CN112865653A - 一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，主要控制对象为永磁同步电机。首先根据永磁同步电机矢量运行时的约束条件，建立电压和电流极限圆方程。同时，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，求解出使输出转矩最大时的直轴电流方程。同时建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制，针对双电流调节器弱磁时存在高速耦合的问题，设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，来提高电机的带载能力和工作效率。

Description

一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法

技术领域

本申请涉及电机控制技术领域，特别涉及一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法。

背景技术

目前，永磁同步电机由于节能环保广泛应用于轨道交通、风力发电以及电动汽车等新能源领域，在这些应用场合中，往往需要将电机在高速下运行，但是受到变流器直流端电压的限制，使得电机无法继续升高转速，此时就需要采用弱磁控制来提高转速，拓宽永磁同步电机的速度范围，提高电机在高速运行的稳定性和安全性。

传统的永磁同步电机弱磁控制是以磁场定向为基础，采用两个电流调节器，分别控制定子电流的直轴分量i_d和定子电流的交轴分量i_q，传统弱磁控制的实现方式是在由i_d和i_q构成的坐标平面上规划电机的定子电流轨迹，但是随着电机转速的提高，电压极限椭圆逐渐收缩，弱磁区域逐渐变小。同时，电机高速运行时，两个电流调节器i_d和i_q耦合情况变的严重，使电机运行变的不稳定性，影响电机的性能和效率。

为解决双电流调节器弱磁控制在高速耦合加剧的问题，采用单电流调节器弱磁控制，不再考虑双电流调节器的耦合问题，而是只控制直轴电流i_d，实现弱磁。同时通过改变交轴电压解决直接给定交轴电压弱磁控制时带载能力和效率下降的问题。变交轴电压单电流控制器弱磁方法，结合两者的优点，消除了双电流调节器高速耦合的影响，同时提高了电机的效率和带载能力。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，通过改变交轴电压的给定值来解决直接给定交轴电压弱磁控制时电机输出转矩下降、带负载能力下降的问题。另外在进行弱磁控制时采用单电流调节器，仅控制直轴电流，避免了双电流调节器高速耦合严重的情况。变交轴电压弱磁主要控制的是交轴电压，交轴电压的给定方法有很多，通过电机参数线拟合交轴电压指令，受电机参数影响大，鲁棒性较差，另一种方法通过查表法给定交轴电压，不易于实现。本发明针对交轴电压的给定提供了一种新的方法，引入比例系数，将直流侧电压极限值与直轴电压的平方差开根，然后与比例系数的乘积作为交轴电压的给定值。可以调节交轴电压的变化范围，控制结构简单，易于实现。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，包括以下步骤：

步骤S10：建立约束条件，根据永磁同步电机矢量控制运行的约束条件建立电压和电流极限圆方程；

步骤S20：在恒转矩区建立最大转矩电流比方程，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，根据拉格朗日定理，求解使输出转矩最大时的直轴电流i_d方程；

步骤S30：建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制；

步骤S40：设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，其中比例系数K为常数，取值范围为K∈[01]，新的交轴电压给定值由直流侧的电压极限值与直轴电压给定值的偏差平方根与比例系数K的乘积共同决定。

进一步的，所述步骤S10的具体过程如下：

根据永磁同步电机矢量控制运行的条件，建立电压和定子电流的约束方程，永磁同步电机的输入电压不能超过逆变器输出电压，因此永磁同步电机交直轴电压满足下式：

式中，u_d为定子电压直轴分量，u_q为定子电压交轴分量，u_{s max}为变流器直流端电压的最大值。

进一步的，所述的在两相dq旋转坐标系下的交直轴电压方程为：

式中，R_s为定子电阻，L_d、L_q分别是两相dq旋转坐标系下d轴和q轴的自感，i_d、i_q分别是直轴电流和交轴电流，ψ_f为永磁体的磁链，ω_r为转子电角速度；

将(2)式带入(1)式可得：

当电机高速运行时，可以忽略定子电阻的影响。

进一步的，所述的电压极限椭圆函数表达式为：

根据式(4)所示的电压椭圆方程，可知椭圆的长半轴a＝u_{s max}/(ω_rL_d)，短半轴的长度b＝u_{s max}/(ω_rL_q)，电压极限椭圆的中心点坐标为(-ψ_f/L_d，0)。

