CN109660166B - 考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法 - Google Patents

考虑输入电压波动的永磁同步电机弱磁控制方法 Download PDF

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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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udc min和弱磁控制最大超前角βmax，转速环输出电流指令is，对is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
Figure DDA0001942365690000011
和
Figure DDA0001942365690000012
计算电压初始值
Figure DDA0001942365690000013
根据实时采集直流母线电压Udc计算电压比较阈值
Figure DDA0001942365690000014
比较
Figure DDA0001942365690000015
和
Figure DDA0001942365690000016
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
Figure DDA0001942365690000017
和U*，直到
Figure DDA0001942365690000018
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
Figure DDA0001942365690000019
和U*，直到
Figure DDA00019423656900000110
或者β＝βmax退出循环。将上述两种情况退出循环时的
Figure DDA00019423656900000111
和
Figure DDA00019423656900000112
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id＝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id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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udcmin和弱磁控制的最大超前角βmax；
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is,并对is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
Figure GDA0003318453250000011
和
Figure GDA0003318453250000012
结合转速指令ω*计算出电压值初始值
Figure GDA0003318453250000013
步骤四：根据实时采集的直流母线电压Udc计算电压比较阈值
Figure GDA0003318453250000014
如果
Figure GDA0003318453250000015
此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果
Figure GDA0003318453250000021
此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；
步骤五：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1(n为正整数)计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1-Δβ，计算交直轴电流指令
Figure GDA0003318453250000022
和
Figure GDA0003318453250000023
结合转速指令ω*计算出电压值U*，如果
Figure GDA0003318453250000024
则循环次数n增加1，重复进行步骤五的计算和比较过程，直到
Figure GDA0003318453250000025
或者βn＝0退出循环，将退出循环时的
Figure GDA0003318453250000026
和
Figure GDA0003318453250000027
作为电流环的输入进行闭环控制；
步骤六：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1(n为正整数)计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1+Δβ，计算交直轴电流指令
Figure GDA0003318453250000028
和
Figure GDA0003318453250000029
结合转速指令ω*计算出电压值U*，如果
Figure GDA00033184532500000210
则循环次数n增加1，重复进行步骤六的计算和比较过程，直到
Figure GDA00033184532500000211
或者βn＝βmax退出循环，将退出循环时的
Figure GDA00033184532500000212
和
Figure GDA00033184532500000213
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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udcmin和弱磁控制的最大超前角βmax；
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is,并对is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
Figure GDA00033184532500000214
和
Figure GDA00033184532500000215
结合转速指令ω*计算出电压值初始值
Figure GDA00033184532500000216
步骤四：根据实时采集的直流母线电压Udc计算电压比较阈值
Figure GDA00033184532500000217
如果
Figure GDA00033184532500000218
此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果
Figure GDA00033184532500000219
此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；
步骤五：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1(n为正整数)计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1-Δβ，计算交直轴电流指令
Figure GDA00033184532500000220
和
Figure GDA00033184532500000221
结合转速指令ω*计算出电压值U*，如果
Figure GDA00033184532500000222
则循环次数n增加1，重复进行步骤五的计算和比较过程，直到
Figure GDA0003318453250000031
或者βn＝0退出循环；
步骤六：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1(n为正整数)计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1+Δβ，计算交直轴电流指令
Figure GDA0003318453250000032
和
Figure GDA0003318453250000033
结合转速指令ω*，计算出电压值U*，如果
Figure GDA0003318453250000034
则循环次数n增加1，重复进行步骤六的计算和比较过程，直到
Figure GDA0003318453250000035
