CN110311610B - 电机弱磁控制方法、电机弱磁控制装置及变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机控制领域，公开了一种电机弱磁控制方法、电机弱磁控制装置及变频器。其中，电机弱磁控制方法，包括：获取在等效转子坐标系下电机的q轴给定电压
和电机的转速ωe；获取在等效转子坐标系下电机的d轴电感Ld，在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压uqlim；根据转速ωe和d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2；根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，求取电机的d轴驱动电流
将电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
本发明实施方式所提供的电机弱磁控制方法具有能有效提高直流母线电压利用率且适用性广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种电机弱磁控制方法、电机弱磁控制装置及变频器。
背景技术
弱磁控制技术可以使交流电机实现宽转速范围调速运行。但是，传统的电机弱磁控制方法，输出电压纹波比较大，使得实际的母线电压没有得到充分利用。因此，出现了一种根据新型的弱磁控制方法：基于最小二乘法以及梯度下降的方法，最小化实际输出电压与逆变器最大可输出电压的误差，可以有效的提高了母线电压利用率。
本发明的发明人发现，现有的这种弱磁控制方法中需要设计合理的学习率，但是，学习率在实际应用中只能通过工程经验进行反复的试凑，导致这种弱磁控制方法不能充分利用直流母线电压，而且适用性差。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种电机弱磁控制方法、电机弱磁控制装置及变频器，其能有效提高直流母线电压利用率且适用性广。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电机弱磁控制方法，包括：获取在等效转子坐标系下电机的q轴给定电压
和电机的转速ωe；获取在等效转子坐标系下电机的d轴电感Ld，在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压uqlim；根据转速ωe和d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2；根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，求取电机的d轴驱动电流
将所电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
本发明的实施方式还提供了一种电机控制装置，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述电机控制方法。
本发明的实施方式还提供了一种变频器，包括：转速调节器，转速调节器用于获取电机的转速ωe；与转速调节器连接的电流调节器，电流调节器用于获取在等效转子坐标系下电机的q轴给定电压
与电流调节器连接的电感获取装置，电感获取装置用于获取电机的d轴电感Ld；与电感获取装置连接的电压重构装置，电压重构装置用于在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压
与电压重构装置连接的处理器，处理器用于接收转速ωe、q轴给定电压
d轴电感Ld以及q轴重构电压uqlim，并根据转速ωe和d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2，处理器还用于根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，求取电机的d轴驱动电流
并将电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
本发明实施方式相对于现有技术而言，获取电机的转速ωe和电机在等效转子坐标系下的d轴电感Ld，根据转速ωe和d轴电感Ld按照α＝1/(ωeLd)2的计算公式获取学习率α，省去了现有技术中对学习率α的反复试凑过程，不仅提高了调试效率，获取的准确学习率也能提高直流母线电压利用率且适用性广。
另外，在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压uqlim，具体为：将q轴给定电压
经过坐标变换、空间矢量脉宽调制SVPWM及过调制处理，获得q轴重构电压uqlim。
另外，根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，获取电机的d轴驱动电流
具体包括：获取q轴给定电压
和q轴重构电压uqlim的差值Δuq；获取差值Δuq、转速ωe以及d轴电感Ld的乘积m；对乘积m进行低通滤波；将经过低通滤波后的乘积m与学习率α相乘并取相反数的结果作为d轴驱动电流
另外，电压重构装置包括坐标变换单元、与坐标变换单元连接的空间矢量脉宽调制SVPWM单元、以及与空间矢量脉宽调制SVPWM单元连接的过调制单元；其中，坐标转换单元用于对q轴给定电压
进行坐标变换，空间矢量脉宽调制SVPWM单元用于对q轴给定电压
进行空间矢量脉宽调制SVPWM，过调制单元用于对q轴给定电压
进行过调制处理。
另外，处理器包括差值获取单元、与差值获取单元连接的第一运算单元、与第一运算单元连接的低通滤波单元、以及与低通滤波器连接的第二运算单元；其中，差值获取单元用于获取q轴给定电压
和q轴重构电压uqlim的差值Δuq，第一运算单元用于获取差值Δuq、转速ωe以及d轴电感Ld的乘积m，低通滤波单元用于对乘积m进行低通滤波。第二运算单元用于将经过低通滤波后的乘积m与学习率α相乘并取相反数的结果作为d轴驱动电流