进一步的，所述步骤S20具体过程如下：

首先确立定子电流矢量幅值和电磁转矩方程：

其中，i_s为定子电流，i_d为定子电流直轴分量，i_q为定子电流交轴分量；

进一步地，所述的电磁转矩方程为：

其中，T_e为电磁转矩，p_n为永磁同步电机磁极对数，ψ_f为永磁体磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流；

根据式(5)和(6)构建拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数。

进一步的，所构造的拉格朗日函数表达形式为：

其中，λ为拉格朗日常数，H为所建立的拉格朗日方程；

根据拉格朗日极值定理，对直轴电流i_d、交轴电流i_q以及拉格朗日常数λ分别求偏导，对式(7)各项求偏导数并令等号右边为零，得到：

进一步的，根据式(8)可推出所述的直轴电流的二次方程为：

对式(9)求解可得电机在恒转矩区采用最大转矩电流比控制时，使输出转矩最大，同时使定子电流最小所对应的直轴电流方程。

进一步的，所述的直轴电流方程为：

由式(10)式可以得到直轴电流给定值，通过直轴电流给定值与反馈值的偏差，经过PI调节器输出直轴电压u_d，而交轴电流给定值由转速环经PI调节器给出，交轴电流给定值与反馈值的偏差经PI调节器后得到交轴电压u_q，通过反PARK变换得到两相静止坐标系下的电压u_α和u_β，将u_α和u_β输入到空间电压矢量调制SVPWM中构成闭环控制。

进一步的，所述步骤S30的具体过程如下：

建立永磁同步电机采用变交轴电压单电流调节器弱磁控制时的切换条件，通过交直轴电压给定值

和

的合成矢量幅值u_s与输出电压的最大值u_{s max}进行比较，进而判断出电机是否进行弱磁控制；

当定子电压幅值u_s小于逆变器输出最大电压u_{s max}时，即：

其中，

为直轴电压给定值，

为交轴电压给定值，u_{s max}为变流器直流端电压；

此时，电机转速在基速以下，采取最大转矩电流比控制，使输出转矩保持最大；

当定子电压幅值u_s大于逆变器输出最大电压u_{s max}时，即：

此时，电机转速在基数以上，需要进一步通过弱磁升速，采用变交轴电压单电流调节器弱磁，通过比较定子电压幅值和逆变器输出电压的大小来切换控制方式，实现高效率的弱磁控制。

进一步的，所述步骤S40的具体过程如下：

为使电机运行于最优工作点，交直轴电压必须满足电压极限椭圆轨迹方程才行，另外通过引入比例系数K，来更好调整交直轴电压给定值的变化幅度，以适应不同的工况需求，同时能够提高系统的鲁棒性和动态性能，因此，变交轴电压单电流调节器弱磁控制中的交轴电压给定值通过下式给出：

当电机正转时所述新的交轴电压给定算法为：

当电机反转时所述新的交轴电压给定算法为：

其中，

为交轴电压给定值，

为直轴电压给定值，u_{s max}为变流器直流端电压输出最大值,K为比例系数，且K的取值为常数,K的取值范围为K∈[0，1]。

进一步的，该方法还包括步骤S50，具体过程如下：

对于变交轴电压单电流调节器弱磁控制，在电机在基速以下时，采用最大转矩电流比控制，转速环偏差经PI调节和最大转矩电流比控制后输出直轴电流给定值

和交轴电流给定值

得到的两个电流分量与其反馈值的偏差经过PI调节后，得到输出的定子电压分量u_d和u_q。当电机转速在基速以上时，采用变交轴电压单电流弱磁控制，此时定子电压分量u_d，由直轴电流的偏差经PI调节后得到，而交轴电压的给定值直接由交轴电压给定方程求出。输出的交直轴电压，再经过反Park变换得到两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β，最后通过电压空间矢量调制SVPWM实现对永磁同步电机的闭环控制。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明在永磁同步电机弱磁扩速时，采用单电流调节器的弱磁控制方法，仅控制直轴电流，实现弱磁。可有效解决传统弱磁控制中双电流调节器，即直轴电流调节器和交轴电流调节器在电机高速运行时耦合严重的问题，提高了电机运行的稳定性。

