CN107659231B - 一种超高速永磁同步电机转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法。根据速度误差和定子电流分别进行自适应反步控制和单电流弱磁控制，得到各自的电压控制量和根据自适应反步控制输出的电压控制量计算得到与参考矢量电压u_smax进行比较，在基速段采用自适应反步控制方法，在基速以上的高速段采用单电流调节的弱磁控制方法对电机转速进行控制。本发明可以进行模式切换实现超高速永磁同步电机全速域控制，不依赖电机参数，易于实现，提高了电机带载能力，具有强鲁棒性。

Description

一种超高速永磁同步电机转速控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法。

背景技术

超高速永磁同步电机在现代工业中应用越来越广泛，随着转速的提高，逆变器交流输出侧电压达到最大值时，会引起电流调节的饱和，限制速度的上升。若想在永磁同步电机进行高速段的控制，必须要对其进行弱磁控制。

超高速永磁同步电机由于其本身强耦合、非线性的特性，传统的PI控制难以满足电机低速运行时的鲁棒性，不能及时克服参数的不确定性及各种未知扰动，因此需要采用非线性控制算法对其进行基速段的控制。

目前，常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法、梯度下降法、负i_d补偿法、单电流调节法。公式计算法需要依赖电机的数学模型，实际上电机的模型是非线性、不确定的，在实际工程中很难实现；查表法需要大量的实验数据，制成相应的表格存放在控制芯片中，实现起来较为复杂；梯度下降法其计算量很大，实现也较为复杂；比较常用的是负i_d补偿法，由于其在工程中易于实现，被广泛应用，但是其无法实现深度弱磁的控制。传统的单电流调节法虽然大大提高了弱磁深度，但是由于其交轴电压是一个定值，其电压利用率低，转矩输出能力差。

发明内容

针对超高速永磁同步电机在基速以上存在电压电流限制转速的问题，以及在基速段电机不能及时克服参数的不确定性及各种未知扰动，本发明提出一种基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，实现电机全速域的稳定控制。

本发明技术方案为：一种基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，在矢量控制的模式下，在基速段采用自适应反步控制方法，在基速以上的高速段采用单电流调节的弱磁控制方法对电机转速进行控制。具体包括以下步骤：

步骤1，根据速度误差e和d-q两相旋转坐标系下定子电流i_d、i_q分别进行自适应反步控制和单电流调节的弱磁控制，分别得到自适应反步控制的电压输出量和单电流调节的弱磁控制的电压输出量

步骤2，根据自适应反步控制输出的电压控制量计算得到参量u_s，然后比较参量u_s与参考矢量电压u_smax的大小；当电u_smax≥u_s时，将自适应反步控制的电压输出量作为对电机施加的电压控制量u_d和u_q；当u_smax＜u_s时，将单电流调节的弱磁控制的电压输出量作为对电机施加的电压控制量u_d和 u_q；

步骤3，对电压控制量u_d和u_q进行park逆变换得到α-β坐标系下的电压控制量u_α和u_β，经过电压空间矢量计算，对电机转速进行PWM控制。

进一步，步骤1中，自适应反步控制的电压输出量的计算方法为：

对于d-q两相旋转坐标系下q轴的电压输出量首先按照下式所示Lyapunov函数，计算获得电流虚拟输入量

其中，J为电机的转动惯量，n_p为极对数，ψ_f永磁磁链，τ_L为等效的摩擦转矩，k 为可调参数，k＞0，为根据自适应率估计的摩擦系数值，为给定速度值w_r ^*的导数；

然后根据电流虚拟输入量按照下式所示方法获得d轴的电压输出量

其中，为根据自适应率估计的电阻值，e_q为d-q两相旋转坐标系下q轴电流误差，L为电机电感值，为给定速度值导数的导数，为估计的摩擦系数的导数，i_q为电机实际电流在d-q两相旋转坐标系中q轴上的电流分量，k₂为可调参数，k₂＞0；

