CN107592047A - 一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法 - Google Patents
一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，主要解决现有技术中存在的现有弱磁方法对电机参数依赖过重、算法运算量大等的问题。该一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法根据永磁同步电机的具体应用工况计算实时调制比mr、切换点调制比mf、退出弱磁点调制比mq、调制比滞环宽度Δm0、确定基础励磁电流值Δid0、方向系数P1和励磁电流差值系数P2，通过公式计算当前指令周期指令励磁电流。通过上述方案，本发明达到了避免了工况对弱磁点的影响，根据实时调制比大小来自动适应弱磁切换点，以此实现在不同转速、电压等工况下永磁同步电机的平稳弱磁切换的目的，具有很高的实用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车永磁同步电机控制技术领域，具体地说，是涉及一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法。
背景技术
永磁同步电机是一个多变量、高阶、非线性、强耦合的被控对象，电机参数会随电机型号、工况的不同而不同。通常，在永磁同步电机运行速度大于额定转速后，电机矢量控制就使逆变器输出电压达到了最大，与电机反向电动势平衡，导致转速无法继续上升。为了进一步提升电机转速，需要通过降低永磁体磁场来降低电机反向电动势，提升电机转速。通常，技术人员会在矢量控制的基础上采用公式法、PI法或查表法等方法进行弱磁提速。但是，这些设计方法存在诸多不足。
公式法依赖精确的电机参数，由于电机不同以及电机不同的工作环境都会导致电机参数变化，而且公式法计算量大，占用大量DSP芯片运算资源；PI法的参数确定需要依赖弱磁模型，而实际上这种模型很难建立，所以只能依赖大量的凑试法调试PI参数；查表法利用大量实验数据制成弱磁表格，虽然减少了DSP芯片运算量，但是由于电机的差异性，不同型号的电机需要各自的计算表，而且电机工况的变化会导致查表法弱磁效果变差，所以查表法实现起来复杂且通用性差；另外，上述方法都将进入弱磁点设置为固定转速或电压点，实际上弱磁点会因实际工况变化而变化，固定的弱磁切换点容易导致在算法切换点出现控制指令电流id大幅度振荡，所以上述方法都不能很好的实时判断进入弱磁的时机。综上所述，现有的弱磁方法存在对电机参数依赖过重、算法运算量大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，以解决现有弱磁方法对电机参数依赖过重、算法运算量大等的问题。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法包括以下步骤：
(a)在永磁同步电机额定转速时，进行指令励磁电流id＝0的矢量控制实验；根据永磁同步电机矢量控制PI法算出d轴控制电压ud、q轴控制电压uq及采样直流母线电压udc算出实时调制比mr，根据实时调制比mr确定调制比振动幅度的最大值和最小值，分别为mrmax和mrmin；
(b)根据步骤(a)的调制比振幅最大值mrmax和调制比振幅最小值mrmin计算出调制比滞环宽度Δm0；
(c)根据永磁同步电机的控制周期tc计算基础励磁电流值Δid0；
(d)从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax，设置永磁同步电机的弱磁系数Pf，根据最大调制比mmax和弱磁系数Pf计算切换点调制比mf，根据切换点调制比mf和步骤(b)的调制比滞环宽度Δm0计算出退出弱磁点调制比mq；
(e)确定永磁同步电机的调制比划分系数β1、β2、β3，通过步骤(a)的实时调制比mr、步骤(d)的切换点调制比mf和退出弱磁点调制比mq确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2的约束条件；
(f)根据步骤(e)的确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2、步骤(c)的基础励磁电流值Δid0通过以下公式计算当前指令周期的指令励磁电流，然后将其限幅输出，公式如下：
