CN109660166A - 考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法。根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_{dc min}和弱磁控制最大超前角β_max，转速环输出电流指令i_s，对i_s进行限幅。设定超前角初始值β₀，计算当前周期交直轴电流指令初始值和计算电压初始值根据实时采集直流母线电压U_dc计算电压比较阈值比较和的大小以确定需要进入退弱磁过程或弱磁过程。进入退弱磁过程时逐步减小超前角的值，计算交直轴电流指令和U^*，直到或者β＝0退出循环，进入弱磁过程时逐步增大超前角的值，计算交直轴电流指令和U^*，直到或者β＝β_max退出循环。将上述两种情况退出循环时的和作为电流环的输入进行闭环控制。

Description

考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机的控制领域，具体地说，是涉及一种考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motors，PMSM)具有体积小、功率密度高、效率高、电磁转矩大等优点,广泛地应用于火炮、雷达、航空和航天等高性能交流伺服系统中。由于其采用永磁体励磁，无法通过励磁绕组调节励磁磁场，所以永磁同步电机必须采用弱磁控制技术，以保证在输入电压大范围波动的情况下，能够在额定转速状态下输出额定转矩。

目前，永磁同步电机在输入电压额定的情况下大多采用i_d＝0的控制方式。此时定子电流只有交轴分量，且定子的磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机转矩中只有永磁转矩分量，此种方式控制简单，计算量小。然而，不管在军用还是民用场合，供电系统输出的电压一般都存在一定范围的波动。当输入电压逐步减小时，电压极限圆向中心缩小，额定转矩曲线与电压极限圆的交点也会向i_d轴的负方向移动。此时，需要根据电压极限圆方程和电磁转矩方程调节交直轴给定交流，以保证电机能够在额定转速下输出额定转矩。当然，交直轴给定交流必须满足电流极限圆的要求。

目前的弱磁控制一般都是根据电机三相电流计算实际的交直轴电流，然后根据电流闭环控制得到交直轴电压指令，并以此为反馈增加额外的弱磁控制闭环，调节交直轴电流指令以达到弱磁控制的效果。这些以反馈为基础的弱磁控制闭环调节，不仅存在一定的滞后，而且容易受反馈精度或扰动的影响，从而降低闭环控制的稳定性。

发明内容

本发明是为了解决输入电压波动时，永磁同步电机在额定转速下输出额定转矩的问题，提供一种永磁同步电机弱磁控制方法。

本发明所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_dcmin和弱磁控制的最大超前角β_max；

步骤二：对永磁同步电机进行转速闭环控制，转速环输出为电流指令i_s,并对i_s进行限幅；

步骤三：设定超前角初始值β₀，计算当前周期交直轴电流指令的初始值和结合转速指令ω^*计算出电压值初始值

步骤四：根据实时采集的直流母线电压U_dc计算电压比较阈值如果此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；

步骤五：超前角的值减小Δβ，即β＝β-Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤五的计算和比较过程，直到或者β＝0退出循环，将退出循环时的和作为电流环的输入进行闭环控制；

步骤六：超前角的值增大Δβ，即β＝β+Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤六的计算和比较过程，直到或者β＝β_max退出循环，将退出循环时的和作为电流环的指令进行闭环控制。

本发明的优点在于：本发明所述的弱磁控制方法不基于反馈电流，也不需要增加额外的弱磁控制调节闭环，而是在计算交直轴电流指令时考虑弱磁控制要求，给出满足在额定转速下输出额定转矩要求的交直轴电流指令，该方法结构简单，易于理解和实现，动态响应快，稳定性强、弱磁效果好。

附图说明

图1为具体实施方式一中所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的流程示意图。

图2为电机转矩、电压极限圆公式和电流极限圆曲线。

图3为永磁同步电机全转速范围弱磁控制方法的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_dcmin和弱磁控制的最大超前角β_max；

步骤二：对永磁同步电机进行转速闭环控制，转速环输出为电流指令i_s,并对i_s进行限幅；

步骤三：设定超前角初始值β₀，计算当前周期交直轴电流指令的初始值和结合转速指令ω^*计算出电压值初始值

步骤四：根据实时采集的直流母线电压U_dc计算电压比较阈值如果此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；

步骤五：超前角的值减小Δβ，即β＝β-Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤五的计算和比较过程，直到或者β＝0退出循环；

步骤六：超前角的值增大Δβ，即β＝β+Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*，计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤六的计算和比较过程，直到或者β＝β_max退出循环；

步骤七：将步骤五或六退出循环时的和作为电流环的指令进行闭环控制。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一中所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的进一步说明，本实施方式中，步骤一中根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_dcmin和弱磁控制的最大超前角β_max的过程为：

永磁同步电机转矩公式为：

T＝1.5n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]

电压极限圆公式为：

电流极限圆公式为：

将电机转矩公式、电压极限圆公式和电流极限圆公式表示在以直轴电流为横坐标，交轴电流为纵坐标的直角坐标中，具体如图2所示。由图2可知，电机稳定运行时，交直轴电流不仅需要满足转矩公式，而且需要位于电压极限圆和电流极限圆相交的区域内。

