CN109217757B - 无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，包括以下步骤：步骤一：通过指令电流幅值|i_{s_ref}|，选择不同的弱磁控制模式；步骤二：若选择最小直流电压控制模式，则令电压增量ΔU＝0并且电流幅值差i_{s_error}＝0。若选择扩展直流电压控制模式，则另电压增量ΔU为电流幅值差i_{s_error}经过比例积分调节器PI_2的输出；步骤三：利用电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|经过比例积分调节器PI_1之后获得d轴电流指令i_{d_ref}。本发明在最小直流电压控制模式中，转矩脉动被显著抑制；在扩展直流电压控制模式中，母线电压利用率将被提升。

Description

无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别是涉及无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法。

背景技术

永磁同步电机有着高功率密度、高转矩密度、低成本的优势，其在工业和家电领域有着越来越多的应用。传统的电机驱动拓扑中，在其直流侧往往使用大容值电解电容以保证直流母线电压的稳定。但是电解电容受环境温度和电流纹波影响较大，当环境温度为105℃时，温度每上升10℃，电解电容寿命将减半；据统计，在电力电子系统中，约60％的故障为电解电容的损坏造成。相比于电解电容，薄膜电容更适用于电力电子系统，采用薄膜电容能显著提升电机驱动系统的可靠性、提升网侧功率因数、降低系统成本。将直流侧电解电容换成薄膜电容的电机驱动系统，称之为无电解电容电机驱动系统。

无电解电容永磁同步电机驱动系统主要由二极管不控整流桥、小容值薄膜电容、三相电压型逆变器、永磁同步电机构成。由于小容值薄膜电容不具有稳压作用，当网侧输入为三相电时，直流侧电压将主要由两部分构成：一部分为直流分量，另一部份为网侧电压六倍频的波动分量。由于直流侧电压呈网侧电压六倍频波动，传统的弱磁控制策略较难兼顾驱动系统中低电机转矩脉动和高母线电压利用率。当进入弱磁控制时，网侧电压六倍频的波动分量将在整个弱磁控制中产生较为严重的转矩脉动。该转矩脉动频次主要包含网侧电压六倍频，过调制导致的转速六倍频，以及两者叠加之后产生的低频、高频成分。弱磁控制中转矩脉动的存在和低母线电压利用率限制了无电解电容电机驱动系统的应用范围。因此，研究三相输入无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制策略具有重要意义。

发明内容

本发明主要应用在无电解电容永磁同步电机驱动系统中，当电机驱动系统直流侧电解电容换成小容值薄膜电容后，母线电压六倍频脉动的存在导致传统弱磁控制策略较难直接使用，为此本发明提出了无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，抑制转矩脉动的同时提升母线电压利用率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，所述弱磁控制方法用于减小转矩脉动和提升母线电压利用率，具体包括以下步骤：

步骤一：通过指令电流幅值|i_{s_ref}|，选择不同的弱磁控制模式；

步骤二：若选择最小直流电压控制模式，则令电压增量ΔU＝0并且电流幅值差i_{s_error}＝0。若选择扩展直流电压控制模式，则另电压增量ΔU为电流幅值差i_{s_error}经过比例积分调节器PI_2的输出；

步骤三：利用电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|经过比例积分调节器PI_1之后获得d轴电流指令i_{d_ref}。

进一步地，所述步骤一具体过程为：

第一步：利用d轴电流指令i_{d_ref}和q轴电流指令i_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得指令电流幅值|i_{s_ref}|；

第二步：根据电机额定电流确定最小电流边界i_{s_lim_l}；

第三步：当指令电流幅值|i_{s_ref}|小于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择最小直流电压控制模式。当指令电流幅值|i_{s_ref}|大于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择扩展直流电压控制模式。

进一步地，所述步骤二具体过程为：

第一步：将直流电压U_dc经过低通滤波器后获得直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}，利用直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}计算获得最小直流电压U_{dc_min}；

第二步：在扩展电压控制模式中，将指令电流幅值|i_{s_ref}|限制在最大电流边界i_{s_max}以内，将电压增量ΔU限制在电压增量限幅值ΔU_lim以内；

第三步：若选择最小直流电压控制模式，则利用最小直流电压U_{dc_min}计算电压边界u_smax；若选择扩展直流电压控制模式，则利用最小直流电压加上电压增量ΔU计算电压边界u_smax。

进一步地，所述步骤三具体过程为：

首先，将电流调节器的输出的d轴电压指令u_{d_ref}和q轴电压指令u_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得电压指令幅值|u_s|；

将电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|做差后，经过比例积分调节器PI_1获得d轴电流指令i_{d_ref}，并将其限制在最大电流边界i_{s_max}以内。

本发明是基于网侧三相输入无电解电容永磁同步电机驱动系统，针对弱磁控制中较为严重的转矩脉动和低母线电压利用率的问题，提出一种弱磁控制方法。在最小直流电压控制模式中，转矩脉动被显著抑制；在扩展直流电压控制模式中，母线电压利用率将被提升。

