CN107026592A - 一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法，弱磁控制系统包括查表模块、PI控制器、空间矢量脉宽调制SVPWM、永磁同步电机PMSM、三相电流转两相电流的转换器，弱磁控制方法为若永磁同步电机PMSM正转时，且电压极坐标角度α大于90度小于180度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增大而增加，若永磁同步电机PMSM反转时，且电压极坐标角度α大于‐180度小于‐90度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增加而减小，反馈电流的幅值与永磁同步电机PMSM的扭矩正相关。本发明提高了电压利用率，在相同功率下，电流更小，效率更高发热更小。

Description

一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法。

背景技术

PMSM电机因为永磁体的存在，高速时反电动势会超过加载电压，必须施加弱磁电流降低直轴磁通量。目前通常采用的控制方式是，外面一个电压外环，该外环通过给定额定母线电压乘一个比例，反馈是当前母线电压，输出是直轴弱磁电流的增量，内环是两个电流环，直轴电流环给定是直轴电流加电压外环输出的直轴电流增量，反馈是电流测量值经过Clarke、Park变换后得到的直轴电流，输出是直轴电压。交轴电流环给定是交轴电流，反馈是电流测量值经过 Clarke、Park变换后得到的交轴电流，输出是交轴电压。但是一般电压环反应较慢，纯粹使用电压环控制弱磁电流，很难达到较好的效果。大部分情况下，还需要增加查表，根据以扭矩和转速为二维索引做表，指定在某个转速下，某扭矩需要的直轴弱磁电流和交轴电流，电压环在此基础上微调。

如图1所示：这里查表模块使用的表格是通过测功机实验得到，让测功机运行在固定转速，通过施加不同的直轴和交轴电流，测量得到对应的转矩，再反过来用转矩和转速作为索引做表。实际运行时，通过查表得到当前转速下施加扭矩需要的直轴电流和交轴电流，把这个查表得到的电流作为给定电流向量，把测量得到的相电流经过CLARKE、PARK变换作为反馈电流向量，给定减去反馈作为差值向量，差值再通过比例积分环节PI得到需要的直轴电压和交轴电压，再通过SVPWM施加电压到电机上。SVPWM是广泛使用的算法和模块，这里不做详述。但是，做表时的外部环境和实际运行时外部环境不会完全相同，例如母线电压可能会不同，温度引起的电机参数变化等。即做表时得到的直轴电流和交轴电流，在环境变化时，可能引起电压饱和，导致电机失控，为了防止出现这种情况，需要维持母线电压保持在某一比例水平，一般取额定的0.9到0.95，这里取0.95，当母线电压大于该水平时，加大弱磁电流，这里也是通过比例积分环PI得到需要加大或减小的弱磁电流变化量。

这样的设计系统复杂，参数很多，很难调节。并且，因为弱磁后的反电动势维持在Vdc乘某个小于1的比例系数，导致母线电压降低，电压利用率减小，电流偏大，发热变大，效率降低，弱磁深度减小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种永磁同步电机的弱磁控制系统，包括查表模块、PI控制器、空间矢量脉宽调制SVPWM、永磁同步电机PMSM、三相电流转两相电流的转换器，所述查表模块连接永磁同步电机PMSM，所述查表模块连接PI控制器，所述PI控制器通过空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM，所述查表模块用于得到永磁同步电机在当前转速下施加扭矩所需要的电流幅值ImRef，所述永磁同步电机 PMSM输出三相电流和永磁同步电机的转子角度通过三相电流转两相电流的转换器得到两相电流，通过两相电流得到反馈电流幅值Im，所述三相电流用Ia、Ib、 Ic表示，所述两相电流用Iq、Id表示，所述反馈电流幅值Im将反馈电流幅值Im与电流幅值ImRef的差值输入到PI控制器中，所述PI控制器输出电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq，然后电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq输入给空间矢量脉宽调制SVPWM，然后空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM,所述α＝π+atan(Uq/Ud)。

所述三相电流转两相电流的转换器为Clarke及Park变换模块。

一种永磁同步电机的弱磁控制方法，若永磁同步电机PMSM正转时，且电压极坐标角度α大于90度小于180度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增大而增加，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而降低；若永磁同步电机PMSM反转时，且电压极坐标角度α大于‐180度小于‐90度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，所述反馈电流幅值 Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增加而减小，所述反馈电流的幅值与永磁同步电机PMSM的扭矩正相关。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：PMSM弱磁时，通过电流幅值给定和电流幅值的差值反馈做PI闭环控制电压输出角度实现弱磁功能。相比传统的弱磁方式需要最少3个闭环，本发明只需要一个闭环，控制环节减少，反应速度加快，参数调节变得容易。本发明不降低反电动势电压的情况下，使电压利用率达到理论上最大值，相比传统的弱磁，提高了电压利用率，在相同功率下，电流更小，效率更高发热更小。

附图说明：

图1为背景技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，永磁同步电机，在低速运行(非弱磁状态)时，一般由两个电流环控制，其中直轴电流环输入是直轴电流给定和反馈的差值，输出是直轴电压Ud，交轴电流环输入是交轴电流给定和反馈的差值，输出是交轴电压Uq，非弱磁状态下，系统能够提供足够的电压控制直轴电流和交轴电流。

