CN111064407B - 一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，步骤1、求取实时载波比Fratio；步骤2、基于步骤1的实时载波比Fratio，求取不同载波比Fratio下的调节因子η；步骤3、基于步骤2的调节因子η求取虚拟直流母线指令电压
Figure DDA0002357057650000011
步骤4、基于步骤3的虚拟直流母线指令电压
Figure DDA0002357057650000012
预调节q轴电压分量uq。本发明可有效提高永磁同步电机在动态加载过程中的带载能力。

Description

一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法。
背景技术
近年来，永磁同步电机无速度传感器控制一直是人们研究的热点。通常随着电机功率的提升，电机驱动器的载波频率逐渐降低。对于45kW以上电机的驱动器，其两电平三相逆变器所使用的功率模块的载波频率会降至2kHz；当电机功率达到几百千瓦时，功率模块的载波频率甚至会降到1kHz以内。为了满足工业传动大功率电机的宽范围调速要求，一般在额定转速以上区域需要进行弱磁控制，同时需具有较强的带载能力，因此，在低载波比下弱磁区域的无速度传感器控制一直是永磁同步电机控制的难点之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，可有效提高永磁同步电机在动态加载过程中的带载能力。
本发明所采用的技术方案是，一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、求取实时载波比Fratio；
步骤2、基于步骤1的实时载波比Fratio，求取不同载波比Fratio下的调节因子η；
步骤3、基于步骤2的调节因子η求取虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000021
步骤4、基于步骤3的虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000022
预调节q轴电压分量uq。
本发明的特点还在于：
步骤1中，实时载波比Fratio计算公式如下：
Fratio＝Fc/Fo (1)
式中，Fratio为载波比；Fc为载波频率；Fo为运行频率。
步骤2中，不同载波比Fratio下的调节因子η计算公式如下：
Figure BDA0002357057630000023
式中，Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；ψPM为永磁体磁链，一般是恒定值；Fratio_MIN为最小载波比；Fratio_MAX为最大载波比；iq_max为同步旋转坐标系下电机驱动器的最大q轴输出电流；id为同步旋转坐标系下电机驱动器的d轴电流分量。
步骤3中，虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000024
的公式如下：
Figure BDA0002357057630000025
其中，虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000026
的调节范围为从最小虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000027
到实际直流母线之间电压Udc。
步骤4的具体过程如下：
步骤4.1、调节因子η乘以
Figure BDA0002357057630000031
得到虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000032
q轴电压uq减去虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000033
再经过比例积分调节器PI1得到
Figure BDA0002357057630000034
步骤4.2、电压幅值
Figure BDA0002357057630000035
减去
Figure BDA0002357057630000036
再经过PI2比例积分调节器PI2得到
Figure BDA0002357057630000037
步骤4.3、对
Figure BDA0002357057630000038
进行一阶低通滤波，得到励磁电流指令值
Figure BDA0002357057630000039
公式如下：
Figure BDA00023570576300000310
有：
Figure BDA00023570576300000311
式中，uq为同步旋转坐标系下的q轴电压分量；ωm为转子角速度；iq为同步旋转坐标系下的q轴电流分量；Pp为电机极对数，一般为恒定值；
步骤4.4、提前调节
Figure BDA00023570576300000312
为负值
当iq、ωm不变，
Figure BDA00023570576300000313
为负值时，q轴电压分量uq减小；因此，提前调节
Figure BDA00023570576300000314
为负值，可使永磁同步电机在低载波比的情况下，提前进入弱磁状态。
id由电机驱动器输出的三相电流通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。
iq由电机驱动器输出的三相电流通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。
uq由电机驱动器输出的三相电压通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。
本发明的有益效果是：
引入虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000041