对于d轴电压控制量u_1d ^*，采用i_d＝0的零直轴矢量控制，按下式所示方法计算获得，

其中，k₁为可调参数，k₁＞0，e_d为d-q两相旋转坐标系中d轴的电流分量误差，i_q为电机实际电流在q轴上的分量。

进一步，步骤1中，单电流调节的弱磁控制的电压输出量的计算方法为：

对于d-q两相旋转坐标系下d轴的电压输出量首先根据速度误差，经过PI变换获得直轴电流控制量然后与电机反馈的定子电流d轴分量i_d进行PI计算，得到电压输出量

其中，k_p、k_I分别为比例系数和积分系数，均大于0，为d轴电流误差，∫e_d为d轴电流的积分项；

对于d-q两相旋转坐标系下q轴的电压输出量有

其中，u_smax为参考矢量电压，为一正常数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明在高速段采用单电流调节对转速进行弱磁控制，解决了高速情况下由于电流调节的饱和，限制速度的上升的问题，实现电机全速域的转速控制。

(2)本发明在基速段采用自适应反步控制方法，基于i_d＝0的矢量控制，克服了低速段对参数的不确定性及各种未知扰动带来的问题。

(3)本发明根据参考矢量电压u_smax和u_s的大小关系，进行不同模式选择，在基速段采用自适应反步控制，保证了电机的抗扰动性；在高速段采用基于单电流调节的弱磁控制，实现电机的超高速。

(4)本发明在电机弱磁控制模式中，采用了基于变交轴电压的单电流调节器，不再是个定值，会根据的变化而变化，从而实现电压的最大利用率，提高了电机的带载能力。

附图说明

图1是本发明基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制系统示意图；

图2是本发明中的自适应反步控制方法示意图；

图3是传统的单电流调节器弱磁控制方法示意图；

图4是本发明中的单电流调节器弱磁控制方法示意图；

图5是本发明中的控制模式选择示意图；

图6是本发明基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

结合图1-6，基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据转速误差e和d-q两相旋转坐标系下的定子电流i_d、i_q分别进行自适应反步控制和单电流调节的弱磁控制，分别得到自适应反步控制下的电压输出量和单电流调节的弱磁控制下的电压输出量

根据速度误差e和d-q两相旋转坐标系下定子电流i_d、i_q进行自适应反步控制得到电压输出量在d-q轴上的分量时，如图2所示，采用自适应反步控制进行速度控制，将电机数学模型分成速度子系统和电流子系统机进行控制，具体为：

首先，根据速度误差e＝w_r ^*-w，w_r ^*为给定速度值，w为实际电机速度，按照下式所示Lyapunov函数，得到电流子系统的虚拟输入量

其中，J为电机的转动惯量，n_p为极对数，ψ_f永磁磁链，τ_L为等效的摩擦转矩，k 为可调参数，k＞0，为根据自适应率估计的摩擦系数值，为给定速度值w_r ^*的导数。

其次，进行电流子系统的设计，得到交轴电压控制量u_1q ^*，方法如下式所示，

其中，为根据自适应率估计的电机电阻值，e_q为d-q两相旋转坐标系下q轴电流误差，L为电机电感值，为给定速度值导数的导数，为估计的摩擦系数的导数，i_q为电机实际电流在d-q两相旋转坐标系中q轴上的电流分量，k₂为可调参数，k₂＞0。

对于直轴电压控制量u_1d ^*，采用i_d＝0的零直轴矢量控制，计算得到，具体方法如下式所示：

其中，k₁为可调参数，k₁＞0，e_d为d-q两相旋转坐标系中d轴的电流分量误差，i_q为电机实际电流在q轴上的分量。

图3为传统的单电流调节器弱磁控制方法。该方法的给定是一个确定的电压值，在电机弱磁控制过程中不发生变化，该方法控制下电机在弱磁区域的带载能力较弱。因此，如图4所示，本发明根据速度误差e和定子电流i_d、i_q进行单电流调节的弱磁控制，即由速度误差，经过PI变换给出直轴电流控制量与电机反馈的实际电流i_d再进行 PI计算，得到d轴上的控制量方法如下式所示，

其中，k_p、k_I分别为比例系数和积分系数，均大于0，为d轴电流误差，∫e_d为d轴电流的积分项。

对于q轴上的控制量采用变交轴电压的方法，让电机电流矢量在电压极限椭圆和恒转矩曲线的交点上。提高带载能力和电压利用率，可以使电机在弱磁区域，进行高速的稳定控制。q轴上的控制量的计算方法如式(5)所示，

