CN111740664A - 实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，包括高速测功电机根据当前转速指令拖动被测电机旋转，下位机电控执行上位机发出的电流指令，控制被测电机输出扭矩，输出扭矩反馈至上位机调试系统；判断电机是否处于基速以下工况，如果是，则进行最大转矩电流比控制；否则，判断电机是否处于转折速以上工况，如果是，则进行弱磁控制；否则，根据电压确定控制方式，判断逆变器输出电压是否小于预设值，如果是，则进行最大转矩电流比控制；否则，进行最大转矩电流比控制。本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法为通过将传统的旋转坐标系dq轴整体逆时针旋转δ角，虚拟出新的旋转坐标系，实现基于Id＝0的弱磁控制，优化了控制算法，实现高效率、高精度的电机控制器的控制功能。

Description

实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及永磁同步电机控制领域，具体是指一种实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法。

背景技术

随着电动汽车产业的发展，永磁同步电机成为最主要的电动汽车驱动电机类型，特别是内埋式凸极永磁同步电机由于其高功率密度，高效率，输出转矩性能好，调速范围宽，体积小，重量轻，噪声小等优点已成为新能源汽车的首选驱动装置。目前凸极永磁同步电机普遍采用基于旋转坐标系的矢量控制技术驱动永磁同步电机，其原理是将电机三相采用Clarke-Park数学变换的方式实现交流电机直流化控制方法，直轴电流Id，交轴电流Iq分别进行PID(比例，积分，微分)控制，然后用空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space Vector PulseWidth Modulation)算法，计算出三相绕组的通电占空比，对电机实施控制。

传统的凸极永磁同步电机控制方式一：基速以下进行Id≠0最大转矩电流比控制，转折速度以上需要进行的弱磁控制，整个标定过程需分配Id，Iq给定值，观察电机输出扭矩，同时时刻观察Id，Iq反馈跟随情况，并不断调整PID参数。最后生成电机外特性map表。

传统的凸极永磁同步电机控制方式二：电机标定方法基本如方式一，上位机标定软件只是通过调整电机定子电流Is及Is偏移电角度β进行电机台架标定。实际在软件后台通过公式Id＝|Is|×cosβ，Iq＝|Is|×sinβ进行Id，Iq的电流分配。

传统控制方法算法相对复杂，在标定过程中需要同时设定Id、Iq，分别观察Id、Iq反馈量波动情况、再调整其PID参数，电机在大电流时因标定时间过长而温度上升，需要冷却后再次标定，效率比较低；另外传统方法算法也相对复杂。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足工作效率高、操作简便、适用范围较为广泛的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法。

为了实现上述目的，本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法如下：

该实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)高速测功电机根据当前转速指令拖动被测电机旋转，下位机电控执行上位机发出的电流指令，控制被测电机输出扭矩，输出扭矩反馈至上位机调试系统；

(2)判断电机是否处于基速以下工况，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)进行最大转矩电流比控制；

(4)判断电机是否处于转折速以上工况，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(6)；

(5)进行弱磁控制；

(6)根据电压确定控制方式，判断逆变器输出电压是否小于

如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(5)；

(7)整理并导入记录的电流值Iq和偏移量δ以及对应的扭矩及转速。

较佳地，所述的步骤(3)中的进行最大转矩电流比控制的步骤具体包括以下处理过程：

(3.1)交流测功机拖动被测电机到达基速以下的固定转速；

(3.2)上位机给定较小的被测电机q轴电流Iq，虚拟的旋转坐标偏移量δ从0度开始逐步增加，观察试验台架上位机的电机输出扭矩，在扭矩取得最大值时记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(3.3)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，偏移量δ逐步缓慢增加，重复步骤直至输出扭矩到达峰值扭矩，记录此时的电流值Iq和偏移量δ。

较佳地，所述的步骤(5)中的进行弱磁控制的步骤具体包括以下处理过程：

(5.1)上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量δ的初始值，给定被测电机q轴电流Iq值，逐步增大直至逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(5.2)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，保持Id为0，虚拟的旋转坐标偏移量δ从初始值开始逐步缓慢减小，观察试验台架上位机的电机输出扭矩；

(5.3)在扭矩取得最大值的情况下，保证逆变器输出电压大于等于母线直流电压的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ。