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施方式所提供的电机弱磁控制方法的程序流程图；
图2是本发明第一实施方式的举例说明的电压电流波形图像；
图3是本发明第二实施方式所提供的电机控制装置的结构示意图；
图4是本发明第三实施方式所提供的变频器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种电机控制方法，应用于电机控制装置。具体流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101：获取在等效转子坐标系下电机的q轴给定电压
和电机的转速ωe。
在本实施方式中，转速检测通过转速观测器获得。可以理解的是，转速检测装置仅为本发明中的一种具体的应用举例，并不构成限定，在本发明的其他实施方式中，转速检测装置也可以是如旋转编码器、电磁脉冲测速器等其他类型的转速检测装置，在此不进行一一列举，具体可以根据实际需要进行灵活的选用。
步骤S102：获取在等效转子坐标系下电机的d轴电感Ld，在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压uqlim；
具体的，在本步骤中，将电机至于空间坐标系中，并在空间坐标系中建立等效转子坐标系，等效转子坐标系与电机的转子同步转动，在等效转子坐标系中，转子的磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴。获取电机在等效转自坐标系中的d轴电感Ld。
进一步的，在本步骤中，将电机控制装置的q轴给定电压
经过坐标变换、空间矢量脉宽调制SVPWM及过调制处理，重构出q轴重构电压uqlim。
步骤S103：根据转速ωe和d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2。
具体的，在本步骤中，α＝1/(ωeLd)2，下面，以永磁同步电机为例进行学习率α计算方法的推导，可以理解的是，永磁同步电机仅为本步骤中的一种具体的举例，并不构成限定，本发明实施方式所提供的电机控制方法还可以适用于如异步电机等其他种类的电机，再次不进行一一列举。
建立永磁同步电机的等效转子坐标系，在等效转子坐标系中，永磁同步电机的电压方程为
其中，ud为电机的d轴电压，id为电机的d轴电流，uq为电机的q轴电压，iq为电机的q轴电流，Ld为电机的d轴电感，Lq为电机的q轴电感，Rs为电机的定子电阻，ωe为电机当前转速，λf为永磁体磁链。
由于永磁同步电机弱磁运行时转速ωe较高，因此可以忽略电机定子电阻产生的压降，因此，永磁同步电机的稳态电压方程可以简化为
ud＝-ωeLqiq
uq＝ωeLdid+ωeλf；
与永磁同步电机相连的逆变器的实际输出电压与逆变器最大可输出电压的误差分别为
Δud＝-ωeLqiq-udlim
Δuq＝ωeLdid+ωeλf-uqlim；
其中，udlim为d轴重构的输出电压，uqlim为q轴重构的输出电压。
根据最小二乘法建立目标函数为
目标函数的梯度为
由梯度下降法可得id(n)＝id(n-1)-α·ωeLdΔuq；
由于坐标变换误差会导致的电压偏置误差，因此增加一个高通滤波器以消除电压偏置误差，由id(n)＝id(n-1)-α·ωeLdΔuq可以推出
其中，ωc为高通滤波截止频率，ki为积分系数，可设为ki＝2πωc；α为梯度下降法的学习率，
为电机的d轴驱动电流。
在本实施方式中，q轴重构电压通过
计算得到，其中usmax为变频器的最大可输出电压，则式
中省去高通滤波器可得
在式
中，转速ωe稳定的时候可以当作一个常量，从而可以得到
由式
可得
从而可以得出
对比式
和式
两式可以得出学习率α的值为α＝1/(ωeLd)2。
步骤S104：根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，获取电机的d轴驱动电流
将电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
具体的，在本步骤中，首先获取q轴给定电压
和q轴重构电压uqlim的差值Δuq；然后获取差值Δuq、转速ωe以及d轴电感Ld的乘积m；最后将乘积m经过低通滤波后、与学习率α相乘并取相反数，得到d轴驱动电流
调整电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
从而实现对电机的控制。
与现有技术相比，本实施方式通过获取电机的转速ωe和电机在等效转子坐标系下的d轴电感Ld，根据转速ωe和d轴电感Ld按照的计算公式α＝1/(ωeLd)2获取学习率α的值，省去了现有技术中对学习率α的值的反复试凑过程，提高了工程调试的便捷性，同时也提高了直流母线电压利用率且适用性更广。
下面，对本发明第一实施方式所提供的电机控制方法进行举例说明，可以理解的是，下述举例说明中的数值均可根据实际进行变动，并不构成限定。
例如，将本发明第一实施方式所提供的电机控制方法应用于一台8kW永磁同步电动机，最高转速为420Hz，d轴电感Ld＝1.7mH，则在运行到最高转速时，计算得到的学习率
其运行的电压电流波形如图2所示，此运行状态已经接近电机极限。
本发明第二实施方式涉及一种电机控制装置，如图3所示，包括：至少一个处理器301；以及，与至少一个处理器301通信连接的存储器302；其中，存储器302存储有可被至少一个处理器301执行的指令，指令被至少一个处理器301执行，以使至少一个处理器301能够执行如上述智能机器人的控制方法。
其中，存储器302和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器302的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。
处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器302可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。
