CN113078862B - 一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法，基于负载转矩观测器和参数动态变化的PI控制器，通过观测的负载转矩和PI调节器共同调节弱磁所需d轴电流，设计了优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法；优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法基于转矩和所需d轴弱磁电流的关系，通过负载转矩估计和k_i参数动态变化的PI控制器共同得到负载转矩和弱磁升速所需的d轴弱磁电流；优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法可以根据负载转矩的变化动态改变d轴弱磁电流，弱磁控制效果受转矩波动影响小；k_i参数动态变化的PI控制器能适应弱磁控制的宽调速范围，确保在各个转速下都能提供合适的惯性转矩所需的d轴弱磁电流。

Description

一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体的是一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法。

背景技术

永磁电机结构简单，效率高，应用范围广泛。当永磁电机端电压随转速升高到逆变器能够输出的最大电压值之后，电机电枢绕组电流不能再增大，此时需减弱永磁电机的永磁磁场使电机转速继续升高，以满足恒功率控制和宽调速范围运行。然而弱磁控制时如果d轴弱磁电流过小会使电机无法到达给定的高转速，而d轴弱磁电流过大又会导致定子电流增大，导致电机能输出的最大转矩减小，铜耗增加，影响电机性能。同时，永磁电机所需的弱磁电流会随着电机运行时负载转矩的变化而变化。因此采用一种完善的弱磁电流计算方法使电机能应对各种工况，选择合适的弱磁电流大小具有十分重要的意义。

超前角弱磁控制算法是当今一种较为成熟的弱磁控制算法，在稳态运行等大多数工况下都有着良好的弱磁控制效果。然而超前角弱磁控制方法依赖于PI进行弱磁超前角选择，在负载转矩频繁波动的情况下弱磁效果不够理想。优化d轴弱磁电流的弱磁电流选择分为两部分，一部分由负载转矩观测器估计的负载转矩计算而来，能很好的改善负载转矩频繁变化时弱磁效果不理想的问题；另一部分由PI控制器调节得到，能实现快速弱磁升速并尽可能减小稳态弱磁电流，在克服的传统超前角弱磁控制的缺点的同时依旧能保持了超前角弱磁的优点。优化d轴弱磁电流的弱磁控制具有升速响应快，稳态性能好，抗负载波动能力强等优点，是一种更完善的弱磁控制方法。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法，本发明通过负载转矩观测器和PI调节共同计算出所需弱磁电流，对稳态和动态过程中所需的弱磁电流分别采用更适合的方法进行计算，以保证在稳态和动态过程中都能取得更好的弱磁控制效果，并对运行过程中负载转矩频繁变化有更强的抵抗能力，实现永磁电机更可靠的恒功率宽调速范围运行，克服了传统弱磁方法存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法，包括如下步骤：

步骤1，电流与转速的检测：

通过电流传感器检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clarke与2s/2rPark变换得到两相旋转坐标系下电流i_d和i_q，位置传感器检测永磁电机的转速n，并通过计算得到永磁电机的电角速度ω_e；

步骤2，负载转矩的观测：

取步骤1中得到的两相旋转坐标系下的电流i_q与电角速度ω_e，由负载转矩观测器估计出负载转矩

步骤3，稳态所需最小d轴电流的计算：

取步骤2中得到的负载转矩

与步骤1中得到的永磁电机的电角速度ω_e，计算出稳态所需最小d轴电流i_dmin；

步骤4，优化d轴弱磁电流的计算：

取步骤1中得到的永磁电机的转速n与给定转速n^*作差，得到的差值通过k_i参数动态变化的PI调节器得到惯性转矩所需的d轴电流，并与步骤3中得到的稳态所需最小d轴电流i_{d min}求和并限幅得到优化的d轴弱磁电流；

步骤5，电机优化d轴弱磁电流弱磁控制运行：

给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，在弱磁转速以下给定d轴电流i_d ^*为0，当转速升至弱磁转速以上时给定i_d ^*为优化的d轴弱磁电流，dq轴电流给定值与反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2s IPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机转子运动，调速运行通过改变给定转速进行电机调速。

