CN109245641B - 永磁同步电机方波弱磁控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机方波弱磁控制方法，包括以下步骤：DSP芯片的每个采样周期内，将采样得到的转子位置信息和转速信息发送至FPGA芯片；FPGA芯片内将采样得到的离散转子位置信号进行重构；FPGA芯片缩短原始离散转子位置信号的离散周期生成新的转子位置信号；重构出的转子位置信号认为是近似连续转子位置信号；DSP芯片的每个采样周期内，DSP芯片把电压相量角发送给FPGA芯片；FPGA芯片依据电压向量角将重构出的转子位置信号进行移相处理，得到方波驱动脉冲相位角；FPGA芯片根据方波驱动脉冲相位角生成三相驱动脉冲，实现从方波驱动脉冲相位的精确控制。本发明通过改进方波驱动脉冲的生成方式，大幅改善方波弱磁控制的驱动脉冲正负半周不对称问题。

Description

永磁同步电机方波弱磁控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机方波弱磁控制方法。
背景技术
和异步牵引电机相比，永磁同步牵引电机具有功率因数高、系统效率高、转矩密度大、变频器容量小和动态响应能力强的优点。尤其是最近的二十年内，稀土永磁材料快速发展，新型永磁材料具有高剩磁密度、高磁能积和高矫顽力等特点，使得永磁同步电机得到快速发展。尤其是在轨道交通电力牵引系统中，永磁同步牵引电机表现出巨大的应用潜力。应用到牵引系统的永磁同步电机一般为内置式永磁同步电机，其具有较大的转矩密度和功率密度、磁路气隙小、机械强度高，最重要的是其具备较强的过转矩输出能力，这一特点非常适合车辆牵引系统
在很多情况下，永磁同步电机需要在基速以上运行。其在基速以上运行时，为了不产生过高的反电动势，需要对其进行弱磁控制。传统的弱磁控制方式调整电机的d轴电流，负的d轴电流可以对电机进行弱磁，阻止其反电动势的升高，这种控制方式是一种矢量控制方式。然而这种传统弱磁控制方式存在一些限制和不足，主要表现在以下两个方面。
第一是变频器开关频率较高和损耗较大。电机在基速以上运行时，电机电频率较高，可以达到电机额定频率的三倍或更高。为了在非常高的电频率下完成对电机的矢量控制，变频器需要工作在比较高的开关频率，并由此带来较大的开关损耗。较大的开关损耗不利于变频器工作效率的提高，同时也给变频器的散热器设计带来较大的压力，造成装置体积重量过大。尤其是在轨道交通牵引系统中，装置需要小型化、轻量化，并且车辆底部通常不具备水冷散热条件，限制变频器只能工作在较低的开关频率下。
第二是系统的直流母线利用率不高。在矢量控制方式下，电机端口线电压的峰值必须小于直流母线电压，而且要保留一定的裕量。如果电机端口线电压峰值接近直流母线电压，会造成电流环调节器饱和，导致系统不稳定。如果电机端口电压可以进一步提高，就意味着更大的电磁转矩输出，就意味着更高的直流母线利用率。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种新的永磁同步电机方波弱磁控制方法，该方波弱磁控制方法通过改进方波驱动脉冲的生成方式，大幅改善方波弱磁控制的驱动脉冲正负半周不对称问题。
本发明提供了一种永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于以下步骤：
a.DSP芯片的每个采样周期内，将采样得到的转子位置信息和转速信息发送至FPGA芯片；
b.FPGA芯片内将采样得到的离散转子位置信号进行重构；FPGA芯片缩短原始离散转子位置信号的离散周期生成新的转子位置信号；重构出的转子位置信号认为是近似连续转子位置信号；
c.DSP芯片的每个采样周期内，DSP芯片把电压相量角α发送给FPGA芯片；
d.FPGA芯片依据电压相量角α将重构出的转子位置信号进行移相处理，得到方波驱动脉冲相位角θb，
e.FPGA芯片根据方波驱动脉冲相位角θb生成三相驱动脉冲，实现从方波驱动脉冲相位的精确控制。
上述技术方案中，离散转子位置信号的周期是DSP芯片的采样周期，为50μs-1000μs之间；FPGA芯片与DSP芯片通过并行总线连接，FPGA芯片的工作频率为10MHz-200MHz之间；重构出的转子位置信号周期为5ns-100ns之间。