2、本发明通过采用改变交轴电压的弱磁控制策略，避免了直接给定交轴电压给定值时电机效率下降和带负载降低的问题，提高了电机的工作效率和输出转矩。

3、本发明提出了一种新的交轴电压给定算法，通过引入比例因子，建立了新的交轴电压给定方程，使得交轴电压的取值范围可以由比例因子进行调节，能够应对不同的工况需求，而且结构简单，易于实现，同时能够提高系统的鲁棒性和动态性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明实施例基于变电压单电流调节器弱磁控制方法的原理图；

图2为本发明实施例针对交轴电压给定的系统结构框图；

图3为本发明实施例中基于变交轴电压单电流调节器弱磁控制的位置轨迹图；

图4为本发明实施例永磁同步电机弱磁控制系统高速运行时突加负载的转速波形图；

图5为本发明实施例永磁同步电机弱磁控制系统运行时的转矩波形图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1给出了本发明整体的控制系统原理图，在以基于变电压单电流弱磁控制方法对永磁同步电机进行弱磁控制时，分为两个阶段，在恒转矩运行区，采用最大转矩电流比控制，始终保持输出转矩最大。当电机进入恒功率区后，采用变电压单电流调节器弱磁控制方法，提高电机的转速。然后通过控制模式的切换，对控制变量进行坐标变换，构成完整的闭环控制。

本发明的具体实施步骤包括：

在恒转矩区，实施最大转矩电流比控制，首先确定电流的约束条件，建立电流极限方程如下：

其中i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，定子电流为i_s。

将电磁转矩方程作为辅助函数，构造拉格朗日函数。

所述的电磁转矩方程为：

其中T_e为电磁转矩，p_n为永磁同步电机磁极对数，ψ_f为永磁体磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流。

利用电流极限方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数方程为：

其中，λ为拉格朗日常数，H为所建立的拉格朗日方程。

根据拉格朗日极值定理，对直轴电流i_d、交轴电流i_q以及拉格朗日常数λ分别求偏导，另等式左右两边为零，其方程如下；

通过求解(4)式可以求出直轴电流i_d的表达式为：

直轴电流i_d的给定值由式(5)计算得出，在图1的控制系统图中，给定转速ω^*与实际转速ω的偏差经过PI调节器，然后通过最大转矩电流比控制，得到直轴电流给定值

直轴电流给定值是由最大转矩电流比控制决定的。而交轴电流的给定值直接由转速偏差经PI调节后得到。

当电机在恒功率区运行时，采用变交轴电压单电流调节器弱磁控制方式，需要通过改变交轴电压来进行弱磁，具体步骤如下：

建立交轴电压

的给定算法。

由直轴电压u_d和交轴电压u_q的合成矢量可得如下方程：

其中u_{s max}为直流端电压最大值，而u_d和u_q为定子电压在两相dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量。

引入比例常数K，结合(6)式，可得到如下一种新的交轴电压给定方程：

当电机正正转时，交轴电压给定方程如式(7)所示，其中K为比例常数，K的取值范围为[0,1]。通过改变比例常数K，可调节交轴电压给定值

的变化程度，使得电压给定值

的控制更加精细和准确，具体的控制结构如图2。

当电机反转时，交轴电压的给定方程如下：

其中，

为交轴电压给定值，

为直轴电压给定值，K为比例常数，u_{s max}为直流端电压最大值。

当电机反转时，交轴电压给定方程要取负值，其他条件不变。

电机在恒功率区进行弱磁控制时，采用变交轴电压单电流调节器的弱磁方法，此时转速给定值ω^*与实际转速ω_r的偏差经PI调节后，输出直轴电流给定值

然后与反馈值i_d的偏差经过PI调节输出直轴电压的给定值

由上一步得到的直轴电压给定值

根据式(6)和(7)可以得到交轴电压给定值。

经过最大转矩电流比控制和变电压单电流弱磁控制输出的直轴电压给定值

和交轴电压给定值

要输入到控制模式切换模块。

当电机转速在基数以下时，采用最大转矩电流比控制，当电机转速在基速以上时，就需要采用变电压单电流调节器弱磁控制。在电机控制时需要根据电机的运行情况来切换两种控制方式，提高电机的运行效率。

