CN108649846B - 一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法，先根据电机控制系统当前运行状况，读取d、q轴电流值i_d、i_q，实际转速与指令转速差值Δω；然后判断当前实际工作点与最优工作点的相对位置关系，再将转速差值Δω和当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，输入到模糊控制器，得到当前工作点寻优迭代步长；然后结合工作点与最优工作点位置关系，与模糊控制器输出的寻优电压步长Δu_fwc，完成当前弱磁电压的修正；重复多次修正，直至实际工作点角度关系和转速差值关系满足最优工作点判断条件，寻优结束；本发明使永磁同步电机在获得较宽转速范围的同时，具有较强的带负载能力。

Description

一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机弱磁控制技术领域，具体涉及一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法。

背景技术

永磁同步电机弱磁控制的思路来源于他励直流电机调磁扩速，他励直流电机转速上升受到直流侧母线电压限制时，可以通过调节励磁电流，改变励磁磁通，进一步扩大电机转速范围。而永磁同步电机转子磁场由永磁材料产生，无法通过调节电流、电压等方式改变其磁场强度。在转速上升时，永磁同步电机弱磁控制是通过增加去磁电流，以防止反电动势过大造成系统失控。通常，有两种减弱励磁电流的方式：增加反向交轴电流，增加反向直轴电流。过大的反向交轴电流会削弱电机的转矩负载能力，所以一般采用增加反向直轴电流削弱励磁磁场的方式实现弱磁扩速。

传统弱磁控制方法含有两个电流调节器，电机高速运行时，交、直轴电流之间存在耦合关系，随着转速的上升，电流耦合加重，严重时会导致电机失速，影响控制效果。根据交轴电压取值方式不同可分为三种单电流控制方式：定交轴电压控制、变交轴电压控制、电压角度控制，其中变交轴弱磁电压单电流调节器弱磁控制方法主要有：查表法、电流梯度下降法、负直轴电压补偿法：

①查表法根据对应转速条件不同负载转矩所需弱磁电压建立查找表，可以有效提升负载能力。但查表法在前期所需测试量较大，可移植性不高，在实际生产中大规模应用具有一定的困难。

②负直轴电压补偿法参数依赖性小，系统鲁棒性强，但带负载能力有限，且容易造成电流调节器饱和、系统失稳。

③电流梯度下降法可移植性较强，弱磁控制部分没有任何参数依赖性。但该方法选取合适迭代步长具有一定的困难，步长太大电机转速无法稳定，步长太小系统实时性不够。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法，使永磁同步电机在获得较宽转速范围的同时，具有较强的带负载能力。

为了达到上述控制效果，本发明采用如下技术方案：

一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法，包括以下步骤：

步骤一：根据电机控制系统当前运行状况，读取d、q轴电流值i_d、i_q，实际转速与指令转速差值Δω；

步骤二：将步骤一中读取的电流值i_d、i_q，代入式(1)判断当前实际工作点与最优工作点的相对位置关系，

式中：

——电压下降方向，u为直流侧母线电压；

——恒转矩向左方向，T_e为电机输出转矩；

若函数f＝0，说明当前工作点为对应负载转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向垂直；

若函数f>0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈锐角关系，且位于最优工作点B点右上方，需要通过减小弱磁电压的方式到达最优工作点；

若函数f<0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈钝角关系，且位于最优工作点B点左下方，需要通过增加弱磁电压的方式到达最优工作点；

步骤三：将步骤一中读取的转速差值Δω和当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，输入到模糊控制器，得到当前工作点寻优迭代步长，其中，当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，由式(2)计算得出，

式中，分子项为矢量点积，分母为矢量模的积；

步骤四：结合步骤二中工作点与最优工作点位置关系，与步骤三中模糊控制器输出的寻优电压步长Δu_fwc，完成当前弱磁电压的修正；

若实际工作点位于最优工作点右上方，实际工作点A与最优工作点B的相对位置关系，需要通过减小弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(3)；

u_fwc＝u_fwc-Δu_fwc (3)

若实际工作点位于最优工作点左下方，实际工作点C与最优工作点B的相对位置关系，需要通过增加弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(4)；

u_fwc＝u_fwc+Δu_fwc (4)

单电流调节器弱磁控制具体方案为：根据当前工作点电流情况，计算对应最优工作点判断函数f，当函数取值为负，弱磁电压u_fwc需向变大方向修正，修正量Δu_fwc由步骤三中模糊控制器计算得出；当最优工作点判断函数f取值为正，则弱磁电压u_fwc需向减小方向修正，修正量同样由步骤三中模糊控制器计算得出，修正后的弱磁电压u_fwc作为下一周期系统交轴电压量；

