CN111800045A - 一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法 - Google Patents

一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，无法充分发挥永磁同步电机特性的问题，本发明拓展高速攻略，提高深度弱磁的稳定性，且减少动态调节中的扭矩损失，利用补偿电压查表后的电流进行电压前馈模块，随着转速的升高，系统稳定性升高，在高速弱磁时可以快速稳定动态响应，且扭矩损失很小，避免了扭矩的损失，充分发挥永磁同步电机的特性，确保电机稳定运行在深度弱磁区，动态响应快，鲁棒性强，简单易操作。

Description

一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，尤其是涉及一种能够改进现有弱磁策略、拓展高速功率、提高深度弱磁的稳定性并减少动态调节中的永磁同步电机的矢量无级弱磁方法。
背景技术
随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机(IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。
在IPMSM的控制策略中，为了实现效率的最大化和电流容量的最大利用，电机在弱磁之前将被控制运行在最大转矩电流比(MTPA)曲线上，随着电机速度的不断提升，受限于电压上限的电流限制关系。
而永磁同步电机大都要求运行在宽速度范围内，对弱磁质量提出了很高的要求，弱磁策略不完备，极易造成高速运行的不稳定，甚至失控。尤其是特征电流点在电流圆内部的的电机，在高速外特性附近处，常规定向弱磁方法极易出现电压饱和问题，特别是动态调节的时候，导致系统控制失稳。
传统的弱磁策略具有以下的局限性：1.传统的弱磁策略大都集中在特征电流点右侧的区域，没有充分发挥永磁同步电机的特性，对电流极限圆大于特征电流点的永磁同步电机来说，特征电流点左侧依然有功率提升空间，运行在该区域也意味着控制难度的增加，不稳定因素增多，容易失稳，部分弱磁策略不进行该区域的控制；2.传统的弱磁策略大都采用电压闭环补偿的方式，该种补偿方式有很大的局限性，在特征电流点以左的地方容易造成电压环的震荡，严重的会导致失控，实际系统里面，随着转速的升高，电流圆和电压椭圆一旦相交于特征电流点附近，就很容易失控，系统稳定性会越来越差，微小的扰动就有可能导致指令电流和实际电流反向变化，进入失控状态；3.传统的弱磁策略在动态响应中往往是以牺牲扭矩的方式来避免弱磁失稳的，扭矩损失较大，传统的高速弱磁策略在电压利用率超出预设电压利用率时，虽采用了电压闭环防止失稳，但是往往不考虑扭矩损失的问题，造成扭矩牺牲较大，影响高速动力性能。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的无法充分发挥永磁同步电机特性的问题，提供一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，本发明充分发挥了永磁同步电机特性、鲁棒性强、简单易操作。
本发明同时还解决了现有技术扭矩损失大、易失控的问题，可以确保电机稳定运行在深度弱磁区，动态响应快，鲁棒性强，扭矩损失小。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，包括以下步骤：
S1：电压闭环模块根据需求的电压利用率闭环调节所需的动态补偿量；
S2：所需的转速补偿量输入电流查表模块进行查表得到所需电流点；
S3：查表得到的所需电流点经过电流调节器得到一个输出；
S4：查表得到的所需电流点经过电压前馈单元计算出电压前馈补偿量；
S5：电流调节器输出与电压前馈补偿量构成最终发波电压。
作为优选，所述S1包括以下步骤：
S11：电压闭环模块根据需求的电压利用率设定当前母线电压Udc；
S12：将Ud*和Uq*求算术平方根后与设定好的当前母线电压Udc进行线性运算；
S13：线性运算结果进行PI运算得到转速补偿量ΔSpd；
S14：ΔSpd和当前转速Spd累加输出转速Spdreal；
其中，Ud*和Uq*是电流调节器的输出。
作为优选，所述S2包括以下步骤：
S21：弱磁电流点事先标定存储在电流查表模块的程序中；
S22：运行程序时，电流查表模块补偿之后的转速Spdreal,母线电压Udc和转矩请求Tor查表得出(id，iq)；
