CN108390612A

CN108390612A - 一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法

Info

Publication number: CN108390612A
Application number: CN201810204955.7A
Authority: CN
Inventors: 王长江; 覃云; 张修武; 房伟
Original assignee: Jiangxi Jing Jun Electronic Control Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Jing Jun Electronic Control Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-08-10
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: CN108390612B

Abstract

本发明公开了一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，电流指令表格设计方法以及利用一张表格完成不同电压的插值方式；查表所采用的提高精度的方式；对不同运行区间的分区域处理方式。采用上述技术方案，表格数据少，占用存储空间少；查表方式可以更加准确的插值出表格数据中不存在的值；对电机运行区域分开处理，使得控制更加全面，准确。

Description

一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制的技术领域。更具体地，本发明涉及一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法。

背景技术

目前，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)的弱磁问题主要从电机设计和控制策略的角度着手研究。

一些学者从电机本体结构的角度，通过改变励磁回路、永磁励磁磁通旁路、混合励磁调节气隙磁通等方法对电机的弱磁性能进行改善。另一些学者则从控制策略的角度来提高永磁同步电机的弱磁性能。

弱磁控制大多采用基于磁场定向控制(field-oriented control，FOC)和最大转矩电流比(maximum torque per ampere，MTPA)控制。MTPA控制主要用于低转速运行时提高电机效率；而FOC控制主要在于设计d轴、q轴电流调节器。

常见的弱磁控制策略有公式计算法、梯度下降法、负id补偿法、单电流调节法、电流角度法等。

公式计算法的精度依赖于电机数学模型的精度，实际中要想建立一个准确的模型很难，故很少在实际工程中应用；

梯度下降法计算量大，实现较复杂。

负id补偿法和电流角度法尽管实现简单，但不能实现在高速条件下可靠的弱磁。

单电流调节法以电压为调节对象，实现了深度弱磁，具有一定发展前景，在电流控制的稳定性方面，有待改进。

综上所述，现有技术中永磁同步电机弱磁控制的缺点为：

1、电流指令不准确，转矩控制精度差；2、占用过多的内存；3、对母线电压有依耐性。

基于此，本专利提出了一种精确的查表方法，通过提高给定直轴电流和交轴电流的精度，能够对电机转矩在恒转矩区域和弱磁区域均能进行准确控制。与此同时，不同于已有的查表法，提出的新方法可以自适应母线电压的变化。

发明内容

本发明提供一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其目的是提高对给定直轴电流和交轴电流的精度，实现对永磁同步机转矩的精确控制。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于：应用于所述的弱磁控制方法的电流指令表格根据以下方式确定：

由定子电压方程：

其中

u_d ²+u_q ²＝u_s ² (2)

由于R很小，可以忽略；

式(1)中，第二项中id、iq在稳态时为直流，故对其求导为零；将上式简化后两端平方相加可得：

电磁转矩方程：

式(3)和式(4)为电机运行的必要条件，还受其他因素限制，具体如下：

若最大定子电流I＝500A，可得：

i_d ²+i_q ²≤500² (5)

联立式(4)、式(5)，可以解得电磁转矩的范围为﹣349N·m～349N·m，结合实际情况选择电磁转矩范围为﹣300N·m～300N·m；

为得到最大转矩/电流比，可设下列方程

i_d ²+i_q ²＝h² (6)

式(6)为目标方程，式(4)为约束方程；

根据拉格朗日乘子法，保证h的值最小，可得到MTPA方程：

式(3)为目标方程，式(4)为约束方程；

根据拉格朗日乘子法，可得到两方程所表示曲线相切的点，该点表示在Us，Te相同情况下，电角速度最大；

MTPV方程如下：

其中：

由上述可知，式(3)、式(4)为电机运行的状态方程，式(6)、式(7)和式(8)为电机运行时的约束条件；还可以看出在当在不同电压情况下，id、iq范围不会发生变化，只是电角速度随电压变化；