步骤五：重复步骤一至步骤四完成对弱磁电压的多次修正，直至实际工作点角度关系和转速差值关系满足最优工作点判断条件，寻优结束。

所述的模糊控制器采用模糊控制方法，以指令转速与实际转速差值为输入变量1，工作点电压下降方向与转矩向左方向所成角度为输入变量2，寻优步长Δu_fwc为模糊控制器输出变量，模糊规则建立标准以寻优开始阶段选取大步长，保证寻优速度；寻优结束阶段选取小步长，保证系统稳定性；同时，扩大最优工作点范围，以保证模糊控制器转速差值在[-200，200]rpm内，矢量夹角值在[70°,110°]内，输出值固定不变以保证系统稳定性。

本发明具有以下有益效果：

①由于本发明在步骤二中最优工作点同时满足MTPV曲线判断条件，则实际工作点可以输出单位电压条件下的最大转矩，避免了单电流调节器弱磁控制算法带负载能力不足的缺陷，实现了弱磁调速范围最大化，电压利用率最大化；

②由于本发明在步骤三中采用智能算法自动选取寻优步长，避免了寻优步长选取不合适带来的系统稳定性差和系统响应能力差的缺陷，实现了电机控制系统高精度，快响应的控制要求；

③由于本发明是基于单电流调节器弱磁控制方法，避免了传统双电流调节器弱磁控制存在的电流耦合恶化系统控制性能的问题，实现了无需解耦模块的解耦弱磁控制；

④由于本发明在步骤三中采用基于专家经验的模糊控制器进行寻优步长选择，避免了传统弱磁控制参数依赖性强的问题，实现了该弱磁算法鲁棒性强、可移植性强的特点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明最优工作点判断条件。

图3为本发明单电流调节器弱磁控制示意图。

图4为本发明模糊控制器输出效果示意图。

图5为本发明实施例仿真模型示意图。

图6为本发明实施例工作点矢量角度关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

参照图1，一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法，包括以下步骤：

步骤一：根据电机控制系统当前运行状况，读取d、q轴电流值i_d、i_q，实际转速与指令转速差值Δω；

i_d＝-9.627A；i_q＝8.367A；Δω＝821.7rpm；

步骤二：将步骤一中读取的电流值i_d、i_q，代入式(1)判断当前实际工作点与最优工作点的相对位置关系，

式中：

——电压下降方向，u为直流侧母线电压；

——恒转矩向左方向，T_e为电机输出转矩；

若函数f＝0，说明当前工作点为对应负载转矩条件下的最优工作点，如图2中B点所示，其恒转矩向左方向与电压下降方向垂直；

若函数f>0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，如图2中A点所示，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈锐角关系，且位于最优工作点B点右上方，需要通过减小弱磁电压的方式到达最优工作点；

若函数f<0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，如图2中C点所示，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈钝角关系，且位于最优工作点B点左下方，需要通过增加弱磁电压的方式到达最优工作点；

本实施例求得：

说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，如图2中C点所示，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈钝角关系，且位于最优工作点B点左下方，需要通过增加弱磁电压的方式到达最优工作点；

步骤三：将步骤一中读取的转速差值Δω和当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，输入到模糊控制器，得到当前工作点寻优迭代步长；其中，当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，由式(2)计算得出，

式中，分子项为矢量点积，分母为矢量模的积；

模糊控制器采用模糊控制方法，以指令转速与实际转速差值为输入变量1，工作点电压下降方向与转矩向左方向所成角度为输入变量2，寻优步长Δu_fwc为模糊控制器输出变量，模糊规则建立标准以寻优开始阶段选取大步长，保证寻优速度；寻优结束阶段选取小步长，保证系统稳定性；同时，扩大最优工作点范围，以保证模糊控制器转速差值在[-200，200]rpm内，矢量夹角值在[70°,110°]内，输出值固定不变以保证系统稳定性，模糊控制器输出迭代步长效果如图4所示；

本实施例θ计算得出，

将Δω、θ输入模糊控制器，得到寻优步长为：Δu_fwc＝6.5×10^-3V；

步骤四：结合步骤二中工作点与最优工作点位置关系，与步骤三中模糊控制器输出的寻优电压步长Δu_fwc，完成当前弱磁电压的修正；

若实际工作点位于最优工作点右上方，如图2中实际工作点A与最优工作点B的相对位置关系，需要通过减小弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(3)；

u_fwc＝u_fwc-Δu_fwc (3)

若实际工作点位于最优工作点左下方，如图2中实际工作点C与最优工作点B的相对位置关系，需要通过增加弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(4)；

u_fwc＝u_fwc+Δu_fwc (4)