较佳地，所述的步骤(5.1)中上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量起始值为90度。

较佳地，所述的方法还包括调整PID参数的步骤，具体包括以下处理过程：

分别设置电流值Iq和偏移量δ的大小，根据观察电流值Iq反馈量的大小，调整PID参数。

采用了本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，通过将传统的旋转坐标系dq轴整体逆时针旋转δ角，虚拟新的旋转坐标系，实现基于Id＝0的弱磁控制，优化了控制算法，实现基于Id＝0永磁同步电机控制，实现高效率、高精度的电机控制器的控制功能。

附图说明

图1为现有技术的旋转坐标系矢量图的示意图。

图2为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的旋转坐标系矢量图。

图3为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的定子电流矢量轨迹图。

图4为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的控制原理框图。

图5为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的流程示意图。

图6为现有技术的控制方法dq轴电流反馈值的示意图。

图7为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的基于Id＝0的dq轴电流反馈值的示意图。

图8为本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法的相电流波形的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其中包括以下步骤：

(1)高速测功电机根据当前转速指令拖动被测电机旋转，下位机电控执行上位机发出的电流指令，控制被测电机输出扭矩，输出扭矩反馈至上位机调试系统；

(2)判断电机是否处于基速以下工况，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)进行最大转矩电流比控制；

(3.1)交流测功机拖动被测电机到达基速以下的固定转速；

(3.2)上位机给定较小的被测电机q轴电流Iq，虚拟的旋转坐标偏移量δ从0度开始逐步增加，观察试验台架上位机的电机输出扭矩，在扭矩取得最大值时记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(3.3)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，偏移量δ逐步缓慢增加，重复步骤直至输出扭矩到达峰值扭矩，记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(4)判断电机是否处于转折速以上工况，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(6)；

(5)进行弱磁控制；

(5.1)上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量δ的初始值，给定被测电机q轴电流Iq值，逐步增大直至逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(5.2)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，保持Id为0，虚拟的旋转坐标偏移量δ从初始值开始逐步缓慢减小，观察试验台架上位机的电机输出扭矩；

(5.3)在扭矩取得最大值的情况下，保证逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(6)根据电压确定控制方式，判断逆变器输出电压是否小于

如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(5)；

(7)整理并导入记录的电流值Iq和偏移量δ以及对应的扭矩及转速。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5.1)中上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量起始值为90度。

作为本发明的优选实施方式，所述的方法还包括调整PID参数的步骤，具体包括以下处理过程：

分别设置电流值Iq和偏移量δ的大小，根据观察电流值Iq反馈量的大小，调整PID参数。

本发明的具体实施方式中，针对传统的Id≠0的永磁同步电机控制存在算法相对复杂，电机台架标定时间过长等问题，本发明专利提出了一种新的凸极永磁同步电机控制方法，对永磁同步电机控制方法进行了简化处理，通过补偿dq轴旋转坐标系电角度的办法，采用与表贴式永磁同步电机类似的基于Id＝0的控制方法，实现凸极永磁同步电机弱磁扩速控制，弱化电机Id，Iq控制与电机交轴/直轴电感，磁通量等诸多参数的影响，简化控制算法，缩短标定工作周期，提高工作效率。

本发明的该新的基于Id＝0的凸极式永磁同步电机的弱磁控制方法，它的主要特点为：通过将传统的dq轴旋转坐标系整体逆时针旋转δ角，虚拟新的电机转子位置，实现基于Id＝0的永磁同步电机最大转矩电流比控制、弱磁控制，简化控制算法与过程，实现高效率、高精度的电机控制器的控制。

本方法将传统的凸极永磁同步电机矢量控制方法进行简化，通过将传统的dq轴旋转坐标系整体逆时针旋转δ角，实现Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制。控制算法推导及控制原理如下所示：

1、控制算法推导

传统的永磁同步电机扭矩与交直轴电流Id、Iq的推导方程如下所示：

转矩方程：Te＝1.5np(Ψf×Iq+(Ld-Lq)×Id×Iq)……(1-1)

式中：Te：电机输出扭矩，Ψf：转子永磁体的磁链幅值，Ld，Lq为交直轴电感。

图1是传统的旋转坐标系矢量图，定子电流矢量Is与旋转坐标轴直轴D轴的电角度为β，与交轴q轴的电角度为δ。

由图1可知Id，Iq分别如下：

Id＝|Is|×cosβ……(1-2)

Iq＝|Is|×sinβ……(1-3)

将式(1-2)，(1-3)代入(1-1)得(1-4)：

Te＝1.5np[Ψf×|Is|×sinβ-0.5×(Lq-Ld)×|Is|2×sin2β]……(1-4)

