CN109617483A - 一种永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转矩控制方法，将永磁同步分为两种运行状态：一种是未进入弱磁的运行状态，在此状态下采用常规的双电流环控制；另一种是需要进入弱磁的运行状态，此状态下控制算法由双电流环切换为幅相控制，且两种控制方式根据电机运行状态进行切换，两种控制方法的切换点为电机的弱磁点，根据母线电压计算出输出电压的调制系数，并根据设定的阈值确定电机是否处于弱磁运行状态。采用该方法可使永磁同步电机在全速段范围内都无需加入弱磁的PI环节，降低了永磁同步电机控制中的过流风险，极大地提高了系统的稳定性。

Description

一种永磁同步电机转矩控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机控制方法，主要适用于对永磁同步电机运行稳定性要求较高的场合。

背景技术

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是用稀土永磁体代替励磁绕组构成的一种新型的同步电机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动。PMSM无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此使用方便，可靠性高。所以由PMSM组成的系统已广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域。

控制电动机的关键是转矩的控制，然而感应电动机的转矩与气隙主磁通，转子电流、转子内功率因数有关，而这些量都是转差率S的函数，它们相互藕合，互不独立，并且又都是难以控制的量。因此，要在动态中控制感应电机的转矩是比较困难的，对于同步电机，更是如此。于是各种新型控制策略的提出为永磁同步电机的动态控制起到了很大的作用，同时在实际运用中，出现的各种问题也为控制策略的进步与发展起到了重要的影响。

目前较为主流的控制算法是矢量控制，电动机调速的关键是对其转矩的控制，矢量控制的实质是为了改善转矩控制的性能，而最终实施是落实到对定子电流的控制上。在系统参数不变的情况下，对电磁转矩的控制最终可以归结为对d、q轴电流的控制。对于给定的输出转矩，有多个d、q轴电流的控制组合，由此形成了永磁同步电机的电流控制策略。

在电机进入弱磁状态后，目前较为流行的方法是加入弱磁PI环节，因此在弱磁运行状态下，控制系统至少存在三个PI环节，即d、q轴的电流环和弱磁环。其中弱磁环与电流环存在较为严重的耦合性，若PI参数调节不当，在动态响应过程中容易引起系统振荡甚至发散，导致电机过流故障。因此，在一些对稳定性要求较高的场合，弱磁环并不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对永磁同步电机弱磁运行状态下传统的弱磁PI环在动态响应过程中容易引起系统振荡甚至发散的情况，将弱磁状态下的控制方式由双电流环切换为幅相控制，使得系统的输出电压为固定值，且整个系统仅有一个角度PI调节器，提高了系统的鲁棒性，使得电机运行更为稳定，降低了过流故障风险。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁同步电机转矩控制方法，将永磁同步分为两种运行状态：一种是未进入弱磁的运行状态，在此状态下采用常规的双电流环控制；另一种是需要进入弱磁的运行状态，此状态下控制算法由双电流环切换为幅相控制，且两种控制方式根据电机运行状态进行切换。两种控制方法的切换点为电机的弱磁点，根据母线电压计算出输出电压的调制系数，并根据设定的阈值确定电机是否处于弱磁运行状态。

进一步的步骤如下：

步骤1，首先采用传统的最大转矩电流控制，对永磁同步电机进行全速段范围内转矩标定，通过数据插值法计算出两张二维插值表，通过两张插值表可计算出任一转速下输出转矩T所对应的d、q轴电流值；

步骤2，当电机运行时，根据直流母线电压U_dc实时计算出电压调制系数M，并设定M=0.95为弱磁点，则M≤0.95时，电机处于恒转矩控制区，不需要进入弱磁状态；当M＞0.95时，电机进入恒功率控制区，表明电机需要进入弱磁运行状态；

步骤3，电机控制算法基于矢量控制，当M≤0.95时，采用常规的双电流环控制方式，即d、q轴两个电流PI环；当M＞0.95时，控制方式切换为幅相控制，输出电压幅值固定为额定电压U_e，同时断开d轴电流环，仅对q轴电流进行PI调节，其中PI调节的输出量为d、q轴电压的夹角α；

步骤4，利用U_e和α计算出d、q轴的输出电压U_d和U_q，然后采用Park反变换计算出两相静止坐标系下的电压U_α和U_β，输出电压调制方式采用SVPWM，根据SVPWM的公式计算出相关控制量即可。

本发明产生的有益效果是：本发明方法可使永磁同步电机在全速段范围内都无需加入弱磁的PI环节，针对传统弱磁控制不易调节的问题，优化了弱磁状态下的控制方法，由双电流环控制切换为幅相控制，整个系统仅有一个PI调节器，降低了永磁同步电机控制中的过流风险，极大地提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为传统的弱磁PI调节器结构图；

图2为本发明两种控制方式作用区间；

图3为本发明采用传统双电流环控制方式时的系统结构图；

图4为本发明控制算法切换为幅相控制时的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

永磁同步电机的弱磁控制是该领域的一个技术难点，当永磁同步电机工作于恒功率区时，需要进入弱磁运行状态，传统的控制方式是在原有的控制回路上叠加一个弱磁PI调节器，如图1所示，um_max为设定的弱磁点，通过d、q轴输出电压计算出输出电压幅值并与um_max进行比较计算出差值，采用此差值进行PI调节，输出量为弱磁调节量i_delta并将其叠加到d轴电流给定值上。显然，该弱磁PI调节器与原有的d轴电流环存在着强耦合关系，在较快的动态变化过程中，三个PI环节相互影响，容易引起系统振荡甚至发散，从而导致电机过流故障。因此在一些系统稳定性要求较高且动态变化较快的场合，该弱磁方法并不完全适用，因此可以考虑优化弱磁状态下的控制方法以提高系统鲁棒性。