其中，Tor表示电机扭矩指令。
作为优选，所述S3包括以下步骤：
S31：电流调节器选用PI控制器；
S32：电流调节器将查表得到的电流(id，iq)作为参考输入；
S33：电流调节器将查表电流与idf和iqf进行PI运算调节输出参考电压(Ud*，Uq*)；
其中，idf、iqf为电机实际反馈的DQ轴电流。
作为优选，所述S4包括以下步骤：
S41：确定磁链参数表；
S42：电压前馈单元根据查表所得参考电流(id，iq)结合事先标定的磁链参数表计算实时磁链ψd和ψq；
S43：前馈电压计算单元根据电机补偿之后的转速Spdreal计算出前馈电压补偿量UdC和UqC。
作为优选，所述S41包括以下步骤：
S411：通过台架标定取点；
S412：通过拟合法或插入法制作程表；
S413：运行代码实时根据(id，iq)查出当时的磁链。
作为优选，所述S43的计算方法具体包括通过PMSM电机电压方程进行计算，所述PMSM电机电压方程为：
UdC＝-Spd*2π/60*ψq
UqC＝Spd*2π/60*ψd
其中，UdC和UqC为前馈电压补偿量，Spd为电机当前转速，ψd和ψq为实时磁链。
作为优选，所述S5的具体计算方法包括：(Ud*，Uq*)和(UdC，UqC)之和构成最终的发波电压(Ud，Uq)。
作为优选，电压闭环模块输出的动态调节量包括电流补偿量和电压补偿量。
因此，本发明具有如下有益效果：
1.本发明拓展高速攻略，提高深度弱磁的稳定性，且减少动态调节中的扭矩损失；
2.利用补偿电压查表后的电流进行电压前馈模块，随着转速的升高，系统稳定性升高，在高速弱磁时可以快速稳定动态响应，且扭矩损失很小，避免了扭矩的损失；
3.充分发挥永磁同步电机的特性，确保电机稳定运行在深度弱磁区，动态响应快，鲁棒性强，简单易操作。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的电压闭环模块的原理框图。
图3是本发明的电流查表模块的原理框图。
图4是本发明的电压前馈单元的原理框图。
图5是本发明的电流调节器的原理框图。
图6是本实施例的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
本实施例提供了一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，具体如图1所示，包括以下步骤：
S1：电压闭环模块根据需求的电压利用率闭环调节所需的动态补偿量；
S2：所需的转速补偿量输入电流查表模块进行查表得到所需电流点；
S3：查表得到的所需电流点经过电流调节器得到一个输出；
S4：查表得到的所需电流点经过电压前馈单元计算出电压前馈补偿量；
S5：电流调节器输出与电压前馈补偿量构成最终发波电压。
实施例2：
本实施例提供一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，如图2-6所示包括以下步骤：
S1：电压闭环模块根据需求的电压利用率闭环调节所需的动态补偿量。
其中，S1包括以下步骤：
S11：电压闭环模块根据需求的电压利用率设定当前母线电压Udc；
S12：将Ud*和Uq*求算术平方根后与设定好的当前母线电压Udc进行线性运算；
S13：线性运算结果进行PI运算得到转速补偿量ΔSpd；
S14：ΔSpd和当前转速Spd累加输出转速Spdreal；
其中，Yd*和Uq*是电流调节器的输出。
S2：所需的电压补偿量输入电流查表模块进行查表得到所需电流点。
其中，S2包括以下步骤：
S21：弱磁电流点事先标定存储在电流查表模块的程序中；
S22：运行程序时，电流查表模块补偿之后的转速Spdreal,母线电压Udc和转矩请求Tor查表得出(id，iq)；
其中，Tor表示电机扭矩指令。
S3：查表得到的所需电流点经过电流调节器得到一个输出。
其中，S3包括以下步骤：
S31：电流调节器选用PI控制器；
S32：电流调节器将查表得到的电流(id，iq)作为参考输入；
S33：电流调节器将查表电流与idf和iqf进行PI运算调节输出参考电压(Ud*，Uq*)；
其中，idf、iqf为电机实际反馈的DQ轴电流。
S4：查表得到的所需电流点经过电压前馈单元计算出电压前馈补偿量。
作为优选，所述S4包括以下步骤：
S41：确定磁链参数表；