式中：Ψf转子永磁体的磁链幅值，Ld，Lq为交直轴电感，β为定子电流Is与dq旋转坐标系d轴的夹角。

根据上述理论，那么只需控制Is与β角的大小就可以实现永磁同步电机的最大转矩电流比控制与弱磁控制。

那么改进dq轴旋转坐标系，将传统的dq轴整体逆时针旋转δ角，即将电机电角度位置传感器的输出值θ增加一个偏移量δ，虚拟出新的电机转子位置，与实际电机转子位置逆时针偏移δ角。经过旋转坐标系偏移后，新的q轴与Is重合，即Is在交轴q轴投影就等于Iq，在直轴d轴投影为零(Id始终保持等于0状态)。

如图2所示，Is与q轴重合后，Iq＝Is，id＝0；控制算法只需要单独控制Iq与电角度δ即可，不用分别控制Iq，Id，软件后台不用通过公式Id＝|Is|×cosβ，Iq＝|Is|×sinβ进行Id，Iq的电流分配，也不用再通过计算

担心Is超过电流极限导致IGBT过流故障，算法得到精简，提高了效率。

因此在电驱动系统恒转矩区的调试、标定过程中，只需按Id＝0的，Iq＝Is的控制，通过调整dq轴旋转坐标系的偏移电角度δ，从而改变电机输出扭矩的大小，记录下相同Is值，输出扭矩最大时的δ角度，通过多组Is值测试，就可以确定系统的最大转矩电流比曲线。

弱磁控制也类似，按id＝0，Iq＝Is的控制算法，通过将电角度δ从90度逐步减小，从而改变电机输出扭矩的大小，记录输出最大扭矩时的Iq、δ值，最终实现弱磁控制。

通过以上方法，实现如图3的永磁同步电机的最大转矩电流比控制，弱磁控制。

2、控制原理

由AD采样测得三相交流电流，经过3/2转换得Iα，Iβ，与测得的Udc三个AD值一起送至定子电流，电磁转矩，偏移电角度δ的查表计算器模块中。由该模块根据不同转速ω下的定子电流矢量Is(即Iq值)查表获得电角度偏移量δ的大小，Is与速度环调节输出的电流给定值Is*比较，经PI校正后和电角度偏移量δ一同经参考电压估算器得到Uref，再由SVPWM分别控制IGBT三相桥的占空比，得到三相正弦波，从而控制电机旋转。

该算法的原理框图如图4所示，控制方法流程如附件图5。

3、具体流程和方法

台架试验验证系统包括：高速测功电机、被测电机、下位机电控系统、上位机调试系统。

实现本发明提出的基于id＝0的凸极永磁同步电机矢量控制实现的方法为：

首先高速测功电机根据当前转速指令拖动被测电机旋转，下位机电控执行上位机发出的电流指令，控制被测电机输出扭矩，输出扭矩反馈到上位机调试系统，供调试者观察反馈量及调整控制参数。

其次、按如下三个步骤实现分别实现最大转矩电流比控制，弱磁扩速控制：

步骤一：基速以下，采取最大转矩电流比控制。

a)交流测功机拖动被测电机到达基速以下的固定转速，电机在该转速下峰值电流全部分配到q轴时输出电压Udq不会饱和。

b)上位机给定一个较小的被测电机q轴电流Iq＝Is，Id＝0，虚拟的旋转坐标偏移量δ从0度开始逐步增加，观察试验台架上位机的电机输出扭矩，当扭矩取得最大值时，记录此时的Iq，δ。

c)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，保持Id＝0，δ开始逐步缓慢增加，重复上述步骤，直到输出扭矩到达峰值扭矩，记录此时新的Iq，δ。

按照以上步骤，找出一组最大转矩电流比对应的Iq，δ数值。

步骤二：转折速以上，采取弱磁控制。

a)上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量δ为90度，同时给定被测电机q轴电流Iq值，逐步增大直至保证逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的Iq，δ。

b)被测电机q`轴电流Iq给定值按固定步长递增，保持Id＝0，虚拟的旋转坐标偏移量δ从90度开始逐步缓慢减小，观察试验台架上位机的电机输出扭矩，当扭矩取得最大值时，同时保证逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的Iq，δ。

步骤三：基速以上，转折速以下，判断电压来确定控制方式。

a)小扭矩时，逆变器输出电压小于

时，按步骤一实现最大转矩电流比控制。

b)逆变器输出电压大于等于

时，按步骤二实现弱磁控制。

最终将记录的Iq`，δ，以及对应的扭矩Te及转速ω整理成map数组，通过Te＝[ω，δ、Iq`]，导入程序，通过查表插值方式，控制Iq，δ值的大小来实现基于Id＝0的凸极式永磁同步电机控制。