其中，u_smax为参考矢量电压，为一正常数。

步骤2，根据自适应反步控制输出的电压控制量计算得到参量u_s，且然后用u_s与参考矢量电压u_smax进行比较，根据比较结果选择相应的转速控制模式，输出对电机施加的电压控制量u_d和u_q，用于后端电机转速控制。

结合图5，本发明提出的转速控制模式选择结构图。具体选择方法如下：

当电机在基速以下运行时，即u_smax≥u_s，采用自适应反步控制进行基于零直轴电流的矢量控制，保持电机的强转矩能力，实现电机低速平稳运行。此时输出对电机施加的电压控制量u_d和u_q如下式所示，

当电机在基速以上的高速段运行时，即u_smax＜u_s，采用单电流调节器输出的和计算得到的作为对电机施加的电压控制量，对电机进行弱磁控制，实现电机高速段运行。此时输出对电机施加的控制量u_d和u_q为

步骤3，对电压控制量u_d和u_q进行park逆变换得到α-β坐标系下的电压u_α和u_β，经过电压空间矢量计算，对电机进行PWM控制；

将d-q两相旋转坐标系下的电压u_d和u_q进行park逆变换，转换成α-β静止坐标系下的电压u_α和u_β。

Park逆变换方法为：

最后根据u_α和u_β，对电机进行PWM控制。

步骤4，重复步骤1-3，直至电机转速达到给定指标。

Claims (2)

1.一种基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，在矢量控制的模式下，在基速段采用自适应反步控制方法，在基速以上的高速段采用单电流调节的弱磁控制方法对电机转速进行控制；

所述基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据速度误差e和d-q两相旋转坐标系下定子电流i_d、i_q分别进行自适应反步控制和单电流调节的弱磁控制，分别得到自适应反步控制的电压输出量和单电流调节的弱磁控制的电压输出量

其中，自适应反步控制的电压输出量的计算方法为：

对于d-q两相旋转坐标系下q轴的电压输出量首先按照下式计算获得电流虚拟输入量

其中，J为电机的转动惯量，n_p为极对数，ψ_f永磁磁链，τ_L为等效的摩擦转矩，k为可调参数，k＞0，为根据自适应率估计的摩擦系数值，w为实际电机速度，为给定速度值w_r ^*的导数；

然后根据电流虚拟输入量按照下式所示方法获得q轴的电压输出量

其中，为根据自适应率估计的电阻值，e_q为d-q两相旋转坐标系下q轴电流误差，L为电机电感值，为给定速度值导数的导数，为估计的摩擦系数的导数，i_q为电机实际电流在d-q两相旋转坐标系中q轴上的电流分量，k₂为可调参数，k₂＞0；

对于d轴电压控制量u_1d ^*，采用i_d＝0的零直轴矢量控制，按下式所示方法计算获得，

其中，k₁为可调参数，k₁＞0，e_d为d-q两相旋转坐标系中d轴的电流分量误差，i_q为电机实际电流在q轴上的分量；

步骤2，根据自适应反步控制输出的电压控制量计算得到参量u_s，然后比较参量u_s与参考矢量电压u_smax的大小；当u_smax≥u_s时，将自适应反步控制的电压输出量作为对电机施加的电压控制量u_d和u_q；当u_smax＜u_s时，将单电流调节的弱磁控制的电压输出量作为对电机施加的电压控制量u_d和u_q；

步骤3，对电压控制量u_d和u_q进行park逆变换得到α-β坐标系下的电压控制量u_α和u_β，经过电压空间矢量计算，对电机转速进行PWM控制。

2.如权利要求1所述基于单电流弱磁模式切换的超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，步骤1中，单电流调节的弱磁控制的电压输出量的计算方法为：

对于d-q两相旋转坐标系下d轴的电压输出量首先根据速度误差，经过PI变换获得直轴电流控制量然后与电机反馈的定子电流d轴分量i_d进行PI计算，得到电压输出量

其中，k_p、k_I分别为比例系数和积分系数，均大于0，为d轴电流误差，∫e_d为d轴电流的积分项；

对于d-q两相旋转坐标系下q轴的电压输出量有

其中，u_smax为参考矢量电压，为一正常数。