对于电机运行来说，其转速可大致给定范围0～15000rpm，电机为同步电机，点角速度和转速具有一定的关系，可以计算出电角速度We；

根据式(3)、式(4)可以计算出对应的id、iq数据，通过式(6)、式(7)、式(8)筛选出符合要求的电流值，即为弱磁区域的id、iq数据表格。

所述的查表方式为：

首先对电机运行区间进行分析，可分为恒转矩区域和弱磁区域，分别为区域I、区域II；

所述的id、iq表格数据对应区域II，其范围在不同电压母线情况下均不发生变化；

在区域II中，结合式(3)可知，对应同一点的电流值id、iq时，等式右边不变，等式左边We与Us成正比关系，即不同母线电压情况下，其对应的电角速度We均可以映射到同一母线电压中；

其表达式如下：

其中：

当给定电磁转矩、转速指令时，转速经过采集的母线电压值，映射到表格对应的母线电压；

根据电磁转矩、映射后的转速指令可能落在三个区域，解决办法如下：

区域I：N<Nmin，id＝idmin、iq＝iqmin；

区域II：Nmin<N<Nmax，id、iq的值需经过查表给出；

区域III：N>Nmax,保持转速不变，减小Te，使点落在区域II的边界上。

对于区域I，恒转矩区域，查表给定id、iq后，We与Us成正比，转速越大，We越大，Us越大；当满足式(10)时进入弱磁区域，即区域II。

对于区域II，Us不变，id、iq随We变化而变化，具体查表过程如下：

步骤1、根据给定U’dc，将N’换算至已有表格Udc所对应的N，根据电机参数计算电角速度We；

步骤2、根据给定的Te，确定Te在表格中的两行；

步骤3、根据Te所在的两行，计算Te对应的最大wemax和最小wemin,并得最大idmax、iqmax和最小的idmin、iqmin；

步骤4、根据Te和We落在表格中的区域，找出所在区域的四个点，进行二次线性差值计算，得到id、iq；

步骤5、将所得的值与步骤3得到的最大最小电流值对比，输出符合的电流值。

对于区域III，在表格中找到距离给定Te最近，并且能满足转速要求的电流值。

本发明采用上述技术方案，表格数据少，占用存储空间少；查表方式可以更加准确的插值出表格数据中不存在的值；对电机运行区域分开处理，使得控制更加全面，准确。

附图说明

图1为在约束条件下的数据点的示意图；

图2为电机运行区域的示意图；

图3为区域II查表流程的示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明是基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法。为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高对给定直轴电流和交轴电流的精度，实现对永磁同步机转矩的精确控制的发明目的，如图1至图3所示，本发明的设计思路如下：

(1)、表格设计思路以及利用一张表格完成不同电压的插值方式；

(2)、查表所采用的提高精度的方式；

(3)、对不同运行区间的分区域处理方式。

给定永磁同步电机理论参数：L_d＝0.15mH、L_q＝0.40mH、P_n＝4、R＝12mΩ、Udc＝200V。最大定子电流I＝500A。

具体技术方案是：

一、电流指令表格：

定子电压方程：

其中

u_d ²+u_q ²＝u_s ² (2)

由于R很小，可以忽略。式(1)中，第二项中id、iq在稳态时为直流，故对其求导为零。将上式简化后两端平方相加可得：

电磁转矩方程：

由最大定子电流可得：

i_d ²+i_q ²≤500² (5)

联立式(4)、式(5)，可以解得电磁转矩的范围约为﹣349N·m～349N·m。结合实际情况选择电磁转矩范围为﹣300N.m～300N.m。

为得到最大转矩/电流比，可设下列方程

i_d ²+i_q ²＝h² (6)