其中，k≥1且k为整数，Δid(k)为k时刻步长，id(k)为k时刻励磁电流指令值，id(k-1)为上一时刻励磁电流指令值。
具体地，步骤(a)中实时调制比mr公式计算公式为：
其中，mr为实时调制比，ud为矢量控制dq坐标系下d轴控制电压，uq为矢量控制dq坐标系下q轴控制电压，udc为直流母线电压。
具体地，步骤(b)的具体过程为：调制比滞环宽度Δm0公式为：
Δm0＝mrmax-mrmin+Δmx
其中，Δm0为调制比滞环宽度；mrmax为调制比振幅最大值；mrmin为调制比振幅最小值；Δmx为调制比滞环宽度裕量，根据实际情况适当取值。
具体地，步骤(c)的具体过程为：基础励磁电流值Δid0计算公式为：
Δid0＝P0tc
其中，P0为基础励磁电流值系数，其根据实际情况设定；tc为控制周期。
具体地，步骤(d)的具体过程为：从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax；设置弱磁系数Pf，其为弱磁切换点的设定值，取值范围[0，1]，根据实际应用需求并结合实际测试情况而设定；
切换点调制比mf＝Pfmmax，退出弱磁点调制比mq＝Pfmmax-Δm0。
具体地，步骤(e)中P1的计算过程为：方向系数P1是指k-1时刻的实时调制比mr到k时刻时的变化趋势，通过此系数决定指令励磁电流增加或减小，其具体的确定原则为：
其中，mr为实时调制比，mq为退出弱磁点调制比，mf为切换点调制比。
具体地，步骤(e)中P2的计算过程：调制比划分系数β1、β2、β3是指弱磁控制算法中调制比约束条件的划分系数，根据实际情况确定，励磁电流差值系数P2是指根据约束条件所确定的k时刻的差值系数；为了获得k时刻的差值系数，其约束条件如下：
其中，α1、α2、α3、α4为不同约束条件下具体的差值系数值，具体值是根据实验以及实际应用工况进行获取的。
具体地，为了满足实时调制比mr越大，指令励磁电流id变化越快，同时指令值越大的要求，使0＜α1＜α2＜α3＜α4，在k时刻使用不同励磁电流差值系数P2来提升弱磁控制的响应速率。
具体地，为防止失磁现象对指令励磁电流id有最小值的限制，即为指令励磁电流id负向增加的最大值，其通过电磁转矩计算公式得到，公式如下：
此公式为等功率变换下的转矩计算公式，其中，Te为期望电磁转矩，iq为指令转矩电流，id为励磁电流，为磁链，Ld、Lq分别为d轴电感、q轴电感，P为电机极对数。
具体地，Te＝0条件下的励磁电流id，为失磁时刻的励磁电流值，作为下限幅值idmin；
其中，d轴电感Ld和q轴电感Lq为永磁同步电机的已知参数；励磁电流值id为负值(id＜0)，若idmin算出值为正则直接添加负号取负值；对于指令励磁电流id的上限幅值，由于永磁同步电机矢量控制在非弱磁阶段使用id＝0控制方法，所以指令励磁电流id的最大值限制idmax＝0。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明不依赖电机参数和电机系统模型，有效避免了电机参数变化对弱磁效果的影响，可以适应所有永磁同步电机的弱磁控制。
(2)本发明自适应调节弱磁切换点，通过调制比来判断弱磁控制切换点，避免了不同工况对弱磁点的影响，达到自动适应在不同转速、不同直流母线电压等情况下弱磁控制自适应切换的效果。
(3)本发明带有滞环环节，在进入弱磁点和退出弱磁点之间设置滞环，根据不同应用场合确定滞环宽度，给实际调制比留出振动裕量，使弱磁控制算法计算出的指令励磁电流更平稳。
(4)本发明算法响应速度快，根据实际调制比大小来计算指令励磁电流大小，即实际调制比越大或越小，指令励磁电流就越大或越小，且响应速率可以根据不同使用情况变化而改变。
(4)本发明计算量小，占用DSP芯片资源少，故运算速度快。
附图说明
图1为使用本发明的永磁同步电机矢量控制系统设计框图；
图2为本发明的弱磁方法控制框图；
图3为本发明的算法流程图；
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法包括以下步骤：
(a)在永磁同步电机额定转速时，进行指令励磁电流id＝0的矢量控制实验；根据永磁同步电机矢量控制PI法算出d轴控制电压ud、q轴控制电压uq及采样直流母线电压udc算出实时调制比mr，根据实时调制比mr确定调制比振动幅度的最大值和最小值，分别为mrmax和mrmin；振动幅度最大值mrmax和最小值mrmin的设置由实际情况决定，比如台架调试过程中观察到的平均值大小，一般方法是台架实验时让被控电机处于额定转速；