或者βn＝βmax退出循环；
步骤七：将步骤五或六退出循环时的
Figure GDA0003318453250000036
和
Figure GDA0003318453250000037
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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udcmin和弱磁控制的最大超前角βmax的过程为：
永磁同步电机转矩公式为：
T＝1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]
电压极限圆公式为：
Figure GDA0003318453250000038
电流极限圆公式为：
Figure GDA0003318453250000039
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Tn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ωn，则母线电压Udc可以逐渐减小，直到A点可以得到母线电压波动的下限值Udcmin，此时的超前角即为弱磁控制的最大超前角βmax。
具体求解过程为：np、ψf、Ld、Lq为已知的电机参数，T取额定转矩Tn，ω取额定转速ωn，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
Figure GDA00033184532500000310
和
Figure GDA00033184532500000311
再结合电压极限圆公式求得母线电压波动的下限值Udcmin，最后根据公式
Figure GDA00033184532500000312
求得最大超前角βmax。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is,并对is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is，如果is>Imax，则取is＝Imax。
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id＝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Udc，计算电压比较阈值
Figure GDA0003318453250000041
的过程为：
Figure GDA0003318453250000042
其中(0.95<α<1)。环境变化时会引起电机参数Ld、Lq和ψf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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udcmin和弱磁控制的最大超前角βmax；
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is,并对is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
Figure FDA0003318453240000011
和
Figure FDA0003318453240000012
结合转速指令ω*计算出电压初始值
Figure FDA0003318453240000013
步骤四：根据实时采集的直流母线电压Udc计算电压比较阈值
Figure FDA0003318453240000014
如果
Figure FDA0003318453240000015
此时需要进入退弱磁过程，进入步骤五，如果
Figure FDA0003318453240000016
此时需要进入弱磁过程，进入步骤六；
步骤五：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1-Δβ，其中n为正整数，计算交直轴电流指令
Figure FDA0003318453240000017
和
Figure FDA0003318453240000018
结合转速指令ω*计算出电压值U*，如果
Figure FDA0003318453240000019
则循环次数n增加1，重复进行步骤五的计算和比较过程，直到
Figure FDA00033184532400000110
或者βn＝0退出循环；
步骤六：根据设定的超前角变化值Δβ和上一个循环的超前角值βn-1计算当前循环的超前角值βn，即βn＝βn-1+Δβ，其中n为正整数，计算交直轴电流指令
Figure FDA00033184532400000111
和
Figure FDA00033184532400000112
结合转速指令ω*计算出电压值U*，如果
Figure FDA00033184532400000113
则循环次数n增加1，重复进行步骤六的计算和比较过程，直到
Figure FDA00033184532400000114
或者βn＝βmax退出循环；
步骤七：将步骤五或六退出循环时的
Figure FDA00033184532400000115
和
Figure FDA00033184532400000116
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Tn、额定转速ωn和电流极限值Imax，确定输入母线电压波动的下限值Udcmin和弱磁控制的最大超前角βmax的过程为：
永磁同步电机转矩公式为：
T＝1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]
电压极限圆公式为：
Figure FDA00033184532400000117
电流极限圆公式为：
Figure FDA00033184532400000118
其中np、ψf、Ld、Lq为已知的电机参数，T取额定转矩Tn，ω取额定转速ωn，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
Figure FDA00033184532400000119
和
Figure FDA00033184532400000120
再结合电压极限圆公式求得母线电压波动的下限值Udcmin，最后根据公式
Figure FDA00033184532400000121
求得最大超前角βmax。
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is,并对is进行限幅的过程为：
电机电流极限值为Imax，如果is>Imax，则取is＝Imax。
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
Figure FDA0003318453240000021
和
Figure FDA0003318453240000022
结合转速指令ω*计算出电压值
Figure FDA0003318453240000023
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
Figure FDA0003318453240000024
根据电压极限圆计算电压初始值
Figure FDA0003318453240000025
Figure FDA0003318453240000026
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Udc，计算电压比较阈值
Figure FDA0003318453240000027
的过程为：
Figure FDA0003318453240000028
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
Figure FDA0003318453240000029
和
Figure FDA00033184532400000210
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
Figure FDA00033184532400000211
根据电压极限圆计算电压值U*：
Figure FDA00033184532400000212
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