满足弱磁控制环路带宽ωfwc比d轴电流闭环的带宽小得多，那么可以得到即当τidωfwc＜＜1时，有
当弱磁PI控制器22采用比例-积分控制时，那么：
如果满足弱磁控制环路带宽ωfwc比d轴电流闭环的带宽小得多，那么即当τidωfwc＜＜1时，有
基于此，可根据上述公式设置积分控制参数，或者根据设置比例控制参数和积分控制参数，以满足弱磁控制环路的带宽ωfwc低于直轴电流闭环带宽且高于输入电源频率*2，从而，保证弱磁控制能够对直流母线电压波动做出足够快的响应。
例如，对于50Hz的供电电源，弱磁控制环路的带宽ωfwc＞＞100×2πrad/s；对于60Hz的供电电源，弱磁控制环路的带宽ωfwc＞＞120×2πrad/s。
由此，通过本发明实施例的弱磁控制装置，可根据永磁同步电机系统的实际情况自动进行弱磁控制或不进行弱磁控制，例如当不需要弱磁控制时此时叠加至直轴电流闭环的弱磁电流将为零，永磁同步电机系统不进行弱磁控制；当需要弱磁控制时将根据实际情况调节弱磁电流，并将弱磁电流叠加至直轴电流闭环，永磁同步电机系统进行弱磁控制。
如图10所示，设波动的直流母线电压udc的最大值为udc_max且最小值为udc_min，那么可以将根据反电势ubmf分成三个区：恒转矩区，部分弱磁区，完全弱磁区，其中，
恒转矩区：系统不需要进入弱磁控制，永磁同步电机的运行功率随着反电势ubmf的增加而增加；
部分弱磁区：系统时而进入弱磁控制，时而退出弱磁控制，永磁同步电机的运行功率可保持在最大；
完全弱磁区：系统一直处于弱磁控制中，永磁同步电机的运行功率可保持在最大。
其中，反电势ubmf＝ωeKe，Ke为反电势系数。
由此，采用本发明实施例的弱磁控制装置，通过设置弱磁控制环路的带宽ωfwc，能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
综上，根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，先通过获取模块获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据第一输出电压ud/uq或第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us，然后弱磁控制模块根据期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据期望输出电压us的幅值和电压限幅阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于直轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，本发明实施例的装置能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
最后，本发明实施例还提出了一种永磁同步电机系统，包括上述实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。
根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统，通过上述的弱磁控制装置，能够保证弱磁控制的响应速度，充分利用波动的直流母线电压，使得在直流母线电压波动时仍然能达到最大电机效率运行。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据所述第一输出电压ud/uq或所述第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；
根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据所述期望输出电压us的幅值和所述电压限幅阈值生成弱磁电流；
将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，
其中，弱磁控制带宽小于所述直轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，包括：
获取所述旋转坐标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者所述静止所标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压；
将所述旋转坐标系下的最大输出电压或所述静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述期望输出电压us和所述电压限幅阈值生成弱磁电流，包括：
获取所述电压限幅阈值与所述期望输出电压us的幅值之间的电压差值；
根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，还包括：根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
5.根据权利要求3所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，其中，根据所述弱磁控制带宽设置所述预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
6.一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的第一输出电压ud/uq或者静止坐标系下的第二输出电压uα/uβ，并根据所述第一输出电压ud/uq或所述第二输出电压uα/uβ获取期望输出电压us；
弱磁控制模块，用于根据所述期望输出电压us获取电压限幅阈值，并根据所述期望输出电压us的幅值和所述电压限幅阈值生成弱磁电流，并将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制，其中，弱磁控制带宽小于所述直轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，所述弱磁控制模块进一步用于，获取所述旋转坐标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压或者所述静止所标系下所述期望输出电压us的矢量方向上的最大输出电压，并将所述旋转坐标系下的最大输出电压或所述静止所标系下的最大输出电压作为电压限幅阈值。
8.根据权利要求6所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，所述弱磁控制模块用于，获取所述电压限幅阈值与所述期望输出电压us的幅值之间的电压差值，并根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。
9.根据权利要求6或8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，在根据所述期望输出电压us和所述电压限幅阈值生成弱磁电流后，所述弱磁控制模块还用于，根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限幅，以将限幅后的弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的直轴电流闭环。
10.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，其中，根据所述弱磁控制带宽设置所述预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。
11.一种永磁同步电机系统，其特征在于，包括根据权利要求6-10中任一项所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。
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