附图说明

图1为本发明的无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法总体框图，其中i_{d_ref}为d轴电流指令，i_{q_ref}为q轴电流指令，i_d为d轴电流反馈值，i_q为q轴电流反馈值，i_α为永磁同步电机α轴的电流值反馈值，i_β为永磁同步电机β轴的电流反馈值，u_{d_ref}为d轴电压指令，u_{q_ref}为q轴电压指令，

为Park变换，

为反Park变换，u_{α_ref}为α轴指令电压，u_{β_ref}为β轴指令电压，U_dc为直流侧电压，u_α为α轴重构电压，u_β为β轴重构电压，

为观测角度，

为观测转速，ω_ref为转速指令，|i_{s_ref}|为指令电流幅值，i_{s_lim_l}为最小电流边界，i_{s_lim}为电流限幅值，i_{s_error}为电流差，i_{s_max}为最大电流边界，ΔU为电压增量，ΔU_lim为电压增量限幅值，U_{dc_LPF}为直流电压低通滤波值，U_{dc_min}为计算获得最小直流电压，u_smax为电压边界，U_{dc_lim}为直流电压边界，|u_s|为电压指令幅值，PMSM为永磁同步电机，i_abc为永磁同步电机的三相电流。

图2为转矩及转速脉动，其中T_e为电磁转矩，Δω_e为转速误差，i_a为a相电流。(a)(b)分别为采用本发明中弱磁控制方法时，电机运行于49Hz、51Hz时的波形图。

图3为本发明中弱磁控制方法在不同控制模式时的运行情况。

图4为电压增量限幅值ΔU_lim取不同值时的定子电压李萨如图。其中实线六边形为直流侧电压波峰值处对应的最小幅值误差过调制电压六边形，虚线六边形为直流侧电压波谷处对应的最小幅值误差过调制六边形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图4，本发明提出无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，所述弱磁控制方法用于减小转矩脉动和提升母线电压利用率，具体包括以下步骤：

步骤一：通过指令电流幅值|i_{s_ref}|，选择不同的弱磁控制模式；

步骤二：若选择最小直流电压控制模式，则令电压增量ΔU＝0并且电流幅值差i_{s_error}＝0。若选择扩展直流电压控制模式，则另电压增量ΔU为电流幅值差i_{s_error}经过比例积分调节器PI_2的输出；

步骤三：利用电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|经过比例积分调节器PI_1之后获得d轴电流指令i_{d_ref}。

如图1所示，无电解电容电机驱动系统弱磁控制主要由两部分构成，一部分是无位置传感器矢量控制，一部分是最大电压可调弱磁控制器。

无位置传感器矢量控制部分，内环为电流环，外环为速度环，转速的参考值与反馈值之差通过速度调节器进行调节，d轴电流的参考值与反馈值之差值通过电流调节器进行调节，q轴电流的参考值与反馈值之差值通过电流调节器进行调节。电机的角度和位置由位置、速度观测器获得。电机定子三相电流通过Clark和Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴电流。采用SVPWM控制和最小幅值误差过调制策略，控制芯片输出的六路脉冲信号经过驱动电路控制IPM模块中IGBT的开通和关断，最终实现永磁同步电机控制。

最大电压可调弱磁控制器部分，将由d轴电流指令和q轴电流指令计算获得的电流指令幅值|i_{s_ref}|和最小电流边界i_{s_lim_l}比较，选择最小直流电压控制模式或者扩展直流电压控制模式。当选择最小直流电压控制模式时，令电压增量ΔU＝0，电流差i_{s_error}＝0。其中电流差i_{s_error}为电流指令幅值|i_{s_ref}|和电流限幅值i_{s_lim}相减获得。当选择扩展直流电压控制模式时，电压增量ΔU为电流差经过PI调节器PI_2的输出，即当电流指令幅值到达限幅值后，通过增加电压边界来达到弱磁控制的目的。不同的控制模式下将产生的电压增量ΔU和最小直流电压U_{dc_min}相加获得直流电压边界U_{dc_lim}，将其除以根号三得到电压边界u_smax。电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|之差经过PI调节器PI_1后得到d轴电流指令i_{d_ref}，并将其限制在最大电流边界i_{s_max}以内。

所述步骤一具体过程为：

第一步：利用d轴电流指令i_{d_ref}和q轴电流指令i_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得指令电流幅值|i_{s_ref}|；

第二步：根据电机额定电流确定最小电流边界i_{s_lim_l}；

第三步：当指令电流幅值|i_{s_ref}|小于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择最小直流电压控制模式。当指令电流幅值|i_{s_ref}|大于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择扩展直流电压控制模式。

所述步骤二具体过程为：

第一步：将直流电压U_dc经过低通滤波器后获得直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}，利用直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}计算获得最小直流电压U_{dc_min}.