替代实际直流母线电压Udc，并且该虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000042
随着载波比Fratio的变化而动态调整，从而使得实际直流母线电压Udc中有一部分电压作为储备电压来供加载使用。弱磁程度主要受q轴电压分量uq随着转速上升而受到实际母线电压Udc的限制，因此，引入虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000043
来限制q轴电压分量uq，即提前预调节了uq，从而能够在载波比较低时提前进入弱磁，进而在加载过程中仅需要对d轴电压分量ud电压进行调节，使得系统很快进入稳态。
附图说明
图1是本发明一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、求取实时载波比Fratio；
实时载波比Fratio计算公式如下：
Fratio＝Fc/Fo (1)
式中，Fratio为载波比；Fc为载波频率；Fo为运行频率。
步骤2、基于步骤1的实时载波比Fratio，求取不同载波比Fratio下的调节因子η；
不同载波比Fratio下的调节因子η计算公式如下：
Figure BDA0002357057630000051
式中，Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；ψPM为永磁体磁链，一般是恒定值；Fratio_MIN为最小载波比；Fratio_MAX为最大载波比；iq_max为同步旋转坐标系下电机驱动器的最大q轴输出电流；id为同步旋转坐标系下电机驱动器的d轴电流分量。
步骤3、基于步骤2的调节因子η求取虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000052
步骤3中，虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000053
的公式如下：
Figure BDA0002357057630000054
其中，虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000055
的调节范围为从最小虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000056
到实际直流母线之间电压Udc。
步骤4、基于步骤3的虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000057
预调节q轴电压分量uq；
步骤4的具体过程如下(如图1所示)：
步骤4.1、调节因子η乘以
Figure BDA0002357057630000058
得到虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000059
q轴电压uq减去虚拟直流母线指令电压
Figure BDA00023570576300000510
再经过比例积分调节器PI1得到
Figure BDA00023570576300000511
步骤4.2、电压幅值
Figure BDA00023570576300000512
减去
Figure BDA00023570576300000513
再经过PI2比例积分调节器PI2得到
Figure BDA0002357057630000061
步骤4.3、对
Figure BDA0002357057630000062
进行一阶低通滤波，得到励磁电流指令值
Figure BDA0002357057630000063
公式如下：
Figure BDA0002357057630000064
有：
Figure BDA0002357057630000065
式中，uq为同步旋转坐标系下的q轴电压分量；ωm为转子角速度；iq为同步旋转坐标系下的q轴电流分量；Pp为电机极对数，一般为恒定值；
步骤4.4、提前调节
Figure BDA0002357057630000066
为负值
当iq、ωm不变，
Figure BDA0002357057630000067
为负值时，q轴电压分量uq减小；因此，提前调节
Figure BDA0002357057630000068
为负值，可使永磁同步电机在低载波比的情况下，提前进入弱磁状态。
其中，id由电机驱动器输出的三相电流通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。iq由电机驱动器输出的三相电流通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。uq由电机驱动器输出的三相电压通过传统的三相到两相同步旋转坐标变换得到。
在载波比较低时，通过使得永磁同步电机提前进入弱磁状态，因而在加载时仅需要调节同步旋转坐标系下的d轴电压分量ud，而q轴电压分量uq微调节，甚至基本不调节。由于近似是ud电压分量单轴调节控制，在载波比较低，即电流环带宽较低的情况下，也能够满足弱磁控制下的响应速度。
本发明一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，引入虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000071
替代实际直流母线电压Udc，并且该虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000072
随着载波比Fratio的变化而动态调整，从而使得实际直流母线电压Udc中有一部分电压作为储备电压来供加载使用。弱磁程度主要受q轴电压分量uq随着转速上升而受到实际母线电压Udc的限制，因此，引入虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000073
来限制q轴电压分量uq，即提前预调节了uq，从而能够在载波比较低时提前进入弱磁，进而在加载过程中仅需要对d轴电压分量ud电压进行调节，使得系统很快进入稳态；