单电流调节器弱磁控制具体方案为：根据当前工作点电流情况，计算对应最优工作点判断函数f，当函数取值为负，弱磁电压u_fwc需向变大方向修正，修正量Δu_fwc由步骤三中模糊控制器计算得出；当最优工作点判断函数f取值为正，则弱磁电压u_fwc需向减小方向修正，修正量同样由步骤三中模糊控制器计算得出，修正后的弱磁电压u_fwc作为下一周期系统交轴电压量；

本实施例当前工作点位于最优工作点左下方，如图2中实际工作点C与最优工作点B的相对位置关系，读取当前工作点弱磁电压u_fwc＝65.96V，则对应下一循环周期弱磁电压为：u_fwc＝u_fwc+Δu_fwc＝65.96+6.5×10^-3；

步骤五：重复步骤一至步骤四完成对弱磁电压的多次修正，直至实际工作点角度关系和转速差值关系满足最优工作点判断条件，寻优结束。

参照图5和图6，图5为本实施例工作点对应Simulink模型，图6为本实施例仿真过程实际工作点恒转矩方向与电压方向所成角度均保持在90°附近范围内，说明本实施例所有实际工作点为恒转矩曲线与MTPV曲线交点。本实施例在工作点对应转矩条件下，电机转速可达理论上的最大值，具有弱磁调速范围宽的特点；本实施例所有工作点满足MTPV控制曲线约束条件，实现了弱磁电压利用率的最大化，可以在单位电压条件下输出最大转矩，具有带负载能力强的特点。

Claims (1)

1.一种基于单电流调节器的弱磁电压确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据电机控制系统当前运行状况，读取d、q轴电流值i_d、i_q，实际转速与指令转速差值Δω；

步骤二：将步骤一中读取的电流值i_d、i_q，代入式(1)判断当前实际工作点与最优工作点的相对位置关系，

式中：

——电压下降方向，u为直流侧母线电压；

——恒转矩向左方向，T_e为电机输出转矩；

若函数f＝0，说明当前工作点为对应负载转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向垂直；

若函数f＞0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈锐角关系，且位于最优工作点B点右上方，需要通过减小弱磁电压的方式到达最优工作点；

若函数f<0，说明当前工作不是对应转矩条件下的最优工作点，其恒转矩向左方向与电压下降方向呈钝角关系，且位于最优工作点B点左下方，需要通过增加弱磁电压的方式到达最优工作点；

步骤三：将步骤一中读取的转速差值Δω和当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，输入到模糊控制器，得到当前工作点寻优迭代步长，其中，当前工作点恒转矩方向与电压下降方向所成角度关系θ，由式(2)计算得出，

式中，分子项为矢量点积，分母为矢量模的积；

步骤四：结合步骤二中工作点与最优工作点位置关系，与步骤三中模糊控制器输出的寻优电压步长Δu_fwc，完成当前弱磁电压的修正；

若实际工作点位于最优工作点右上方，实际工作点A与最优工作点B的相对位置关系，需要通过减小弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(3)；

u_fwc＝u_fwc-Δu_fwc (3)

若实际工作点位于最优工作点左下方，实际工作点C与最优工作点B的相对位置关系，需要通过增加弱磁电压的方式对电压进行修正，如式(4)；

u_fwc＝u_fwc+Δu_fwc (4)

单电流调节器弱磁控制具体方案为：根据当前工作点电流情况，计算对应最优工作点判断函数f，当函数取值为负，弱磁电压u_fwc需向变大方向修正，修正量Δu_fwc由步骤三中模糊控制器计算得出；当最优工作点判断函数f取值为正，则弱磁电压u_fwc需向减小方向修正，修正量同样由步骤三中模糊控制器计算得出，修正后的弱磁电压u_fwc作为下一周期系统交轴电压量；

步骤五：重复步骤一至步骤四完成对弱磁电压的多次修正，直至实际工作点角度关系和转速差值关系满足最优工作点判断条件，寻优结束；

所述的模糊控制器采用模糊控制方法，以指令转速与实际转速差值为输入变量1，工作点电压下降方向与转矩向左方向所成角度为输入变量2，寻优步长Δu_fwc为模糊控制器输出变量，模糊规则建立标准以寻优开始阶段选取大步长，保证寻优速度；寻优结束阶段选取小步长，保证系统稳定性；同时，扩大最优工作点范围，以保证模糊控制器转速差值在[-200，200]rpm内，矢量夹角值在[70°,110°]内，输出值固定不变以保证系统稳定性。

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