进一步地，所述步骤1中，两相旋转坐标系下电流i_d和i_q和永磁电机的电角速度ω_e分别为：

其中θ为位置传感器测得的电角度，n_p为电机的极对数。

进一步地，所述步骤2中，通过反馈电流i_q计算出电磁转矩T_e，再通过滑模观测器获取估计的负载转矩

具体过程为：

其中，ψ_f、J、B分别为电机的永磁磁链、转动惯量、摩擦系数参数，

为计算出的电磁转矩T_e逆推出的电机估计机械角速度，ω_r＝ω_e/n_p为电机实测的机械角速度，η、m为滑膜观测器参数，u_smo为估计负载转矩的中间变量。

进一步地，所述负载转矩滑模观测器参数η＝-1000，参数m＝1600。

进一步地，所述步骤3中计算得到稳态所需最小d轴电流i_dmin的表达式为：

其中L_d、L_q分别为电机的dq轴电感，u_smax为逆变器所能输出的直流母线电压的最大值。

进一步地，所述步骤4中优化d轴弱磁电流的计算的表达式为：

其中k_p、k_i为PI调节器的参数，其中k_i参数根据给定转速n*动态变化，k_i参数与n*的关系曲线通过最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法得到。

进一步地，所述k_i参数动态变化的PI调节器比例系数k_p＝300，积分系数k_i根据给定转速动态变化；

在给定转速为2500r/min时，PI调节器的积分系数k_i(2500)＝550，

在给定转速为3000r/min时，积分系数k_i(3000)＝300，

在给定转速为3500r/min时，积分系数k_i(3500)＝200，

在给定转速为4000r/min时，积分系数k_i(4000)＝120，

在给定转速为4500r/min时，积分系数k_i(4500)＝90，

在给定转速为5000r/min时，积分系数k_i(5000)＝70，

在给定转速为5500r/min时，积分系数k_i(5500)＝50，

在给定转速为6000r/min时，积分系数k_i(6000)＝42

其余速度下的积分参数k_i通过基于上述积分参数与给定转速关系进行曲线拟合获得，曲线拟合方法采用最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法。

进一步地，所述步骤5中的切换为弱磁控制的转速n＝2000r/min。

本发明的有益效果：

1)本发明中的优化d轴弱磁电流弱磁控制方法，代替了传统的弱磁方法，保证了弱磁控制的动态性能和带载性能，减小了铜耗。解决了传统弱磁控制方法由于负载转矩变化导致的弱磁控制效果不理想问题，提高了弱磁控制系统的稳定性。

2)优化d轴弱磁电流弱磁控制方法可以通过两种曲线拟合方法使得积分参数ki能够动态变化以适应各个转速范围。

3)本发明通过负载转矩观测器估计负载转矩，具有高精度和高响应速度的特点，可以更好的给弱磁电流计算提供数据，使得永磁电机弱磁电流计算更准确。

4)本发明针对动态过程和稳态过程所需的弱磁电流分别采用更合适的获取方式，更符合两种过程所需弱磁电流的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制原理图；

图2为负载转矩观测器结构图；

图3为采用最小二乘法用4次多项式进行的给定转速与k_i的关系曲线拟合；

图4为采用神经网络进行的给定转速与k_i的关系曲线拟合；

图5为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制变速运行时的dq轴电流；

图6为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制变速运行时的给定与反馈转速；

图7为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的d轴给定与反馈电流；

图8为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的q轴给定与反馈电流；

图9为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的给定与反馈转速；

图10为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的d轴给定与反馈电流；

图11为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的q轴给定与反馈电流；

图12为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的给定与反馈转速。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种优化d轴弱磁电流的弱磁控制方法，如图1-4所示，包括以下步骤：

步骤1，电流与转速的检测

通过电流传感器检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clarke与2s/2rPark变换得到两相旋转坐标系下电流i_d和i_q，位置传感器检测永磁电机的转速n，并通过计算得到永磁电机的电角速度ω_e；