由图6可知传统控制方法，需要分别设置Id，Iq大小，同时根据观察Id，Iq反馈数值大小，再分别调整其PID参数。调试者操作、观察的数据较多，电机难免因在高速大电流工况时，会出现温度过高，需要冷却，重新开始；同时还需要担心定子电流

超过电流极限会导致IGBT过流故障，整个过程效率相对较低。

由图7可知本发明的控制方法，需要分别设置δ，Iq值大小，根据观察Iq反馈量的大小(Id基本为0)，调整其PID参数。调试者操作、观察的数据较少；不必担心Is会超过电流极限值(因为Is＝Iq)，整个过程算法简洁，效率较高。

采用该方法对某电机进行标定，该电机额定功率12.5kw，峰值功率25kw，基准速度为2500rpm，转折速度4000rpm，最大转速8000rpm，最大扭矩96Nm。经标定得到全范围内Te＝[ω，δ、Iq]数据，采用该数据的电机控制算法，得到的相电流波形如图8所示，0～96Nm范围内输出力矩与输入扭矩指令误差为＜3％，满足使用要求。

通过将传统的dq轴旋转坐标系整体逆时针旋转，将电机位置传感器的输出值增加一个偏移量δ角，虚拟出新的电机转子位置。经过旋转坐标系偏移后，新的q轴电流Iq与Is重合，Id始终保持等于0状态。实现方法如下：

a)电机处于基速以下工况时，实现方法参见上述具体流程和方法的步骤一；

b)电机处于转折速以上工况时，实现方法参见上述具体流程和方法的步骤二；

c)电机处于基速以上，转折速以下工况时，实现方法参见上述具体流程和方法的步骤三；

最终将记录的Iq，δ，以及对应的扭矩Te及转速ω整理成map数组，通过Te＝[ω，δ、Iq]，导入程序，通过查表方式，控制Iq，δ值的大小来实现基于Id＝0的凸极式永磁同步电机控制。

采用了本发明的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，通过将传统的旋转坐标系dq轴整体逆时针旋转δ角，虚拟新的旋转坐标系，实现基于Id＝0的弱磁控制，优化了控制算法，实现基于Id＝0永磁同步电机控制，实现高效率、高精度的电机控制器的控制功能。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)高速测功电机根据当前转速指令拖动被测电机旋转，下位机电控执行上位机发出的电流指令，控制被测电机输出扭矩，输出扭矩值反馈至上位机调试系统；

(2)判断电机是否处于基速以下工况，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(4)；

(3)进行最大转矩电流比控制；

(4)判断电机是否处于转折速以上工况，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(6)；

(5)进行弱磁控制；

(6)根据电压确定控制方式，判断逆变器输出电压是否小于母线直流电压Udc的

如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(5)；

(7)整理并导入记录的电流值Iq和偏移量δ以及对应的扭矩及转速。

2.根据权利要求1所述的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的进行最大转矩电流比控制的步骤具体包括以下处理过程：

(3.1)交流测功机拖动被测电机到达基速以下的固定转速；

(3.2)上位机给定较小的被测电机q轴电流Iq，虚拟的旋转坐标偏移量δ从0度开始逐步增加，观察试验台架上位机的电机输出扭矩，在扭矩取得最大值时记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(3.3)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，偏移量δ逐步缓慢增加，重复步骤直至输出扭矩到达峰值扭矩，记录此时的电流值Iq和偏移量δ。

3.根据权利要求1所述的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的进行弱磁控制的步骤具体包括以下处理过程：

(5.1)上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量δ的初始值，给定被测电机q轴电流Iq值，逐步增大直至逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ；

(5.2)被测电机q轴电流Iq给定值按固定步长递增，保持Id为0，虚拟的旋转坐标偏移量δ从初始值开始逐步缓慢减小，观察试验台架上位机的电机输出扭矩；

(5.3)在扭矩取得最大值的情况下，保证逆变器输出电压大于等于母线直流电压Udc的

记录此时的电流值Iq和偏移量δ。

4.根据权利要求1所述的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其特征在于，所述的步骤(5.1)中上位机给定虚拟的旋转坐标偏移量起始值为90度。

5.根据权利要求1所述的实现基于Id＝0的凸极永磁同步电机弱磁控制的方法，其特征在于，所述的方法还包括调整PID参数的步骤，具体包括以下处理过程：

分别设置电流值Iq和偏移量δ的大小，根据观察电流值Iq反馈量的大小，调整PID参数。

Images