第二步：在扩展电压控制模式中，将指令电流幅值|i_{s_ref}|限制在最大电流边界i_{s_max}以内，将电压增量ΔU限制在电压增量限幅值ΔU_lim以内。

第三步：若选择最小直流电压控制模式，则利用最小直流电压U_{dc_min}计算电压边界u_smax。若选择扩展直流电压控制模式，则利用最小直流电压加上电压增量ΔU计算电压边界u_smax。

所述步骤三具体过程为：

首先，将电流调节器的输出的d轴电压指令u_{d_ref}和q轴电压指令u_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得电压指令幅值|u_s|。

将电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|做差后，经过比例积分调节器PI_1获得d轴电流指令i_{d_ref}，并将其限制在最大电流边界i_{s_max}以内。

采用下面所述的实施例子来验证本发明的有效性：

实施例

在无电解电容永磁同步电机驱动系统平台上验证本发明提出的弱磁控制方法的有效性。实验平台的各项参数设置为：电网电压380V，电网频率50Hz，直流母线电容为薄膜电容，容值为50μF，d轴电感35mH，q轴电感54mH，转子磁链0.86Wb，转子极对数为3，额定功率为2.2kW，额定转速为1000r/min，定子电阻为2.75Ω。实验中所有的控制算法都是在ARMSTM32F103中完成的。开关和电流电压采样值更新频率均设为6kHz。

图2(a)(b)分别为采用本发明中弱磁控制方法时，电机运行于49Hz、51Hz时的波形图，可以发现转矩脉动得到了显著抑制。

图3为本发明中弱磁控制方法在不同控制模式时的运行情况。在区域1运行时工作于模式1(最小直流电压控制模式)。在区域2运行时工作于模式2(扩展直流电压控制模式)，此时随着转速的上升，定子电流幅值保持不变，直流电压边界U_{dc_lim}增加。当转速进一步上升时，在区域3运行时，系统饱和。随着转速的下降，系统将退出饱和，在区域4运行时工作于模式2，在区域5运行时工作于模式1。由此可以发现，本发明中弱磁控制方法在不同控制模式下能正常运行，平滑切换。

图4为电压增量限幅值ΔU_lim取不同值时的定子电压李萨如图。图4(a)(b)(c)中，最小电流边界i_{s_lim_l}和电流限幅值i_{s_lim}设置为最大电流边界i_{s_max}的85％和92.5％，电压增量限幅值ΔU_lim分别设置为直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}的9％、12％、14％。可以发现，随着电压增量限幅值ΔU_lim的增加，定子电压李萨如图越接近实线六边形，也即电压利用率将越高。

本发明提出的无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，在运行于模式1时能显著降低转矩及转速脉动，工作于模式2时能提升母线电压利用率。

以上对本发明所提供的无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.无电解电容永磁同步电机驱动系统弱磁控制方法，其特征在于，所述弱磁控制方法用于减小转矩脉动和提升母线电压利用率，具体包括以下步骤：

步骤一：通过指令电流幅值|i_{s_ref}|，选择不同的弱磁控制模式；

步骤二：若选择最小直流电压控制模式，则令电压增量ΔU＝0并且电流幅值差i_{s_error}＝0；若选择扩展直流电压控制模式，则令电压增量ΔU为电流幅值差i_{s_error}经过比例积分调节器PI_2的输出；

步骤三：利用电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|经过比例积分调节器PI_1之后获得d轴电流指令i_{d_ref}；

所述步骤二具体过程为：

第一步：将直流电压U_dc经过低通滤波器后获得直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}，利用直流电压低通滤波值U_{dc_LPF}计算获得最小直流电压U_{dc_min}；

第二步：在扩展电压控制模式中，将指令电流幅值|i_{s_ref}|限制在最大电流边界i_{s_max}以内，将电压增量ΔU限制在电压增量限幅值ΔU_lim以内；

第三步：若选择最小直流电压控制模式，则利用最小直流电压U_{dc_min}计算电压边界u_smax；若选择扩展直流电压控制模式，则利用最小直流电压加上电压增量ΔU计算电压边界u_smax。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体过程为：

第一步：利用d轴电流指令i_{d_ref}和q轴电流指令i_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得指令电流幅值|i_{s_ref}|；

第二步：根据电机额定电流确定最小电流边界i_{s_lim_l}；

第三步：当指令电流幅值|i_{s_ref}|小于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择最小直流电压控制模式；当指令电流幅值|i_{s_ref}|大于最小电流边界i_{s_lim_l}时，选择扩展直流电压控制模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三具体过程为：

首先，将电流调节器输出的d轴电压指令u_{d_ref}和q轴电压指令u_{q_ref}经过平方和开根号运算后，获得电压指令幅值|u_s|；

将电压边界u_smax和电压指令幅值|u_s|做差后，经过比例积分调节器PI_1获得d轴电流指令i_{d_ref}，并将其限制在最大电流边界i_{s_max}以内。

Images