CN113162497A - 一种针对嵌入式pmsm的弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其是一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，包括弱磁控制方法，所述弱磁控制方法包括两大部分：最大转矩电流比控制即MTPA部分和弱磁控制部分，所述最大转矩电流比控制部分为提高转矩利用率，需要采用MTPA控制，所述弱磁控制：当永磁同步电机运转以后，它会在绕组里产生感应电动势，随着转速的提高，感应电动势也在提高，一旦转速高于某个值，逆变器输出电压与反电势相等，此时就无法输出绕组电流。本发明通过根据电压饱和判断最大弱磁速度，具有系统简单、控制快速、可靠性高，在低速时能实现恒转矩输出，高速时能恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽等特点，在工程应用领域具有良好的应用前景。

Description

一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法。

背景技术

永磁同步电机是数控机床的核心部件，其高速化是数控系统发展的主要趋势之一。永磁同步电机的极对数与转矩正相关，与额定转速反相关，在增加转矩的同时转速就会降低，当需要电机的转速超过额定转速时，弱磁升速成为永磁同步电机一种不错的选择。

国内外学者在永磁同步电机的弱磁控制方面，提出了电流调节器法、六步电压法、自适应弱磁控制法及非线性降维观测器法等控制方法，但这些方法都比较复杂，实现困难。在此基础上，学者们又提出了便于实现的方法，如公式计算法、梯度下降法和超前角控制算法。公式计算法对电机参数的依赖很大，只具有一定的理论意义，但不能直接满足工程应用。梯度下降法的计算量较大，实现较为复杂。超前角控制算法是通过控制电流超前角，使直轴电流id在弱磁范围内削弱永磁体磁势，达到弱磁控制的目的。传统的超前角控制算法随着复杂的增加，会出现问题：从恒转矩区到恒功率区过度时，会出现较大的电流震荡，引起速度波动，影响永磁同步电机的运行性能。

发明内容

基于背景技术中提出的从恒转矩区到恒功率区过度时，会出现较大的电流震荡，引起速度波动，影响永磁同步电机的运行性能的技术问题，本发明提出了一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法。

本发明提出的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，包括弱磁控制方法，所述弱磁控制方法包括两大部分：最大转矩电流比控制即MTPA部分和弱磁控制部分，所述最大转矩电流比控制部分为提高转矩利用率，需要采用MTPA控制，所述的MTPA控制，电机电磁转矩方程：

在不考虑弱磁的情况下，对于内嵌式电机，采用MTPA的控制框图；

所述弱磁控制：当永磁同步电机运转以后，它会在绕组里产生感应电动势，随着转速的提高，感应电动势也在提高，一旦转速高于某个值，逆变器输出电压与反电势相等，此时就无法输出绕组电流，无法进一步提供转矩，转速也就无法继续提升，若想在不增加逆变器功率的情况下继续提高转速，就需要弱磁控制来实现。

优选地，在所述电机电磁转矩方程式(1)中入超前角θ，使Iq＝Is sinθ,Id＝Iscosθ，则Te用超前角表示为：

式中，Te是θ的函数，若要使Te最大，只需dTe/dθ＝0，即：

求出θ值为：

优选地，所述弱磁控制中的电流、电压的约束条件：

优选地，所述弱磁控制中的电流幅值约束条件：

式中，ke为感应电动势，ke＝weψf；Ulimit为电压限制，Ulimit＝Udc/sqrt(3)；Is为最大电流限制。

优选地，所述电流和电压限制分别组成电流极限圆和电压极限椭圆，电压极限椭圆圆心为Id所能达到的最大值，若Id幅值大于该值，会造成永磁体永久退磁，因此Id最大值为：

优选地，从所述式(5)可知，在Iq不变的情况下，通过给d轴通入负向电流可削弱q轴感应电动势，从而提高转速，其中所属的母线电压为Udc，所述的弱磁超前角为β，PI模块之后分别为滤波模块和限幅模块。

优选地，所述弱磁控制中的弱磁调节修正中采用控制器获得弱磁电流的修正值，调节修正过程如下：

S1：根据当前电流环的输出电压进行电压幅值的计算，并将电压幅值与电压限值进行比较；

S2：当电压幅值大小大于电压限值时，通过PI控制器减小直轴电流的给定值，再基于转矩等高线获得交流电轴给定值，并将得到的交轴电流给定值和直轴电流给定值输入到电流控制器中，并持续进行迭代修正；当电压幅值大小比电压限值小时，重复计算获取当前的电压幅值。

本发明中的有益效果为：

1、该针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，普通的超前角弱磁通过检测电机的端电压与直流侧的电压比较从而产生超前角，由于电流PI调节器输出的交直轴电压反应了对变频器整流后的直流电的利用率，故可以采用电流PI输出的电压作为电压环的参考输入电压，用电流PI调节器的输出和电压给定来代替普通超前角使用的电压环中的电机端电压和直流侧电压的采样值，其优势在于省去了采集电机端电压和直流侧电压的电压传感器和采样电路，从而减小了系统的成本和芯片的压力，有效克服噪声与背景扰动，降低了复杂度和计算开销。