(b)根据步骤(a)的调制比振幅最大值mrmax和调制比振幅最小值mrmin计算出调制比滞环宽度Δm0；
(c)根据永磁同步电机的控制周期tc计算基础励磁电流值Δid0；
(d)从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax，设置永磁同步电机的弱磁系数Pf，根据最大调制比mmax和弱磁系数Pf计算切换点调制比mf，根据切换点调制比mf和步骤(b)的调制比滞环宽度Δm0计算出退出弱磁点调制比mq；
(e)确定永磁同步电机的调制比划分系数β1、β2、β3，通过步骤(a)的实时调制比mr、步骤(d)的切换点调制比mf和退出弱磁点调制比mq确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2的约束条件；
(f)根据步骤(e)的确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2、步骤(c)的基础励磁电流值Δid0通过以下公式计算当前指令周期的指令励磁电流，然后将其限幅输出，公式如下：
其中，k≥1且k为整数，Δid(k)为k时刻步长，id(k)为k时刻励磁电流指令值，id(k-1)为上一时刻励磁电流指令值。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(a)中实时调制比mr公式计算公式为：
其中mr为实时调制比，ud为矢量控制dq坐标系下d轴控制电压，uq为矢量控制dq坐标系下q轴控制电压，udc为直流母线电压。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(b)的具体过程为：调制比滞环宽度Δm0公式为：
Δm0＝mrmax-mrmin+Δmx
其中，Δm0为调制比滞环宽度；mrmax为调制比振幅最大值；mrmin为调制比振幅最小值；Δmx为调制比滞环宽度裕量，根据实际情况适当取值；因为太大的滞环会降低弱磁的响应速率，太小的滞环会导致在弱磁切换点处指令励磁电流振动，所以选取一组合适的mrmax和mrmin对滞环的设定很重要。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(c)的具体过程为：基础励磁电流值Δid0计算公式为：
Δid0＝P0tc
其中，P0为基础励磁电流值系数，其根据实际情况设定；tc为控制周期；基础励磁电流值Δid0由控制周期tc决定，例如，若控制周期较长，则弱磁控制的基础励磁电流值就相应变大，反之则变小，这样能保证在不同的控制周期都有较快的响应速率。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(d)的具体过程为：从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax；设置弱磁系数Pf，其为弱磁切换点的设定值，取值范围[0，1]，根据实际应用需求并结合实际测试情况而设定；
切换点调制比mf＝Pfmmax，退出弱磁点调制比mq＝Pfmax-Δm0。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(e)中P1的计算过程为：方向系数P1是指k-1时刻的实时调制比mr到k时刻时的变化趋势，通过此系数决定指令励磁电流增加或减小，其具体的确定原则为：
其中，mr为实时调制比，mq为退出弱磁点调制比，mf为切换点调制比。
作为本发明较佳的实施例中，步骤(e)中P2的计算过程：调制比划分系数β1、β2、β3是指弱磁控制算法中调制比约束条件的划分系数，根据实际情况确定，励磁电流差值系数P2是指根据约束条件所确定的k时刻的差值系数；为了获得k时刻的差值系数，其约束条件如下：
其中，α1、α2、α3、α4为不同约束条件下具体的差值系数值，具体值是根据实验以及实际应用工况进行获取的。
作为本发明较佳的实施例中，为了满足实时调制比mr越大，指令励磁电流id变化越快，同时指令值越大的要求，使0＜α1＜α2＜α3＜α4，在k时刻使用不同励磁电流差值系数P2来提升弱磁控制的响应速率。