两相旋转坐标系下电流i_d和i_q和永磁电机的电角速度ω_e分别为：

其中θ为位置传感器测得的电角度，n_p为电机的极对数。

步骤2，负载转矩的观测：

取步骤1中得到的两相旋转坐标系下的电流i_q与电角速度ω_e，由负载转矩观测器估计出负载转矩

具体过程为：

其中，ψ_f、J、B分别为电机的永磁磁链、转动惯量、摩擦系数参数，

为计算出的电磁转矩T_e逆推出的电机估计机械角速度，ω_r＝ω_e/n_p为电机实测的机械角速度，η、m为滑膜观测器参数，u_smo为估计负载转矩的中间变量。

步骤3，稳态所需最小d轴电流的计算

取步骤2中得到的负载转矩

与步骤1中得到的永磁电机的电角速度ω_e，计算出稳态所需最小d轴电流i_dmin；

表达式为：

其中L_d、L_q分别为电机的dq轴电感，u_smax为逆变器所能输出的直流母线电压的最大值。

步骤4，优化d轴弱磁电流的计算

取步骤1中得到的永磁电机的转速n与给定转速n^*作差，得到的差值通过k_i参数动态变化的PI调节器得到惯性转矩所需的d轴电流，并与步骤3中得到的稳态所需最小d轴电流i_dmin求和并限幅得到优化的d轴弱磁电流；

具体表达式为：

其中k_p、k_i为PI调节器的参数，其中k_i参数根据给定转速n*动态变化，k_i参数与n*的关系曲线通过最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法得到；

k_i参数动态变化的PI调节器比例系数k_p＝300，积分系数k_i根据给定转速动态变化；

在给定转速为2500r/min时，PI调节器的积分系数k_i(2500)＝550，

在给定转速为3000r/min时，积分系数k_i(3000)＝300，

在给定转速为3500r/min时，积分系数k_i(3500)＝200，

在给定转速为4000r/min时，积分系数k_i(4000)＝120，

在给定转速为4500r/min时，积分系数k_i(4500)＝90，

在给定转速为5000r/min时，积分系数k_i(5000)＝70，

在给定转速为5500r/min时，积分系数k_i(5500)＝50，

在给定转速为6000r/min时，积分系数k_i(6000)＝42

其余速度下的积分参数k_i通过基于上述积分参数与给定转速关系进行曲线拟合获得，曲线拟合方法采用最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法。

步骤5，电机优化d轴弱磁电流弱磁控制运行

给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，在弱磁转速以下给定d轴电流i_d ^*为0，当转速升至弱磁转速以上时给定i_d ^*为优化的d轴弱磁电流，dq轴电流给定值与反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2s IPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机转子运动，调速运行通过改变给定转速进行电机调速，其中切换为弱磁控制的转速n＝2000r/min。

本发明实例中k_i参数动态变化的PI调节器比例系数k_p＝300，负载转矩滑模观测器的参数η＝-1000，参数m＝1600。

优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制变速运行仿真中，电机初始给定速度设置为3000rpm，在0.3s时给定速度突变为5000rpm。仿真给出了变速运行下的dq轴反馈电流以及给定与反馈转速用于验证方法的可行性。

优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制与超前角弱磁对比仿真中，电机的负载转为幅值2N·m正弦变化的周期性波动负载，给定速度设置为6000rpm。t∈[0,0.28)为弱磁升速阶段，之后为速度恒定负载周期性变化的运行阶段。仿真给出了负载波动情况下的两种弱磁方法的给定与反馈dq轴电流以及转速用于比较运行情况。

图5为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制变速运行时的dq轴电流波形图。电机弱磁升速过程中，d轴电流迅速增大使电机快速升速，在到达给定后迅速减小以保证电机带载能力与较低的铜耗，中途变速的弱磁电流控制也同样较好。

图6为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制变速运行时的给定与反馈转速波形图，电机升速迅速且稳态运行速度稳定。这验证了优化d轴弱磁电流弱磁的可行性。

图7为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的d轴给定与反馈电流波形图，在负载转矩波动的情况下，d轴电流给定与反馈都存在较大的波动。

图8为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的q轴给定与反馈电流波形图，在负载转矩波动的情况下，q轴电流给定与反馈都存在较大的波动。

图9为采用超前角弱磁控制且负载转矩动态变化时的给定与反馈转速波形图，转速到达给定后的波动较大。

图10为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的d轴给定与反馈电流波形图，在负载转矩波动的情况下，d轴电流给定与反馈都波动较小。