本发明第三实施方式涉及一种变频器，用于控制电机，如图4所示，包括：转速调节器401、与转速调节器401连接的电流调节器402，与电流调节器402连接的电感获取装置403，与电感获取装置403连接的电压重构装置404，与电压重构装置404连接的处理器405。
其中，转速调节器401用于获取电机的转速ωe，电流调节器402用于获取在等效转子坐标系下电机的q轴给定电压
电感获取装置403用于获取电机的d轴电感Ld，电压重构装置404用于在等效转子坐标系下重构出q轴重构电压uqlim，处理器405用于接收转速ωe、q轴给定电压
d轴电感Ld以及q轴重构电压uqlim，并根据转速ωe和d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2，处理器还用于根据学习率α、转速ωe、d轴电感Ld、q轴给定电压
以及q轴重构电压uqlim，求取电机的d轴驱动电流
并将电机的d轴电流调整为d轴驱动电流
具体的，电压重构装置404包括坐标变换单元4041、与坐标变换单元4041连接的空间矢量脉宽调制SVPWM单元4042、以及与空间矢量脉宽调制SVPWM单元4042连接的过调制单元4043。
其中，坐标转换单元4041用于对q轴给定电压
进行坐标变换，空间矢量脉宽调制SVPWM单元4042用于对q轴给定电压
进行空间矢量脉宽调制SVPWM，过调制单元4043用于对q轴给定电压
进行过调制处理。
进一步的，处理器405包括差值获取单元4051、与差值获取单元4051连接的第一运算单元4052、与第一运算单元4052连接的低通滤波单元4053、以及与低通滤波器4053连接的第二运算单元4054；
其中，差值获取单元4051用于获取q轴给定电压
和q轴重构电压uqlim的差值Δuq，第一运算单元4052用于获取差值Δuq、转速ωe以及d轴电感Ld的乘积m，低通滤波单元4053用于对乘积m进行低通滤波，第二运算单元4054用于将经过低通滤波后的乘积m与学习率α相乘并取相反数的结果作为d轴驱动电流
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种电机弱磁控制方法，其特征在于，包括：
获取在等效转子坐标系下所述电机的q轴给定电压
和所述电机的转速ωe；
获取在所述等效转子坐标系下所述电机的d轴电感Ld，在所述等效转子坐标系下重构出所述q轴重构电压uqlim；
根据所述转速ωe和所述d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2；
根据所述学习率α、所述转速ωe、所述d轴电感Ld、所述q轴给定电压
以及所述q轴重构电压uqlim，求取所述电机的d轴驱动电流
将所述电机的d轴电流调整为所述d轴驱动电流
2.根据权利要求1所述的电机弱磁控制方法，其特征在于，所述在所述等效转子坐标系下重构出所述q轴重构电压uqlim，具体为：
将所述q轴给定电压
经过坐标变换、空间矢量脉宽调制SVPWM及过调制处理，获得所述q轴重构电压uqlim。
3.根据权利要求1所述的电机弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述学习率α、所述转速ωe、所述d轴电感Ld、所述q轴给定电压
以及所述q轴重构电压uqlim，获取所述电机的d轴驱动电流
具体包括：
获取所述q轴给定电压
和所述q轴重构电压uqlim的差值Δuq；
获取所述差值Δuq、所述转速ωe以及所述d轴电感Ld的乘积m；
对所述乘积m进行低通滤波；
将经过低通滤波后的所述乘积m与所述学习率α相乘并取相反数的结果作为所述d轴驱动电流
4.一种电机弱磁控制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至3中任一所述的电机控制方法。
5.一种变频器，用于控制电机，其特征在于，包括：
转速调节器，所述转速调节器用于获取所述电机的转速ωe；
与所述转速调节器连接的电流调节器，所述电流调节器用于获取在等效转子坐标系下所述电机的q轴给定电压
与所述电流调节器连接的电感获取装置，所述电感获取装置用于获取所述电机的d轴电感Ld；
与所述电感获取装置连接的电压重构装置，所述电压重构装置用于在所述等效转子坐标系下重构出所述q轴重构电压uqlim；
与所述电压重构装置连接的处理器，所述处理器用于接收所述转速ωe、所述q轴给定电压
所述d轴电感Ld以及所述q轴重构电压uqlim，并根据所述转速ωe和所述d轴电感Ld，获取学习率α，其中，α＝1/(ωeLd)2，所述处理器还用于根据所述学习率α、所述转速ωe、所述d轴电感Ld、所述q轴给定电压
以及所述q轴重构电压uqlim，求取所述电机的d轴驱动电流
并将所述电机的d轴电流调整为所述d轴驱动电流
6.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述电压重构装置包括坐标变换单元、与所述坐标变换单元连接的空间矢量脉宽调制SVPWM单元、以及与所述空间矢量脉宽调制SVPWM单元连接的过调制单元；
其中，所述坐标变 换单元用于对所述q轴给定电压
进行坐标变换，所述空间矢量脉宽调制SVPWM单元用于对所述q轴给定电压
进行空间矢量脉宽调制SVPWM，所述过调制单元用于对所述q轴给定电压
进行过调制处理。
7.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述处理器包括差值获取单元、与所述差值获取单元连接的第一运算单元、与所述第一运算单元连接的低通滤波单元、以及与所述低通滤波器连接的第二运算单元；
其中，所述差值获取单元用于获取所述q轴给定电压
和所述q轴重构电压uqlim的差值Δuq，所述第一运算单元用于获取所述差值Δuq、所述转速ωe以及所述d轴电感Ld的乘积m，所述低通滤波单元用于对所述乘积m进行低通滤波，所述第二运算单元用于将经过低通滤波后的所述乘积m与所述学习率α相乘并取相反数的结果作为所述d轴驱动电流
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