作为本发明较佳的实施例中，为防止失磁现象对指令励磁电流id有最小值的限制，即为指令励磁电流id负向增加的最大值，其通过电磁转矩计算公式得到，公式如下：
此公式为等功率变换下的转矩计算公式，其中，Te为期望电磁转矩，iq为指令转矩电流，id为励磁电流，为磁链，Ld、Lq分别为d轴电感、q轴电感，P为电机极对数。
指令励磁电流id限幅输出是指防止永磁同步电机在高转速工况下出现失磁现象，即不断负向增大励磁电流id，是永磁体磁场全部抵消导致电机突然机械转矩为0的现象；所以对指令励磁电流id最小值(负向增加的最大值)进行限制。
作为本发明较佳的实施例中，Te＝0条件下的励磁电流id，为失磁时刻的励磁电流值，作为下限幅值idmin；
其中，d轴电感Ld和q轴电感Lq为永磁同步电机的已知参数；励磁电流值id为负值(id＜0)，若idmin算出值为正则直接添加负号取负值。对于指令励磁电流id的上限幅值，由于永磁同步电机矢量控制在非弱磁阶段使用id＝0控制方法，所以指令励磁电流id的最大值限制idmax＝0。
完成上述过程即完成永磁同步电机自适应弱磁控制流程。
如图1所示，所述永磁同步电机用于小型物流纯电动汽车驱动系统中，额定功率18kW，峰值功率45kW，电机的额定线电压为185V，额定电流为71A，额定转速3000r/min，峰值转速8000r/min。该系统直流母线电压udc为320V，采用id＝0矢量控制算法，通过坐标变换将定子的三相电流转变为按转子磁场定向的两相直流分量id和iq，其中id是励磁电流分量，iq是转矩电流分量。矢量控制需要输入指令id和指令iq，分别对磁通和转矩进行控制。指令id通过弱磁控制算法计算得到，指令iq通过给定指令转矩计算得到。
如图2所示，根据实际工况，计算实时调制比mr，确定方向系数P1；根据控制周期tc确定基础励磁电流值Δid0；为了加快弱磁响应速率，根据实际电动汽车行驶情况及实验情况，通过实时调制比mr及控制周期tc确定励磁电流差值系数P2。最终，待所需参数都确定后，即可获得需要的励磁电流id给定值，并限幅输出。
如图3所示，以小型物流纯电动汽车驱动系统为实际应用，设置弱磁切换点系数Pf＝0.89，则可以通过已知的最大调制比mmax＝0.866计算得到弱磁切换点的调制比mf＝0.77。根据控制周期tc确定基础步长Δid0＝1A；根据实时调制比mr振荡幅度及实验验情况，确定滞环区间、退出弱磁点调制比及步长划分系数：
Δm0，＝0.058，mq＝0.712，β1＝0.469，β2＝0.938，β3＝1.407
当算法判断进入弱磁控制后，随着电机转速增大或减小，控制算法根据实时调制比mr确定方向系数P1及励磁电流差值系数P2，根据公式即可算出d轴的指令电流，最后进行限幅输出。
本发明不依赖电机参数和电机系统模型，避免了电机参数变化对弱磁效果的影响；而且，将调制比作为判定逆变器输出能力的依据，避免了工况对弱磁点的影响，根据实时调制比大小来自动适应弱磁切换点，以此实现在不同转速、电压等工况下永磁同步电机的平稳弱磁切换；另外，本发明响应快，算法简单且占用资源少。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)在永磁同步电机额定转速时，进行指令励磁电流id＝0的矢量控制实验；根据永磁同步电机矢量控制PI法算出d轴控制电压ud、q轴控制电压uq及采样直流母线电压udc算出实时调制比mr，根据实时调制比mr确定调制比振动幅度的最大值和最小值，分别为mrmax和mrmin；
(b)根据步骤(a)的调制比振幅最大值mrmax和调制比振幅最小值mrmin计算出调制比滞环宽度Δm0；
(c)根据永磁同步电机的控制周期tc计算基础励磁电流值Δid0；
(d)从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax，设置永磁同步电机的弱磁系数Pf，根据最大调制比mmax和弱磁系数Pf计算切换点调制比mf，根据切换点调制比mf和步骤(b)的调制比滞环宽度Δm0计算出退出弱磁点调制比mq；
(e)确定永磁同步电机的调制比划分系数β1、β2、β3，通过步骤(a)的实时调制比mr、步骤(d)的切换点调制比mf和退出弱磁点调制比mq确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2的约束条件；
