CN107086836A - 一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法 - Google Patents

一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法，该方法实时调整永磁同步电机交直轴电感参数，并进行电机参数反馈，可以改善因电机参数不准确给控制系统带来的波动，提高永磁同步电机弱磁调速系统的控制精度和可靠性，实现电机基速以下恒转矩运行，基速以上恒功率运行，提高系统的稳定性，获得良好的动态性能。

Description

一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法
技术领域
本发明属电机控制技术领域，具体涉及一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法。
背景技术
永磁同步电机的励磁磁动势是由永磁体产生的，永磁体产生的磁场是恒定的，所以永磁同步电机弱磁调速无法直接减弱磁场。当电压达到极限电压时，要想继续升高永磁同步电机的转速只有靠调节交、直轴电流来实现，增加电机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量来减弱气隙合成磁场，获得弱磁效果。
永磁同步电机电机传统的弱磁调速策略为：在基速以下，采用令id＝0或者最大转矩电流比的控制方法，基速以上选用电压外环弱磁调速控制或者超前角弱磁控制这两种方法。但是存在的问题是永磁同步电机运行过程中，电机绕组温度及电枢反应会导致电机参数变化，主要是导致电机交直轴电感参数的变化，进一步会加大转矩和速度的波动。永磁同步电机所采用的控制方法都是基于比较精确的电机数学模型，对电机的参数依赖性比较高，这就导致当电机弱磁调速时，电机的转速越来越高，电枢反应越来越强烈，电机参数会产生很大的偏移，影响控制系统的精确性。
发明内容
为了解决传统的弱磁调速方法因电机参数偏移导致永磁同步电机动态特性不好的问题，本发明提供一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法，该方法可以实时调整永磁同步电机交直轴电感参数，提高永磁同步电机弱磁调速系统的控制精度和可靠性。通过加入电机参数反馈环节，可以提高系统高速运行时的稳定性。
一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：预处理：使永磁同步电机在不同温度下运行，测得不同温度下电机的绕组阻值并进行曲线拟合，得到电机的温度-电阻曲线；测得同一温度、不同转速时的反电势值，并根据ψf＝e0/ω计算得到永磁体磁链值，所有转速下永磁体磁链值的均值即为当前温度下电机的永磁体磁链值，将不同温度对应的电机永磁体磁链值进行曲线拟合，得到电机的温度-磁链曲线；其中，ψf为永磁体磁链，ω为电机的电角速度，e0为电机反电势有效值；
步骤二：采集永磁同步电机三相电压值和三相电流值，并分别相继进行Clarke变换和Park变换，得到两相旋转坐标系下的直轴电压分量ud1、交轴电压分量uq1和直轴电流分量id、交轴电流分量iq；
步骤三：将电机参考转速nref与反馈转速n的差值经过转速PI调节器得到定子交轴电流分量参考值iqref；其中，参考转速nref为电机目标转速，反馈转速n为电机当前转速值；
步骤四：电机转速在基速以下，采用最大转矩电流比控制，按照
计算得到定子直轴电流分量参考值idref；电机转速在基速以上，采用电压外环弱磁控制，将解耦后的交轴电压分量uq和直轴电压分量ud的平方和与电压极限值的差值经过弱磁PI调节器得到定子直轴电流分量参考值idref；其中，Ld为永磁同步电机直轴电感参数，Lq为永磁同步电机交轴电感参数；ψf为根据步骤一电机温度-磁链曲线得到的当前温度下永磁同步电机的永磁体磁链值；
步骤五：分别将定子直轴电流分量参考值idref与直轴电流分量id的差值、交轴电流分量参考值iqref与交轴电流分量iq的差值经过电流PI调节器，得到电机的直轴电压分量ud0和交轴电压分量uq0，然后进行电压解耦，得到解耦后的直轴电压分量ud和交轴电压分量uq，再经过反Park变换得到两相静止坐标系下的α轴电压分量uα、β轴电压分量uβ；同时，将解耦后的直轴电压分量ud和交轴电压分量uq反馈至步骤四；