图11为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的q轴给定与反馈电流波形图，在负载转矩波动的情况下，q轴电流给定与反馈都波动较小。

图12为采用优化d轴弱磁电流弱磁控制且负载转矩动态变化时的给定与反馈转速波形图，转速到达给定后，在负载转矩波动的情况下，转速波动较小。这验证了优化d轴弱磁电流弱磁比超前角弱磁稳定性好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，电流与转速的检测:

通过电流传感器检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c,并经过3s/2s Clarke与2s/2rPark变换得到两相旋转坐标系下电流i_d和i_q，位置传感器检测永磁电机的转速n，并通过计算得到永磁电机的电角速度ω_e；

步骤2，负载转矩的观测：

取步骤1中得到的两相旋转坐标系下的电流i_q与电角速度ω_e，由负载转矩观测器估计出负载转矩

步骤3，稳态所需最小d轴电流的计算：

取步骤2中得到的负载转矩

与步骤1中得到的永磁电机的电角速度ω_e，计算出稳态所需最小d轴电流i_dmin；

步骤4，优化d轴弱磁电流的计算：

取步骤1中得到的永磁电机的转速n与给定转速n^*作差，得到的差值通过k_i参数动态变化的PI调节器得到惯性转矩所需的d轴电流，并与步骤3中得到的稳态所需最小d轴电流i_dmin求和并限幅得到优化的d轴弱磁电流；

步骤5，电机优化d轴弱磁电流弱磁控制运行：

给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，在弱磁转速以下给定d轴电流i_d ^*为0，当转速升至弱磁转速以上时给定i_d ^*为优化的d轴弱磁电流，dq轴电流给定值与反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2sIPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机转子运动，调速运行通过改变给定转速进行电机调速。

2.根据权利要求1所述的一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤1中，两相旋转坐标系下电流i_d和i_q和永磁电机的电角速度ω_e分别为：

其中θ为位置传感器测得的电角度，n_p为电机的极对数。

3.根据权利要求1所述的一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过反馈电流i_q计算出电磁转矩T_e，再通过滑模观测器获取估计的负载转矩

具体过程为：

其中，ψ_f、J、B分别为电机的永磁磁链、转动惯量、摩擦系数参数，

为计算出的电磁转矩T_e逆推出的电机估计机械角速度，ω_r＝ω_e/n_p为电机实测的机械角速度，η、m为滑模观测器参数，u_smo为估计负载转矩的中间变量。

4.根据权利要求3所述的一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，所述负载转矩滑模观测器参数η＝-1000，参数m＝1600。

5.根据权利要求1所述的一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤3中计算得到稳态所需最小d轴电流i_dmin的表达式为：

其中L_d、L_q分别为电机的dq轴电感，u_smax为逆变器所能输出的直流母线电压的最大值，ω_r＝ω_e/n_p为电机实测的机械角速度。

6.根据权利要求1所述的一种优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤4中优化d轴弱磁电流的计算的表达式为：

其中k_p、k_i为PI调节器的参数，其中k_i参数根据给定转速n*动态变化，k_i参数与n*的关系曲线通过最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法得到。

7.根据权利要求6所述的优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于：所述k_i参数动态变化的PI调节器比例系数k_p＝300，积分系数k_i根据给定转速动态变化；

在给定转速为2500r/min时，PI调节器的积分系数k_i(2500)＝550，

在给定转速为3000r/min时，积分系数k_i(3000)＝300，

在给定转速为3500r/min时，积分系数k_i(3500)＝200，

在给定转速为4000r/min时，积分系数k_i(4000)＝120，

在给定转速为4500r/min时，积分系数k_i(4500)＝90，

在给定转速为5000r/min时，积分系数k_i(5000)＝70，

在给定转速为5500r/min时，积分系数k_i(5500)＝50，

在给定转速为6000r/min时，积分系数k_i(6000)＝42；

其余速度下的积分参数k_i通过基于上述积分参数与给定转速关系进行曲线拟合获得，曲线拟合方法采用最小二乘法的多项式曲线拟合或神经网络曲线拟合方法。

8.根据权利要求1所述的优化d轴弱磁电流的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于：所述步骤5中的切换为弱磁控制的转速n＝2000r/min。

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