(f)根据步骤(e)的确定出方向系数P1和励磁电流差值系数P2、步骤(c)的基础励磁电流值Δid0通过以下公式计算当前指令周期的指令励磁电流，然后将其限幅输出，公式如下：
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其中，k≥1且k为整数，Δid(k)为k时刻步长，id(k)为k时刻励磁电流指令值，id(k-1)为上一时刻励磁电流指令值。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(a)中实时调制比mr公式计算公式为：
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其中，mr为实时调制比，ud为矢量控制dq坐标系下d轴控制电压，uq为矢量控制dq坐标系下q轴控制电压，udc为直流母线电压。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(b)的具体过程为：调制比滞环宽度Δm0公式为：
Δm0＝mrmax-mrmin+Δmx
其中，Δm0为调制比滞环宽度；mrmax为调制比振幅最大值；mrmin为调制比振幅最小值；Δmx为调制比滞环宽度裕量，根据实际情况适当取值。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(c)的具体过程为：基础励磁电流值Δid0计算公式为：
Δid0＝P0tc
其中，P0为基础励磁电流值系数，其根据实际情况设定；tc为控制周期。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(d)的具体过程为：从步骤(a)的实时调制比mr得出最大调制比mmax；设置弱磁系数Pf，其为弱磁切换点的设定值，取值范围[0，1]，根据实际应用需求并结合实际测试情况而设定；
切换点调制比mf＝Pfmmax，退出弱磁点调制比mq＝Pfmmax-Δm0。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(e)中P1的计算过程为：方向系数P1是指k-1时刻的实时调制比mr到k时刻时的变化趋势，通过此系数决定指令励磁电流增加或减小，其具体的确定原则为：
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其中，mr为实时调制比，mq为退出弱磁点调制比，mf为切换点调制比。
7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，步骤(e)中P2的计算过程：调制比划分系数β1、β2、β3是指弱磁控制算法中调制比约束条件的划分系数，根据实际情况确定，励磁电流差值系数P2是指根据约束条件所确定的k时刻的差值系数；为了获得k时刻的差值系数，其约束条件如下：
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其中，α1、α2、α3、α4为不同约束条件下具体的差值系数值，具体值是根据实验以及实际应用工况进行获取的。
8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，为了满足实时调制比mr越大，指令励磁电流id变化越快，同时指令值越大的要求，使0＜α1＜α2＜α3＜α4，在k时刻使用不同励磁电流差值系数P2来提升弱磁控制的响应速率。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，为防止失磁现象对指令励磁电流id有最小值的限制，即为指令励磁电流id负向增加的最大值，其通过电磁转矩计算公式得到，公式如下：
此公式为等功率变换下的转矩计算公式，其中，Te为期望电磁转矩，iq为指令转矩电流，id为励磁电流，为磁链，Ld、Lq分别为d轴电感、q轴电感，P为电机极对数。
10.根据权利要求9所述的一种永磁同步电机自适应弱磁控制方法，其特征在于，Te＝0条件下的励磁电流id，为失磁时刻的励磁电流值，作为下限幅值idmin；
其中，d轴电感Ld和q轴电感Lq为永磁同步电机的已知参数；励磁电流值id为负值(id＜0)，若idmin算出值为正则直接添加负号取负值；指令励磁电流id的上限幅值为idmax＝0。
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