步骤六：将两相静止坐标系下的电压分量uα、uβ输入空间矢量脉宽调制SVPWM模块控制逆变器运行，逆变器输出电压直接控制电机，使电机正常运转；
步骤七：按照计算得到电机当前的交直轴电感参数Ld、Lq，反馈到步骤四，并重复步骤二至步骤七，完成永磁同步电机弱磁调速；其中，Rs为根据步骤一电机温度-电阻曲线得到的当前温度下永磁同步电机的绕组阻值，ωe为永磁同步电机旋转机械角速度，ψf为根据步骤一电机温度-磁链曲线得到的当前温度下永磁同步电机的永磁体磁链值。
本发明的有益效果是：在传统双闭环弱磁调速控制方法的基础上，增加了永磁同步电机电感参数的实时调整与反馈，提高了永磁同步电机弱磁调速系统的精度，可以实现电机基速以下恒转矩运行，基速以上恒功率运行，使得电机调速过程中电流平滑变化，两个区域之间的切换更加连贯，通过加入电机参数反馈环节，提高了系统的稳定性，获得了良好的动态性能。
附图说明
图1是本发明的一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示，本发明提出一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法，包括以下步骤：
1、预处理：使永磁同步电机在不同温度下进行实验，测得不同温度下电机的绕组阻值并进行曲线拟合，得到电机的温度-电阻曲线。测得电机工作在不同转速时的反电势，根据ψf＝e0/ω计算得到电机的永磁体磁链值，将同一温度不同转速下计算得到的所有永磁体磁链值的均值作为当前温度对应的电机永磁体磁链值，重复此过程，得到不同温度下电机的永磁体磁链值并进行曲线拟合，得到电机的温度-磁链曲线。其中，ψf为永磁体磁链，ω为电机的电角速度，e0为电机反电势有效值。
通过温度-电阻曲线和温度-磁链曲线，在电机运行升温后可以得到更为准确的绕组阻值和永磁体磁链值，在弱磁调速过程中实时进行参数调整，提高控制精度。
2、采集永磁同步电机三相绕组电压值和三相绕组电流值，然后对三相绕组电压值和三相绕组电流值分别进行克拉克(Clarke)变换，再分别进行帕克(Park)变换，由此可得到两相旋转坐标系下的直轴电压分量ud1、交轴电压分量uq1和直轴电流分量id、交轴电流分量iq。
3、将电机参考转速nref与反馈转速n的差值经过转速PI调节器得到定子交轴电流分量参考值iqref，其中，反馈转速n为旋转变压器检测到的永磁同步电机的当前转速值，参考转速nref即为永磁同步电机弱磁调速的目标转速。
4、永磁同步电机调速过程中，电机转速(即当前转速)在基速以下，采用最大转矩电流比控制，按照计算得到定子直轴电流分量参考值idref；电机转速(即当前转速)在基速以上，采用电压外环弱磁控制，将解耦后的两相旋转坐标系下交轴电压分量uq和直轴电压分量ud的平方和与电压极限值的差值经过弱磁PI调节器得到直轴电流分量参考值idref；其中，Ld为直轴电感参数，Lq为交轴电感参数。ψf为根据步骤一电机温度-磁链曲线得到的当前温度下永磁同步电机的永磁体磁链值。
5、分别将定子直轴电流分量参考值idref与直轴电流分量id的差值、交轴电流分量参考值iqref与交轴电流分量iq的差值经过电流PI调节器调节，得到永磁同步电机的直轴电压分量ud0和交轴电压分量uq0，然后对直轴压分量ud0和交轴电压分量uq0进行电压解耦，得到解耦后的直轴电压分量ud和交轴电压分量uq，解耦后的的交直轴电压分量一方面反馈至步骤4中的电压外环弱磁控制部分，实现弱磁调速，另一方面再经过反Park变换得到两相静止坐标系下的α轴电压分量uα、β轴电压分量uβ。
6、将两相静止坐标下的α轴电压分量uα、β轴电压分量uβ输入空间矢量脉宽调制SVPWM模块，输出PWM波控制逆变器运行，逆变器将直流电压逆变为三相交流电压直接控制永磁同步电机，使电机正常运转；
7、采集永磁同步电机绕组的温度，并通过步骤1的温度-电阻和温度-磁链曲线查找相应温度下的永磁同步电机绕组阻值Rs和永磁体磁链值ψf。然后，根据稳态时永磁同步电机的电压方程可以推导计算得到永磁同步电机当前的直轴电感参数Ld和交轴电感参数Lq，即其中，ωe为永磁同步电机旋转机械角速度。将计算得到的当前的直交轴电感参数Ld、Lq反馈到前述步骤，并重复步骤2到步骤7的弱磁调速过程，即可实现参数实时调整的永磁电机弱磁调速。改善因电机参数不准确给控制系统带来的波动，提高系统的控制精度。确保系统基速以下运行可靠，具有较好的闭环特性，基速以上转速稳定性好，动态性能良好。