上述技术方案中，DSP芯片根据电磁转矩指令，计算出或查表得到方波弱磁控制的电压相量角α。
上述技术方案中，步骤d中，在方波控制牵引工况下，电压相量角α＞π/2，超前移相的角度即为α-π/2；在方波控制制动工况下，电压相量角α＜π/2，滞后移相的角度即为π/2-α；方波相位角为近似连续的信号，其离散周期和重构得到的转子位置信号离散周期是一致的。
上述技术方案中，步骤e中方波相位角满足0＜θb＜π时，永磁同步电机的变频器下管导通，上管关断，即输出低电平；方波相位角满足π＜θb＜2π时，永磁同步电机的变频器下管关断，上管导通，即输出高电平。
本发明重构出近似连续的转子位置信号，可以在FPGA芯片内部实现精确的相位控制，避免了DSP芯片进行相位控制带来的相位误差。由于方波弱磁控制并不控制输出电压的幅值，而是只控制输出电压的相位，因此只有在很高的工作频率下重构出近似连续的转子位置信号，才能够实现对输出相位的精确控制。本发明依据重构出的近似连续转子位置信号生成方波驱动脉冲，可以保证方波驱动脉冲的正半周和负半周长度相同，防止出现方波驱动脉冲正负半周不对称。如果方波驱动脉冲正负半周不对称，会在输出相电压中叠加一个直流量成分，该直流电压直接加在定子绕组电阻上，会产生很大的定子绕组电流直流偏置，本发明有效解决了上述问题。
附图说明
图1离散的DSP正弦调制信号结合FPGA的载波信号生成驱动脉冲
图2由DSP生成方波调制信号造成方波驱动脉冲过零点偏差
图3根据DSP采样的离散转子位置在FPGA内部重构出近似连续转子位置
图4方波弱磁控制中电压脉冲的施加原理。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
方波控制是三相逆变器的一种基本控制方式，对于变频驱动系统而言，方波控制可以用于交流电机的弱磁控制。在方波弱磁控制方式下，在电机的每个基波周期内开关管只动作一次，这种控制方式下开关频率最低。方波控制方式下直流母线电压利用率比矢量控制方式(线性区最大值)高出10％，是直流母线电压利用率最高的控制方式。
在电力电子装置中，通常由DSP控制芯片生成调制信号、由FPGA芯片生成载波信号(或者载波信号也由DSP芯片的PWM模块生成)，系统的控制结构如图1所示。在方波控制策略下，如果由DSP生成调制信号，结合FPGA的载波信号，则控制结构如图2所示。DSP生成的调制信号并不是连续的，而是离散的，例如变频器中DSP芯片的采样与控制频率为10kHz，则离散的调制信号的周期为100us。使用离散的方波信号和FPGA内部的载波信号作比较时，会造成最终生成的方波驱动信号过零点有偏差，原理图如图2所示。
本发明将采样得到的离散转子位置信号在FPGA芯片内进行重构，FPGA芯片工作在10MHz以上的工作频率对转子位置信号进行预测和计算，将原来的离散周期很长的转子位置信号转化为近似连续的转子位置信号，如图3所示。
永磁同步电机控制过程中，控制芯片(通常为DSP芯片)需要采样转子位置信息，在控制芯片内部，转子位置信息是离散信号，离散信号的周期是控制芯片的采样周期，一般情况下为50μs-1000μs之间。采用FPGA芯片与控制芯片通过并行总线连接，FPGA芯片工作在一个较高的频率，为10MHz-200MHz之间。控制芯片的每个采样周期，控制芯片都将电机转子的位置信息和转速信息发送给FPGA芯片，FPGA芯片根据转子位置信息和转速信息重构出一个新的离散信号，这个离散信号的周期为5ns-100ns之间，这取决于FPGA芯片的工作频率。和DSP内部的离散信号相比，FPGA内部重构出的位置信号周期大幅降低，可以认为是近似连续的信号。在FPGA芯片内部生成近似连续转子位置信号的结构框图如图3所示。
本发明提供了一种永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于以下步骤：
a.DSP芯片的每个采样周期内，将采样得到的转子位置信息和转速信息发送至FPGA芯片；
b.FPGA芯片内将采样得到的离散转子位置信号进行重构；FPGA芯片缩短原始离散转子位置信号的离散周期生成新的转子位置信号；重构出的转子位置信号认为是近似连续转子位置信号；
c.DSP芯片的每个采样周期内，DSP芯片把电压相量角α发送给FPGA芯片；
d.FPGA芯片依据电压相量角α将重构出的转子位置信号进行移相处理，得到方波驱动脉冲相位角θb，