然后确定两种控制方式的切换条件：

将直轴电压给定值

和交轴电压给定值

合成矢量幅值与变流器直流端电压的最大值u_{s max}进行比较，来建立两种控制方式的切换条件。

当交直轴电压合成电压的幅值小于变流器直流端电压的最大值时，此时电机转速位于基速以下，采用最大转矩电流比控制，具体的切换条件如下：

其中直轴电压给定值为

为直轴电压给定值，而u_{s max}是变流器直流端电压最大值，也是判断是否进行弱磁控制的电压阈值。

当交直轴电压的合成矢量幅值大于变流器直流端电压的最大值时，采用变电压单电流调节器弱磁控制方法，此时电机转速位于基速以上，弱磁控制的切换条件如下式：

上式(10)是电机进行弱磁控制的切换条件，当交直轴电压给定值的合成矢量大于电压阈值u_{s max}，采用变电压单电流调节器的弱磁方法，来提高电机的转速。

经过控制方式切换后，输出的交轴电压给定值

和直轴电压给定值

经过Park逆变换输出在两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β。

将两相静止αβ坐标系下的电压分量u_α和u_β输入到空间电压矢量调制SVPWM中，控制电压型逆变器进而控制永磁同步电机。

从电压逆变器端测得三相定子电流i_a、i_b、i_c。

将定子三相电流进行Clarke变换，从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到i_α和i_β。

将两相静止坐标系下的电流分量i_α和i_β进行Park变换得到直轴电流的反馈值i_d和交轴电流的反馈值i_q。

将交直轴电流的反馈值与交直轴电流的给定值比较，形成完整的闭环控制系统，实现变电压单电流弱磁控制。

图2为本发明实施例针对交轴电压给定的系统结构框图。

图3为电机的转速变换曲线图，可以看出在电机恒转矩区采用最大转矩电流比控制，使得电机的转速由0r/min上升到基速4000r/min，在0.1s后切换为变电压单电流弱磁控制方式，使得电机转速由基速4000/min提高到了9000r/min左右。

图4为电机的转矩变化曲线图，可以看出在电机恒转矩区时电机转矩波动较小，在恒功率区进行弱磁控制时，转矩波动较大。

图5为变电压单电流弱磁控制时电流轨迹变化图，当电机稳定运行于C点时，电压极限椭圆上曲线CD表示采用变交轴电压单电流调节器弱磁控制增加负载时电机的电流运行轨迹，方向由点C到D。由图5可知电机始终运行于最优工作点，提高了电机的带负载能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10：建立约束条件，根据永磁同步电机矢量控制运行的约束条件建立电压和电流极限圆方程；

步骤S20：在恒转矩区建立最大转矩电流比方程，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，根据拉格朗日定理，求解使输出转矩最大时的直轴电流i_d方程；

步骤S30：建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制；

步骤S40：设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，其中比例系数K为常数，取值范围为K∈[0 1]，新的交轴电压给定值由直流侧的电压极限值与直轴电压给定值的偏差平方根与比例系数K的乘积共同决定。

2.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S10的具体过程如下：

根据永磁同步电机矢量控制运行的条件，建立电压和定子电流的约束方程，永磁同步电机的输入电压不能超过逆变器输出电压，因此永磁同步电机交直轴电压满足下式：

式中，u_d为定子电压直轴分量，u_q为定子电压交轴分量，u_smax为变流器直流端电压的最大值，在两相dq旋转坐标系下的交直轴电压方程为：

式中，R_s为定子电阻，L_d、L_q分别是两相dq旋转坐标系下d轴和q轴的自感，i_d、i_q分别是直轴电流和交轴电流，ψ_f为永磁体的磁链，ω_r为转子电角速度；