Claims (1)

1.一种改进的永磁同步电机弱磁调速方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：预处理：使永磁同步电机在不同温度下运行，测得不同温度下电机的绕组阻值并进行曲线拟合，得到电机的温度-电阻曲线；测得同一温度、不同转速时的反电势值，并根据ψf＝e0/ω计算得到永磁体磁链值，所有转速下永磁体磁链值的均值即为当前温度下电机的永磁体磁链值，将不同温度对应的电机永磁体磁链值进行曲线拟合，得到电机的温度-磁链曲线；其中，ψf为永磁体磁链，ω为电机的电角速度，e0为电机反电势有效值；
步骤二：采集永磁同步电机三相电压值和三相电流值，并分别相继进行Clarke变换和Park变换，得到两相旋转坐标系下的直轴电压分量ud1、交轴电压分量uq1和直轴电流分量id、交轴电流分量iq；
步骤三：将电机参考转速nref与反馈转速n的差值经过转速PI调节器得到定子交轴电流分量参考值iqref；其中，参考转速nref为电机目标转速，反馈转速n为电机当前转速值；
步骤四：电机转速在基速以下，采用最大转矩电流比控制，按照计算得到定子直轴电流分量参考值idref；电机转速在基速以上，采用电压外环弱磁控制，将解耦后的交轴电压分量uq和直轴电压分量ud的平方和与电压极限值的差值经过弱磁PI调节器得到定子直轴电流分量参考值idref；其中，Ld为永磁同步电机直轴电感参数，Lq为永磁同步电机交轴电感参数；ψf为根据步骤一电机温度-磁链曲线得到的当前温度下永磁同步电机的永磁体磁链值；
步骤五：分别将定子直轴电流分量参考值idref与直轴电流分量id的差值、交轴电流分量参考值iqref与交轴电流分量iq的差值经过电流PI调节器，得到电机的直轴电压分量ud0和交轴电压分量uq0，然后进行电压解耦，得到解耦后的直轴电压分量ud和交轴电压分量uq，再经过反Park变换得到两相静止坐标系下的α轴电压分量uα、β轴电压分量uβ；同时，将解耦后的直轴电压分量ud和交轴电压分量uq反馈至步骤四；
步骤六：将两相静止坐标系下的电压分量uα、uβ输入空间矢量脉宽调制SVPWM模块控制逆变器运行，逆变器输出电压直接控制电机，使电机正常运转；
步骤七：按照计算得到电机当前的交直轴电感参数Ld、Lq，反馈到步骤四，并重复步骤二至步骤七，完成永磁同步电机弱磁调速；其中，Rs为根据步骤一电机温度-电阻曲线得到的当前温度下永磁同步电机的绕组阻值，ωe为永磁同步电机旋转机械角速度，ψf为根据步骤一电机温度-磁链曲线得到的当前温度下永磁同步电机的永磁体磁链值。
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