当电机输出额定转矩T_n时，其工作在图2电流极限圆中的AB段。由B点运行到A点的过程中，电压极限圆的范围逐渐减小，根据电压极限圆公式可知，若保持电机工作在额定转速值ω_n，则母线电压U_dc可以逐渐减小，直到A点可以得到母线电压波动的下限值U_dcmin，此时的超前角即为弱磁控制的最大超前角β_max。

具体求解过程为：n_p、ψ_f、L_d、L_q为已知的电机参数，T取额定转矩T_n，ω取额定转速ω_n，先根据电流极限圆公式和永磁同步电机转矩公式组成的二元二次方程组解得和再结合电压极限圆公式求得母线电压波动的下限值U_dcmin，最后根据公式求得最大超前角β_max。其中二元二次方程组可借助matlab数学方程求解函数solve()求解。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一中所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中对永磁同步电机进行转速闭环控制，转速环输出为电流指令i_s,并对i_s进行限幅的过程为：

永磁同步电机全转速范围弱磁控制方法的原理框图如图3所示，根据检测的电机实时位置计算速度反馈值ω，结合转速指令ω^*计算得到转速误差，经过速度环PI控制器后输出电流指令i_s，如果i_s>I_max，则取i_s＝I_max。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一中所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中设定超前角初始值β₀的过程为：

在控制算法运行的第一个控制周期时β₀＝0，如果不需要弱磁，则采用的是i_d＝0的控制方式。之后控制周期的β₀取上一个控制周期结束时的超前角，这样不仅可以防止电流指令的跳变，提高弱磁控制的平稳性，而且能够减少步骤五和六中控制算法的循环次数，从而减少计算时间，节约处理器资源。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一中所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的进一步说明，本实施方式中，步骤四中实时采集的直流母线电压U_dc，计算电压比较阈值的过程为：

其中(0.95<α<1)。环境变化时会引起电机参数L_d、L_q和ψ_f变化，母线电压检测也存在一定的误差，所以根据理论计算结果进行弱磁控制可能导致电压饱和，从而使电机无法在额定转速状态下输出额定转矩。设置系数α主要用于在理论计算的基础上加大弱磁深度，进一步保证电机在弱磁状态下能够输出额定状态，该系数需要根据永磁同步电机实际运行状态进行调节。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一中所述考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法的进一步说明，本实施方式中，步骤五和六中超前角变化值Δβ的选取过程为：

步骤五和六通过改变减小或增大超前角的值，分别提供了一种退弱磁和弱磁的方法。该方法中，超前角变化值Δβ的选取尤为关键，其过大可能导致交直轴电流指令变化快，影响弱磁控制的平稳性，过小会增加循环计算的次数，浪费处理器资源。一般取值在1°至5°之间，具体需要根据永磁同步电机实际运行状态进行调节。

Claims (6)

1.考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：

步骤一：根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_dcmin和弱磁控制的最大超前角β_max；

步骤二：对永磁同步电机进行转速闭环控制，转速环输出为电流指令i_s,并对i_s进行限幅；

步骤三：设定超前角初始值β₀，计算当前周期交直轴电流指令的初始值和结合转速指令ω^*计算出电压初始值

步骤四：根据实时采集的直流母线电压U_dc计算电压比较阈值如果此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；

步骤五：超前角的值减小Δβ，即β＝β-Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤五的计算和比较过程，直到或者β＝0退出循环；

步骤六：超前角的值增大Δβ，即β＝β+Δβ，计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*，如果则重复进行步骤六的计算和比较过程，直到或者β＝β_max退出循环；

步骤七：将步骤五或六退出循环时的和作为电流环的指令进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：步骤一中根据额定转矩T_n、额定转速ω_n和电流极限值I_max，确定输入母线电压波动的下限值U_dcmin和弱磁控制的最大超前角β_max的过程为：

永磁同步电机转矩公式为：

T＝1.5n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]

电压极限圆公式为：

电流极限圆公式为：

其中n_p、ψ_f、L_d、L_q为已知的电机参数，T取额定转矩T_n，ω取额定转速ω_n，先根据电流极限圆公式和永磁同步电机转矩公式组成的二元二次方程组解得和再结合电压极限圆公式求得母线电压波动的下限值U_dcmin，最后根据公式求得最大超前角β_max。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：步骤二中对永磁同步电机进行转速闭环控制，转速环输出为电流指令i_s,并对i_s进行限幅的过程为：

电机电流极限值为I_max，如果i_s>I_max，则取i_s＝I_max。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：步骤三中设定超前角初始值β₀，计算交直轴电流指令的初始值和结合转速指令ω^*计算出电压值初始值的过程为：

β₀取上一个控制周期结束时的超前角，交直轴电流指令的初始值为根据电压极限圆计算电压初始值

5.根据权利要求1或权利要求2所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：步骤四中根据实时采集的直流母线电压U_dc，计算电压比较阈值的过程为：

其中(0.95<α<1)，系数α主要用于在理论计算的基础上加大弱磁深度，进一步保证电机在弱磁状态下能够输出额定状态。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于：步骤五和六中计算交直轴电流指令和结合转速指令ω^*计算出电压值U^*的过程为：

交直轴电流指令为根据电压极限圆计算电压值U^*：