将(2)式带入(1)式可得：

当电机高速运行时，可以忽略定子电阻的影响，从而得到电压极限椭圆函数表达式：

根据式(4)所示的电压椭圆方程，可知椭圆的长半轴a＝u_smax/(ω_rL_d)，短半轴的长度b＝u_smax/(ω_rL_q)，电压极限椭圆的中心点坐标为(-ψ_f/L_d，0)。

3.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S20具体过程如下：

首先确立定子电流矢量幅值和电磁转矩方程：

其中，i_s为定子电流，i_d为定子电流直轴分量，i_q为定子电流交轴分量；

电磁转矩方程为：

其中，T_e为电磁转矩，p_n为永磁同步电机磁极对数，ψ_f为永磁体磁链，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流；

根据式(5)和(6)构建拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，其表达形式如下：

其中，λ为拉格朗日常数，H为所建立的拉格朗日方程；

根据拉格朗日极值定理，对直轴电流i_d、交轴电流i_q以及拉格朗日常数λ分别求偏导，对式(7)各项求偏导数并令等号右边为零，得到：

根据式(8)可进一步推出直轴电流的二次方程，可得：

对式(9)求解可得电机在恒转矩区采用最大转矩电流比控制时，使输出转矩最大，同时使定子电流最小所对应的直轴电流方程如下：

由式(10)式可以得到直轴电流给定值，通过直轴电流给定值与反馈值的偏差，经过PI调节器输出直轴电压u_d，而交轴电流给定值由转速环经PI调节器给出，交轴电流给定值与反馈值的偏差经PI调节器后得到交轴电压u_q，通过反PARK变换得到两相静止坐标系下的电压u_α和u_β，将u_α和u_β输入到空间电压矢量调制SVPWM中构成闭环控制。

4.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S30的具体过程如下：

建立永磁同步电机采用变交轴电压单电流调节器弱磁控制时的切换条件，通过交直轴电压给定值

和

的合成矢量幅值u_s与输出电压的最大值u_smax进行比较，进而判断出电机是否进行弱磁控制；

当定子电压幅值u_s小于逆变器输出最大电压u_smax时，即：

其中，

为直轴电压给定值，

为交轴电压给定值，u_smax为变流器直流端电压；

此时，电机转速在基速以下，采取最大转矩电流比控制，使输出转矩保持最大；

当定子电压幅值u_s大于逆变器输出最大电压u_smax时，即：

此时，电机转速在基数以上，需要进一步通过弱磁升速，采用变交轴电压单电流调节器弱磁，通过比较定子电压幅值和逆变器输出电压的大小来切换控制方式，实现高效率的弱磁控制。

5.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S40的具体过程如下：

为使电机运行于最优工作点，交直轴电压必须满足电压极限椭圆轨迹方程才行，另外通过引入比例系数K，来更好调整交直轴电压给定值的变化幅度，以适应不同的工况需求，同时能够提高系统的鲁棒性和动态性能，因此，变交轴电压单电流调节器弱磁控制中的交轴电压给定值通过下式给出：

当电机正转时所述新的交轴电压给定算法为：

当电机反转时所述新的交轴电压给定算法为：

其中，

为交轴电压给定值，

为直轴电压给定值，u_smax为变流器直流端电压输出最大值,K为比例系数，且K的取值为常数，K的取值范围为K∈[0，1]。

6.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤S50，具体过程如下：

对于变交轴电压单电流调节器弱磁控制，在电机在基速以下时，采用最大转矩电流比控制，转速环偏差经PI调节和最大转矩电流比控制后输出直轴电流给定值

和交轴电流给定值

得到的两个电流分量与其反馈值的偏差经过PI调节后，得到输出的定子电压分量u_d和u_q。当电机转速在基速以上时，采用变交轴电压单电流弱磁控制，此时定子电压分量u_d，由直轴电流的偏差经PI调节后得到，而交轴电压的给定值直接由交轴电压给定方程求出。输出的交直轴电压，再经过反Park变换得到两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β，最后通过电压空间矢量调制SVPWM实现对永磁同步电机的闭环控制。

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