e.FPGA芯片根据方波驱动脉冲相位角θb生成三相驱动脉冲，实现从方波驱动脉冲相位的精确控制。
本实施例中，完成主要数学运算的电机控制芯片(通常为DSP芯片)采样与控制频率为10kHz，每次采样完成后，DSP芯片将采样得到的转子位置信息和转速信息通过数据总线发送给FPGA芯片，FPGA芯片处理转子位置信息重构任务的工作频率为25MHz，在FPGA芯片内部接收到DSP芯片发来的转子位置和转速信息后，立刻更新FPGA内部的转子位置和转速信息，在DSP芯片下一次(100us之后)发来新的转子位置和转速信息之前，由FPGA芯片根据当前转子位置信息和转速信息预测并生成重构的转子位置信息，这种重构的位置信息每隔40ns就预测生成一次。用θc表示重构的转子位置信息。
当DSP芯片发来新的转子位置和转速信息后，FPGA芯片将本地的重构信号和转速信号进行一次更新(按照DSP芯片发来的信息进行更新)。DSP芯片内的位置信号离散周期为100us，而到了FPGA芯片内部位置信号的离散周期变为40ns，相位控制精度大幅提高了。
DSP芯片根据电磁转矩指令和归一化转速(电角速度和直流母线电压的比值)查表得到方波弱磁控制的电压相量角α。在DSP芯片的每个采样周期内，DSP芯片都会把电压相量角α发送给FPGA芯片。在FPGA芯片内部对重构的转子位置信号进行移相(α-π/2)处理，移相后得到θb为方波驱动脉冲的相位角。在方波控制牵引工况下(α＞π/2)，超前移相(左移相)的角度即为α-π/2；在方波控制制动工况下(α＜π/2)，滞后移相(右移相)的角度即为π/2-α。移相之后得到的角度称之为方波相位角
，方波相位角也是近似连续的信号，其离散周期和重构得到的转子位置信号离散周期是一致的。设变频器的输出分为A、B、C三相，依次相差(2/3)π电角度。方波相位角满足0＜θb＜π时，变频器A相下管导通，上管关断，即A相输出低电平；方波相位角满足π＜θb＜2π时，变频器A相下管关断，上管导通，即A相输出高电平。B相方波驱动脉冲滞后于A相(2/3)π，C相方波驱动脉冲滞后于B相(2/3)π。生成A相方波驱动脉冲的原理如图4所示。其中，图4a为方波牵引示意图，图4b是方波制动示意图。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a.DSP芯片的每个采样周期内，将采样得到的转子位置信息和转速信息发送至FPGA芯片；
b.FPGA芯片内将采样得到的离散转子位置信号进行重构；FPGA芯片缩短原始离散转子位置信号的离散周期生成新的转子位置信号；重构出的转子位置信号认为是近似连续转子位置信号；
c.DSP芯片的每个采样周期内，DSP芯片把电压相量角α发送给FPGA芯片；
d.FPGA芯片依据电压相量角α将重构出的转子位置信号进行移相处理，得到方波驱动脉冲相位角θb，
e.FPGA芯片根据方波驱动脉冲相位角θb生成三相驱动脉冲，实现从方波驱动脉冲相位的精确控制；
步骤d中，在方波控制牵引工况下，电压相量角α＞π/2，超前移相的角度即为α－π/2；在方波控制制动工况下，电压相量角α＜π/2，滞后移相的角度即为π/2－α；方波相位角θb为近似连续的信号，其离散周期和重构得到的转子位置信号离散周期是一致的。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于：
离散转子位置信号的周期是DSP芯片的采样周期，为50μs-1000μs之间；FPGA芯片与DSP芯片通过并行总线连接，FPGA芯片的工作频率为10MHz-200MHz之间；重构出的转子位置信号周期为5ns-100ns之间。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于：
DSP芯片根据电磁转矩指令，计算出或查表得到方波弱磁控制的电压相量角α。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机方波弱磁控制方法，其特征在于步骤e中方波相位角满足0＜θb＜π时，永磁同步电机的变频器下管导通，上管关断，即输出低电平；方波相位角满足π＜θb＜2π时，永磁同步电机的变频器下管关断，上管导通，即输出高电平。
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