式(6)为目标方程，式(4)为约束方程。根据拉格朗日乘子法，保证h的值最小，可得到MTPA方程：

式(3)为目标方程，式(4)为约束方程。根据拉格朗日乘子法，可得到两方程所表示曲线相切的点，该点表示在Us，Te相同情况下，电角速度最大。

MTPV方程如下：

其中：

由上述可知，式(3)、式(4)为电机运行的状态方程，式(6)、式(7)和式(8)为电机运行时的约束条件，还可以看出在当在不同电压情况下，id、iq范围不会发生变化，只是电角速度随电压变化。

对于电机运行来说，其转速可大致给定范围0～15000rpm，电机为同步电机，点角速度和转速具有一定的关系，可以计算出电角速度We。根据式(3)、式(4)可以计算出对应的id、iq数据，通过式(6)、式(7)、式(8)筛选出符合要求的电流值，即为弱磁区域的id、iq数据表格。

其电流数据点，如图1所示。

二、查表方式：

首先对电机运行区间进行分析，大致可分为恒转矩区域和弱磁区域，如图2中的I、II区域。

在上述思路中，id、iq表格数据对应区域II，其范围在不同电压母线情况下均不发生变化。在区域II中，结合式(3)可知，对应同一点的电流值id、iq时，等式右边不变，等式左边We与Us成正比关系，即不同母线电压情况下，其对应的电角速度We均可以映射到同一母线电压中。

表达式如下：

其中：

当给定电磁转矩、转速指令时，转速经过采集的母线电压值，映射到表格对应的母线电压。根据电磁转矩、映射后的转速指令可能落在图2中的三个区域，解决办法如下：

区域I：N<Nmin，id＝idmin、iq＝iqmin；

区域II：Nmin<N<Nmax，id、iq的值需经过查表给出；

区域III：N>Nmax,保持转速不变，减小Te，使点落在区域II的边界上；

1、对于区域I，恒转矩区域，查表给定id、iq后，We与Us成正比，转速越大，We越大，Us越大。当满足式(10)时进入弱磁区域，即区域II，

2、对于区域II，Us不变，id、iq随We变化而变化，具体查表过程如下：

步骤2、根据给定的Te，确定Te在表格中的两行；

步骤5、将所得的值与步骤3得到的最大最小电流值对比，输出符合的电流值；

具体流程图如图3所示。

3、对于区域III，在表格中找到距离给定Te最近，并且能满足转速要求的电流值。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：

1、表格数据少，占用存储空间少。

2、查表方式可以更加准确的插值出表格数据中不存在的值。

3、对电机运行区域分开处理，使得控制更加全面，准确。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于：应用于所述的弱磁控制方法的电流指令表格根据以下方式确定：

由定子电压方程：

其中

ud2+uq2＝us2(2)

由于R很小，可以忽略；

电磁转矩方程：

若最大定子电流I＝500A，可得：

i_d ²+i_q ²≤500² (5)

为得到最大转矩/电流比，可设下列方程

i_d ²+i_q ²＝h² (6)

式(6)为目标方程，式(4)为约束方程；

根据拉格朗日乘子法，保证h的值最小，可得到MTPA方程：

式(3)为目标方程，式(4)为约束方程；

MTPV方程如下：

其中：

2.按照权利要求1所述的基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，所述的查表方式为：

其表达式如下：

其中：

区域I：N<Nmin，id＝idmin、iq＝iqmin；

区域II：Nmin<N<Nmax，id、iq的值需经过查表给出；

3.按照权利要求2所述的基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于：对于区域I，恒转矩区域，查表给定id、iq后，We与Us成正比，转速越大，We越大，Us越大；当满足式(10)时进入弱磁区域，即区域II。

4.按照权利要求2所述的基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于：对于区域II，Us不变，id、iq随We变化而变化，具体查表过程如下：

步骤2、根据给定的Te，确定Te在表格中的两行；

5.按照权利要求2所述的基于查表方式的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于：对于区域III，在表格中找到距离给定Te最近，并且能满足转速要求的电流值。