CN109889112A - 永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明为永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，该方法通过引入虚拟电阻R′_s，用参数R′_s＝kω_eL_q代替参数R_s，用参数V′_FWC＝kU_smax代替参数V_FWC，改变负载轨迹线，使负载轨迹线经过电机运行的转矩最大点给定交轴电压值V_FWC的值不再是直接给定，而是按照公式(8)通过电机运行过程中的ω_e和i_d的值计算得到。该方法能够兼顾电机稳态运行时的效率和带载能力，适用于基于单电流调节器的永磁同步电机在高速区的效率优化运行。

Description

永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机弱磁控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法。

背景技术

永磁同步电机在工业应用中，由于电机输入电压受限于逆变器直流侧电压以及电机绝缘等级，想使电机达到高速，最常用的方法是应用弱磁控制。当电机处于弱磁状态时，转速愈高，直轴电流与交轴电流之间的耦合会愈严重。传统的双电流调节器之间的竞争会使系统极不易稳定以至于失控，于是美国俄亥俄州立大学的迟颂博士提出使用单电流调节器以拓展工业上的应用。

单电流调节器控制策略中，只利用直轴电流调节器，控制定子电流的直轴分量，利用定-交轴分量之间的耦合关系，同时实现弱磁和转速的控制。在电机弱磁调速过程中，通过直轴电流调节器的输出调节直轴电压，改变电机运行状态，而交轴电压不再由交轴电流调节器根据反馈闭环调节，而是直接给定一个常量V_FWC。这样不仅避免了定-交轴两个电流调节器互相干扰和冲突影响，而且避免了电机在弱磁升速过程中转速失控的情况发生。

同步电机可以分为内置式永磁同步电机和表贴式永磁同步电机。同步电机电感分为L_d和L_q，特别的是表贴式永磁同步电机有由于L_s＝L_d＝L_q关系。当永磁同步电机运行在稳态的时候，直轴电流和交轴电流存在着线性关系，称此直线为负载轨迹：

式中

i_g，i_d一—电机稳态运行时的定子电流交轴和直轴分量

R_s一—电机定子电阻

L_d，L_g——电机定子直轴和交轴电感

ω_e——电机电角速度

ψ_f——永磁体产生的过定子磁链

V_FWc——给定交轴电压值

即在图1中，负载运行轨迹在同步旋转坐标系中是一条直线。在此坐标系下描绘电机本身的忽略定子压降的电压限制椭圆：

(ω_eL_qi_q)²+(ω_eL_di_d+ω_eψ_f)²≤U² _max (2)

U_smax——电机最大定子电压，

电机的电压限制是由于驱动系统的限制和电机本身的绝缘等级造成的。特别地，当电机为表贴式永磁同步电机时，由于L_s＝L_d＝L_q，上述椭圆退化为圆；当电机为内置式永磁同步电机时，由于L_d＜L_q，电压限制区域仍为椭圆。图中当V_FWC＝V_FWc1时，直线与电压限制圆的交点是电机的最大转矩点，此时电机能够提供的电磁转矩为T_e1。通常在此基础上进行改进，让电机能够提供更大的电磁转矩，如文献[1]中介绍了一种提高带载能力的方法，在表贴式永磁同步电机中通过令V_FWC＝V_FWC2，使直线过点，此时电机能够提供的最大转矩为T_e2，但是可以发现改变V_FWc只是将负载直线向左平移，如此一来，虽然提高了电机能够承载的最大电磁转矩，但是由于在大多数时间内电机都不会在极限运行状态，而是在一个转矩较小的工况下运行，如图中转矩为T′_e的曲线。按照文献[1]的给定方法，电机电流从i_s1升至了i_s2，这大大地增加了电机稳态运行时的损耗，从而降低了运行效率。

[1]杨海靖，迟颂，宋桂英，等.一种新型的基于单电流调节器提高永磁同步电机系统负载与抗扰能力的算法[J].电机与控制应用，2018，45(5).

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，该方法能够兼顾电机稳态运行时的效率和带载能力，适用于基于单电流调节器的永磁同步电机在高速区的效率优化运行。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，其特征在于，该方法通过引入虚拟电阻R′_s，用参数R′_s＝kω_eL_q代替参数R_s，用参数V′_FWC＝kU_smax代替参数V_FWC，改变负载轨迹线，使负载轨迹线经过电机运行的转矩最大点给定交轴电压值V_FWC的值不再是直接给定，而是按照公式(8)通过电机运行过程中的ω_e和i_d的值计算得到，

式中，i_d——电机稳态运行时的定子电流直轴分量；R_s——电机定子电阻；L_d，L_q——电机定子直轴和交轴电感；ω_e——电机电角速度；ψ_f——永磁体产生的过定子磁链；U_smax——电机最大定子电压；

k的取值范围为公式(11)，

所述永磁同步电机为内置式永磁同步电机或表贴式永磁同步电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明叙述的同步电机轻载效率优化方法解决了传统利用单电流调节器控制电机时，提高带载能力的同时轻载效率降低的问题，对于V_FWC的值，通过给定不同的k值，对传统方法的优化程度不同，最终定量地计算出不同工作状态下交轴电压参考值。

在后续实例介绍中，该方法相比传统求交轴电压参考值V_FWC的方法能在最大程度上兼顾电机运行效率和带载能力。

附图说明

图1传统定交轴电压负载直线优化设计图；

图2基于虚拟电阻的定交轴电压负载直线优化设计图；

图3本发明实施例在PLECS仿真时稳态工作点的位置轨迹图；

图4本发明实施例应用于实物电机的稳态工作点的位置轨迹图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

现有技术中考虑定交轴电压单电流调节器通过改变V_FWc的值仅能使负载直线左右平移，无法改变其斜率，单纯地改变V_FWC已经无法兼顾电机运行效率和带载能力。图1中的和点是电机运行的转矩最大点和电流最小点，本发明围绕F、B两点进行优化计算。