引入的虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000074
随着Fratio的变化而动态调节；在相同的转速下，当载波比较高(例如Fratio>20)时，虚拟直流母线指令电压
Figure BDA0002357057630000075
较高，因此在空载运行时
Figure BDA0002357057630000076
较小，此时输出电压未达到Udc，所以
Figure BDA0002357057630000077
当加载以后，输出电压增大，当达到Udc时，
Figure BDA0002357057630000078
开始进行调节，由于载波比较高，因此调节过程能较快地收敛；
在相同的转速下，当载波比较低(例如Fratio≤20)时，虚拟母线电压指令
Figure BDA0002357057630000079
较低，而
Figure BDA00023570576300000710
受到
Figure BDA00023570576300000711
的约束，因此在空载运行时
Figure BDA00023570576300000712
较大，输出电压未达到Udc，所以
Figure BDA00023570576300000713
当加载以后，输出电压增大，但由于提前预调节了
Figure BDA00023570576300000714
所以即使输出电压达到Udc，此时
Figure BDA00023570576300000715
才开始进行微调节，由于调节量小，所以调节过程也能较快地收敛。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、求取实时载波比Fratio；
步骤2、基于步骤1的实时载波比Fratio，求取不同载波比Fratio下的调节因子η；
步骤3、基于步骤2的调节因子η求取虚拟直流母线指令电压
Figure FDA0003656226190000011
步骤4、基于步骤3的虚拟直流母线指令电压
Figure FDA0003656226190000012
预调节q轴电压分量uq，输出励磁电流分量。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤1中，实时载波比Fratio计算公式如下：
Fratio＝Fc/Fo (1)
式中，Fratio为载波比；Fc为载波频率；Fo为运行频率。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤2中，不同载波比Fratio下的调节因子η计算公式如下：
Figure FDA0003656226190000013
式中，Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；ψPM为永磁体磁链；Fratio_MIN为最小载波比；Fratio_MAX为最大载波比；iq_max为同步旋转坐标系下电机驱动器的最大q轴输出电流；id为同步旋转坐标系下电机驱动器的d轴电流分量。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤3中，虚拟直流母线指令电压
Figure FDA0003656226190000021
的公式如下：
Figure FDA0003656226190000022
其中，Udc为实际直流母线电压。
5.如权利要求4所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，步骤4具体过程如下：
步骤4.1、调节因子η乘以
Figure FDA0003656226190000023
得到虚拟直流母线指令电压
Figure FDA0003656226190000024
q轴电压uq减去虚拟直流母线指令电压
Figure FDA0003656226190000025
再经过比例积分调节器PI1得到
Figure FDA0003656226190000026
步骤4.2、电压幅值
Figure FDA0003656226190000027
减去
Figure FDA0003656226190000028
再经过比例积分调节器PI2得到
Figure FDA0003656226190000029
ud为同步旋转坐标系下的d轴电压分量；
步骤4.3、对
Figure FDA00036562261900000210
进行一阶低通滤波，并在滤波后求和，得到励磁电流指令值
Figure FDA00036562261900000211
有：
Figure FDA00036562261900000212
式中，uq为同步旋转坐标系下的q轴电压分量；ωm为转子角速度；iq为同步旋转坐标系下的q轴电流分量；Pp为电机极对数；
步骤4.4、提前调节
Figure FDA00036562261900000213
为负值
当iq、ωm不变，
Figure FDA00036562261900000214
为负值时，q轴电压分量uq减小；因此，提前调节
Figure FDA00036562261900000215
为负值，可使永磁同步电机在低载波比的情况下，提前进入弱磁状态。
6.如权利要求5所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述id由电机驱动器输出的三相电流通过三相到两相同步旋转坐标变换得到。
7.如权利要求5所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述iq由电机驱动器输出的三相电流通过三相到两相同步旋转坐标变换得到。
8.如权利要求5所述的永磁同步电机低载波比弱磁控制方法，其特征在于，所述uq由电机驱动器输出的三相电压通过三相到两相同步旋转坐标变换得到。
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