本发明针对传统弱磁控制不易调节的问题，优化了弱磁状态下的控制方法，由双电流环控制切换为幅相控制，整个系统仅有一个PI调节器，极大地提高了系统的稳定性。

本发明提供的一种高稳定性永磁同步电机转矩控制方法，首先将电机运行状态分为非弱磁运行和弱磁运行两个状态，如图2所示，其状态转换点为P₀，该点即为弱磁临界点。在非弱磁运行状态时采用常规的双电流环控制；在弱磁运行状态时切换为幅相控制；根据母线电压计算出输出电压的调制系数，并根据设定的阈值确定电机是否处于弱磁运行状态，然后根据电机运行状态以电机的弱磁点作为切换点进行控制方式的切换。其状态转换点为P₀，该点即为弱磁临界点。P₀左边即为恒转矩工作区，该区间内电机无需弱磁运行；P₀右边为恒功率工作区，该区间电机需要进入弱磁运行状态，且随着转速升高，输出转矩逐渐减小。

采用传统的最大转矩电流控制，对永磁同步电机进行标定，获取电机全速段范围内转矩与d、q轴电流的对应关系，通过二维插值的方式计算出两张二维插值表，即全速段范围转矩与d轴电流的对应关系表（T-Id表）和全输出转矩范围内d轴电流与q轴电流的对应关系表（Id-Iq表），其应用方式为：首先根据电机转速n和给定转矩T_ref，查T-Id表获取对应的d轴电流参考值Id_ref，然后根据Id_ref和给定转矩T_ref查Id-Iq表，获取对应的q轴电流参考值Iq_ref。

在恒转矩区间内，系统仍然采用传统的双电流环控制结构，如图3所示，无需加入弱磁PI调节器。在这种控制方式下，需要调节d、q轴两个电流环的PI控制器参数，系统稳定性强。

随着电机转速升高，在一定情况下需要进入弱磁状态，但弱磁状态和非弱磁状态的切换点P₀并非是一个固定转速点。在满载输出状态下，P₀为额定转速点；在空载运行时，P₀的转速会高于额定转速，因此不能以额定转速为切换点。弱磁状态的本质是母线电压幅值不够用，因此可以用调制系数M来衡量是否进入弱磁状态：

(1)

其中U_dc为直流母线电压，U_ref为输出电压：

(2)

设定弱磁点为M=0.95，当M≤0.95时，采用图3的控制方法即传统双电流环控制，当M＞0.95时，控制算法切换为幅相控制，其控制系统结构如图4所示。整个系统仅有一个q轴电流环，其PI调节器输出为d、q轴电压的夹角α，此时可计算出d、q轴电压：

(3)

获取到d、q轴电压后，便可根据Park逆变换公式将d、q轴电压转换为静态坐标系电压U_α和U_β，最后可根据SVPWM计算公式将U_α和U_β转换为三相输出的控制量。SVPWM算法为目前主流调制算法，资料较多，这里不再赘述。

需要注意的是，计算调制系数的(1)式是针对SVPWM调制算法的，若采用SPWM调制算法，则需要计算其调制比作为切换点。

本发明公开的永磁同步电机控制方法在弱磁阶段采用幅相控制方法，将三个PI控制器精简为一个PI控制器，消除了各个PI环节之间的强耦合关系，提高了系统的稳定性。但幅相控制由于控制对象为d、q轴夹角，因此其动态响应性能不及传统双电流环控制，因此该方法适用于对动态响应要求不高，但对系统稳定性要求较高的场合。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：在非弱磁运行状态时采用常规的双电流环控制；在弱磁运行状态时切换为幅相控制；根据母线电压计算出输出电压的调制系数，并根据设定的阈值确定电机是否处于弱磁运行状态，然后根据电机运行状态以电机的弱磁点作为切换点进行控制方式的切换。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，具体步骤如下

步骤1，首先对永磁同步电机进行全速段范围内转矩标定，通过数据插值法计算出两张二维插值表，通过两张插值表计算出任一转速下输出转矩T所对应的d、q轴电流值；

步骤2，当电机运行时，根据直流母线电压U_dc实时计算出电压调制系数M，并设定M=0.95为弱磁点，则M≤0.95时，电机处于恒转矩控制区，不需要进入弱磁状态；当M＞0.95时，电机进入恒功率控制区，表明电机需要进入弱磁运行状态；

步骤3，电机控制算法基于矢量控制，当M≤0.95时，采用常规的双电流环控制方式，即d、q轴两个电流PI环；当M＞0.95时，控制方式切换为幅相控制，输出电压幅值固定为额定电压U_e，同时断开d轴电流环，仅对q轴电流进行PI调节，其中PI调节的输出量为d、q轴电压的夹角α；

步骤4，利用U_e和α计算出d、q轴的输出电压U_d和U_q，然后采用Park反变换计算出两相静止坐标系下的电压U_α和U_β，输出电压调制方式采用SVPWM，根据SVPWM的公式计算出相关控制量即可。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤1中的两张二维插值表为全速段范围转矩与d轴电流的对应关系T-Id表和全输出转矩范围内d轴电流与q轴电流的对应关系Id-Iq表，先根据电机转速n和给定转矩T_ref，查T-Id表获取对应的d轴电流参考值Id_ref，然后根据Id_ref和给定转矩T_ref查Id-Iq表，获取对应的q轴电流参考值Iq_ref。