本发明为永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，该方法的步骤是：

通过引入虚拟电阻设计方法，改变负载轨迹线，使其经过电机运行的转矩最大点F点：

在公式(1)的基础上，用参数R′_s代替参数R_s，用参数V′_FWC代替参数V_FWC，等式结构不变，如公式(3)有：

联立公式(1)和公式(3)，此时不难发现两个公式之间有如下关系：

令公式(3)过即可求得参数R′_s和V′_FWC的关系式：

此时可得到：

记V′_FWc＝kU_smax(*)，于是公式(6)可以表示为：

将公式(5)和公式(*)代入公式(4)可得V_FWC的计算式：

公式(8)所描述的V_FWC的值不再是直接给定，而是通过电机运行过程中的ω_e和i_d的值计算得到的。而k值决定了同步电机轻载时效率优化的效果。

首先由式(*)确定k的初始取值范围为式(9)：

讨论k的严格取值范围。公式(7)恒过F点，如图2所示，随着k的变化，负载轨迹线能够绕着F点旋转。

当时，负载轨迹线退化为传统定交轴电压单电流调节器的电机负载轨迹，对传统轨迹优化不包括其原轨迹，等号不成立。

当时，k由逐渐增大，负载轨迹线绕着F点逆时针旋转，改良了由于传统方法导致的轻载效率问题，k值越大，轻载效率问题越能良好解决。

当k＝1，公式(7)经过点和点但是由于公式(2)并非精确的电压限制椭圆，没有考虑到定子电阻压降，实际运行中电机并不能运行于B点状态下，故等号不成立。

考虑到定子电阻压降，对k的取值范围进行修正，B点修正坐标为代入公式(6)得：

故k的取值范围为：

在公式(11)范围内能够实现永磁同步电机能兼顾电机运行效率和带载能力的目的。

实施例1：

本实施例测试对象为内置式永磁同步电机，仿真试验设置实验组与对照组，实验组模型为基于虚拟电阻的交轴电压给定模型，即按照公式(8)计算得到实时的交轴电压给定值V_FWC，此时取k的最大值效率优化效果最明显；对照组模型为直接给定固定交轴电压V_FWC＝36.5V。对照组中的V_FWC是按照电机负载直线通过最大转矩F点计算得到，与图1中的V_FWC2一致。电机转速3000rmp时(电机基速为1800rmp，处于弱磁运行状态)电机从空载加载至0.3N·m(电机额定负载0.6N·m，约合50％负载)，这一过程中电机从启动到加载完毕都处于轻载区，而且加载缓慢，每一时刻都可以认为是稳态。

实验组和对照组模型的稳态工作点的位置轨迹如图3PLECS仿真结果所示。实验组稳态工作点的位置轨迹图明显倾斜角度大于对照组；对比对照组和实验组在相同负载转矩(轻载i_q＝0.2A)下的电流值i′_s1和i′_s2，可以发现实验组的电流值远小于对照组传统方法的电流值。

由仿真结果可知本发明提出的效率优化方法，能够大幅降低电机轻载时的损耗，提高电机轻载时的效率。从而兼顾电机重载时的带载能力和轻载时的运行效率。

实施例2：

通过同步电机试验平台测试该专利所提出的优化方法，试验设置实验组与对照组，实验组为基于虚拟电阻的交轴电压给定模型，即按照公式(8)计算得到实时的交轴电压给定值V_FWC，此时取k的最大值效率优化效果最明显；对照组模型为直接给定固定交轴电压V_FWC＝36.5V。对照组中的V_FWC给定方法：按照电机负载直线通过最大转矩F点计算得到，与图1中的V_FWC2一致。电机转速3000rmp时(电机基速为1800rmp，处于弱磁运行状态)电机从空载加载至0.3N·m(电机额定负载0.6N·m，约合50％负载)。

实验组和对照组的电机稳态工作点的位置轨迹如图4所示。图4显示了独立的4次实验，左侧两条实验曲线是对照组，右侧两条实验曲线是实验组。对比对照组和实验组在相同负载转矩(轻载i_q＝0.2A)下的电流值i″_s1和i″_s2，可以发现实验组的电流值远小于对照组传统方法的电流值，结果与仿真结果相同。

由实验结果可知本发明提出的效率优化方法能够大幅降低电机轻载时的损耗，提高电机轻载时的效率。从而兼顾电机重载时的带载能力和轻载时的运行效率。

上述同步电机试验平台为现有平台。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，其特征在于，该方法通过引入虚拟电阻R′_s，用参数R′_s＝kω_eL_q代替参数R_s，用参数V′_FWC＝kU_smax代替参数V_FWC，改变负载轨迹线，使负载轨迹线经过电机运行的转矩最大点给定交轴电压值V_FWC的值不再是直接给定，而是按照公式(8)通过电机运行过程中的ω_e和i_d的值计算得到，

式中，i_d——电机稳态运行时的定子电流直轴分量；R_s——电机定子电阻；L_d,L_q——电机定子直轴和交轴电感；ω_e——电机电角速度；ψ_f——永磁体产生的过定子磁链；U_smax——电机最大定子电压；

k的取值范围为公式(11)，

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机弱磁控制单电流调节器的效率优化方法，其特征在于，所述永磁同步电机为内置式永磁同步电机或表贴式永磁同步电机。