S42：电压前馈单元根据查表所得参考电流(id，iq)结合事先标定的磁链参数表计算实时磁链ψd和ψq；
S43：前馈电压计算单元根据电机补偿之后的转速Spdreal计算出前馈电压补偿量UdC和UqC。
其中，S41包括以下步骤：
S411：通过台架标定取点；
S412：通过拟合法或插入法制作程表；
S413：运行代码实时根据(id，iq)查出当时的磁链。
其中，S43的计算方法具体包括通过PMSM电机电压方程进行计算，所述PMSM电机电压方程为：
UdC＝-Spd*2π/60*ψq
UqC＝Spd*2π/60*ψd
其中，UdC和UqC为前馈电压补偿量，Spd为电机当前转速，ψd和ψq为实时磁链。
S5：电流调节器输出与电压前馈补偿量构成最终发波电压；
S5的具体计算方法为：(Ud*，Uq*)和(UdC，UqC)之和构成最终的发波电压(Ud，Uq)。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：电压闭环模块根据需求的电压利用率闭环调节所需的动态补偿量；
S2：所需的动态补偿量输入电流查表模块进行查表得到所需电流点；
S3：查表得到的所需电流点经过电流调节器得到一个输出；
S4：查表得到的所需电流点经过电压前馈单元计算出电压前馈补偿量；
S5：电流调节器输出与电压前馈补偿量构成最终发波电压。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S1包括以下步骤：
S11：电压闭环模块根据需求的电压利用率设定当前母线电压Udc；
S12：将Ud *和Uq *求算术平方根后与设定好的当前母线电压Udc进行线性运算；
S13：线性运算结果进行PI运算得到转速补偿量ΔSpd；
S14：ΔSpd和当前转速Spd累加输出转速Spdreal；
其中，Ud *和Uq *是电流调节器的输出。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S2包括以下步骤：
S21：弱磁电流点事先标定存储在电流查表模块的程序中；
S22：运行程序时，电流查表模块补偿之后的转速Spdreal,母线电压Udc和转矩请求Tor查表得出(id，iq)；
其中，Tor表示电机扭矩指令。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S3包括以下步骤：
S31：电流调节器选用PI控制器；
S32：电流调节器将查表得到的电流(id，iq)作为参考输入；
S33：电流调节器将查表电流与idf和iqf进行PI运算调节输出参考电压(Ud*，Uq*)；
其中，idf、iqf为电机实际反馈的DQ轴电流。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S4包括以下步骤：
S41：确定磁链参数表；
S42：电压前馈单元根据查表所得参考电流(id，iq)结合事先标定的磁链参数表计算实时磁链ψd和ψq；
S43：前馈电压计算单元根据电机补偿之后的转速Spdreal计算出前馈电压补偿量UdC和UqC。
6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S41包括以下步骤：
S411：通过台架标定取点；
S412：通过拟合法或插入法制作程表；
S413：运行代码实时根据(id，iq)查出当时的磁链。
7.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S43的计算方法具体包括通过PMSM电机电压方程进行计算，所述PMSM电机电压方程为：
UdC＝-Spd*2π/60*ψq
UqC＝Spd*2π/60*ψd
其中，UdC和UqC为前馈电压补偿量，Spd为电机当前转速，ψd和ψq为实时磁链。
8.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，所述S5的具体计算方法包括：(Ud*，Uq*)和(UdC，UqC)之和构成最终的发波电压(Ud，Uq)。
9.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的矢量无级弱磁方法，其特征是，电压闭环模块输出的动态调节量包括电流补偿量和电压补偿量。
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