当电流环输出饱和时，即电流环理论输出电压时，反电动势过高，系统无法提供足够的电压，必须降低反电动势，即进入弱磁。在本发明中，进入弱磁后，以电流幅值ImRef作为给定，将反馈电流幅值Im与电流幅值ImRef的差值输入到PI控制器中，所述PI控制器输出电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq，然后电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq输入给空间矢量脉宽调制SVPWM，然后空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM,所述α＝π+atan(Uq/Ud)。

正转时，α在90度到180度之间，通过PI可适当缩小α最大值，反转时α在-90度到-180之间，可适当提升α最小值。对电流幅值给定和反馈差值做 PI闭环，输出作为电压极坐标角度α。

如图2所示，一种永磁同步电机的弱磁控制系统，包括查表模块1、PI控制器2、空间矢量脉宽调制SVPWM3、永磁同步电机PMSM4、三相电流转两相电流的转换器5，所述查表模块1连接永磁同步电机PMSM4，所述查表模块1连接PI 控制器2，所述PI控制器2通过空间矢量脉宽调制SVPWM3控制永磁同步电机 PMSM4，所述查表模块1用于得到永磁同步电机在当前转速下施加扭矩所需要的电流幅值ImRef，所述永磁同步电机PMSM输出三相电流和永磁同步电机的转子角度通过三相电流转两相电流的转换器得到两相电流，通过两相电流得到反馈电流幅值Im，所述三相电流用Ia、Ib、Ic表示，所述两相电流用Iq、Id表示，所述反馈电流幅值Im为将反馈电流幅值Im与电流幅值ImRef的差值输入到PI控制器中，所述PI控制器输出电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq，然后电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq输入给空间矢量脉宽调制SVPWM，然后空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM,此时所述α＝π+atan(Uq/Ud)。

所述三相电流转两相电流的转换器为Clarke及Park变换模块。

一种永磁同步电机的弱磁控制方法，若永磁同步电机PMSM正转时，且电压极坐标角度α大于90度小于180度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增大而增加，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而降低；若永磁同步电机PMSM反转时，且电压极坐标角度α大于‐180度小于‐90度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，所述反馈电流幅值 Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增加而减小，所述反馈电流的幅值与永磁同步电机PMSM的扭矩正相关。

反馈电流的幅值与扭矩正相关，这样即可通过控制电压极坐标角度α达到控制反馈电流幅值Im从而控制扭矩的目标。

这里查表模块使用的表格是通过测功机实验得到，让测功机运行在固定转速，保持SVPWM输出电压向量幅值最大，即达到母线电压/1.732,通过改变电压向量的角度得到电流的幅值，这里幅值是指相电流有效值乘1.414，不同的电流幅值对应不同的转矩，用转矩和转速做索引做表，表的内容是电流幅值。

实际运行时，通过查表得到当前转速下施加扭矩需要的电流幅值ImRef，把这个查表得到的电流幅值作为给定电流，永磁同步电机PMSM输出三相电流和永磁同步电机的转子角度经过CLARKE、PARK逆变换得到直轴交轴反馈电流Id、Iq，把该反馈电流做平方和求根，得到反馈电流幅值Im，电流幅值ImRef减去反馈电流幅值Im得到差值，差值作为输入通过PI控制器得到需要的电压极坐标角度，极坐标角度结合最大电压幅值Vdc/1.732，构成电压矢量，再通过SVPWM控制永磁同步电机PMSM上，这样构成一个闭环，达到控制电流从而控制电机的目标。

PMSM弱磁时，通过电流幅值给定和电流幅值的差值反馈做PI闭环控制电压输出角度实现弱磁功能。相比传统的弱磁方式需要最少3个闭环，本发明只需要一个闭环，控制环节减少，反应速度加快，参数调节变得容易。本发明不降低反电动势电压的情况下，使电压利用率达到理论上最大值，相比传统的弱磁，提高了电压利用率，在相同功率下，电流更小，效率更高发热更小。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的其有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于，包括查表模块、PI控制器、空间矢量脉宽调制SVPWM、永磁同步电机PMSM、三相电流转两相电流的转换器，所述查表模块连接永磁同步电机PMSM，所述查表模块连接PI控制器，所述PI控制器通过空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM，所述查表模块用于得到永磁同步电机在当前转速下施加扭矩所需要的电流幅值ImRef，所述永磁同步电机PMSM输出三相电流和永磁同步电机的转子角度通过三相电流转两相电流的转换器得到两相电流，通过两相电流得到反馈电流幅值Im，所述三相电流用Ia、Ib、Ic表示，所述两相电流用Iq、Id表示，所述反馈电流幅值Im为将反馈电流幅值Im与电流幅值ImRef的差值输入到PI控制器中，所述PI控制器输出电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq，然后电压极坐标角度α、直轴电压Ud、交轴电压Uq输入给空间矢量脉宽调制SVPWM，然后空间矢量脉宽调制SVPWM控制永磁同步电机PMSM,所述α＝atan(Uq/Ud)。

2.根据权利要求1所述一种永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于，所述三相电流转两相电流的转换器为Clarke及Park变换模块。

3.一种永磁同步电机的弱磁控制方法，基于权利要求1所述一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，若永磁同步电机PMSM正转时，且电压极坐标角度α大于90度小于180度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增大而增加，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而降低；若永磁同步电机PMSM反转时，且电压极坐标角度α大于‐180度小于‐90度，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，所述反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的减小而增加，反馈电流幅值Im随着电压极坐标角度α的增加而减小，所述反馈电流的幅值与永磁同步电机PMSM的扭矩正相关。