2、该针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，通过采用了一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，提高了逆变器直流母线电压利用率，增强了电压输出能力，减小了速度响应动态过程的电流震荡，改善了弱磁调速的动态性能；通过根据电压饱和判断最大弱磁速度，有效地减小了稳态阶段的速度波动，避免了稳态速度的下降，提高了系统的稳态性能和弱磁控制的鲁棒性。

3、该针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，通过根据电压饱和判断最大弱磁速度，具有系统简单、控制快速、可靠性高，在低速时能实现恒转矩输出，高速时能恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽等特点，在工程应用领域具有良好的应用前景。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

附图说明

图1为本发明提出的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法的MTPA控制框图；

图2为本发明提出的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法的电流极限圆和电压极限椭圆的结构示意图；

图3为本发明提出的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

参照图1-3，一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，包括包括弱磁控制方法，所述弱磁控制方法包括两大部分：最大转矩电流比控制即MTPA部分和弱磁控制部分，所述最大转矩电流比控制部分为提高转矩利用率，需要采用MTPA控制，所述的MTPA控制，电机电磁转矩方程：

在不考虑弱磁的情况下，对于内嵌式电机，采用MTPA的控制框图；

所述弱磁控制：当永磁同步电机运转以后，它会在绕组里产生感应电动势，随着转速的提高，感应电动势也在提高，一旦转速高于某个值，逆变器输出电压与反电势相等，此时就无法输出绕组电流，无法进一步提供转矩，转速也就无法继续提升，若想在不增加逆变器功率的情况下继续提高转速，就需要弱磁控制来实现。

本发明中，在所述电机电磁转矩方程式(1)中入超前角θ，使Iq＝Is sinθ,Id＝Iscosθ，则Te用超前角表示为：

式中，Te是θ的函数，若要使Te最大，只需dTe/dθ＝0，即：

求出θ值为：

本发明中，所述弱磁控制中的电流、电压的约束条件：

本发明中，所述弱磁控制中的电流幅值约束条件：

式中，ke为感应电动势，ke＝weψf；Ulimit为电压限制，Ulimit＝Udc/sqrt(3)；Is为最大电流限制。

本发明中，所述电流和电压限制分别组成电流极限圆和电压极限椭圆，电压极限椭圆圆心为Id所能达到的最大值，若Id幅值大于该值，会造成永磁体永久退磁，因此Id最大值为：

本发明中，从所述式(5)可知，在Iq不变的情况下，通过给d轴通入负向电流可削弱q轴感应电动势，从而提高转速，其中所属的母线电压为Udc，所述的弱磁超前角为β，PI模块之后分别为滤波模块和限幅模块。

本发明中，所述弱磁控制中的弱磁调节修正中采用控制器获得弱磁电流的修正值，调节修正过程如下：

S1：根据当前电流环的输出电压进行电压幅值的计算，并将电压幅值与电压限值进行比较；

S2：当电压幅值大小大于电压限值时，通过PI控制器减小直轴电流的给定值，再基于转矩等高线获得交流电轴给定值，并将得到的交轴电流给定值和直轴电流给定值输入到电流控制器中，并持续进行迭代修正；当电压幅值大小比电压限值小时，重复计算获取当前的电压幅值。

普通的超前角弱磁通过检测电机的端电压与直流侧的电压比较从而产生超前角，由于电流PI调节器输出的交直轴电压反应了对变频器整流后的直流电的利用率，故可以采用电流PI输出的电压作为电压环的参考输入电压，用电流PI调节器的输出和电压给定来代替普通超前角使用的电压环中的电机端电压和直流侧电压的采样值，其优势在于省去了采集电机端电压和直流侧电压的电压传感器和采样电路，从而减小了系统的成本和芯片的压力，有效克服噪声与背景扰动，降低了复杂度和计算开销，本申请通过根据电压饱和判断最大弱磁速度，具有系统简单、控制快速、可靠性高，在低速时能实现恒转矩输出，高速时能恒功率输出，低速输出转矩大、速度调节范围宽等特点，在工程应用领域具有良好的应用前景。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，包括弱磁控制方法，其特征在于，所述弱磁控制方法包括两大部分：最大转矩电流比控制即MTPA部分和弱磁控制部分，所述最大转矩电流比控制部分为提高转矩利用率，需要采用MTPA控制，所述的MTPA控制，电机电磁转矩方程：

在不考虑弱磁的情况下，对于内嵌式电机，采用MTPA的控制框图；

所述弱磁控制：当永磁同步电机运转以后，它会在绕组里产生感应电动势，随着转速的提高，感应电动势也在提高，一旦转速高于某个值，逆变器输出电压与反电势相等，此时就无法输出绕组电流，无法进一步提供转矩，转速也就无法继续提升，若想在不增加逆变器功率的情况下继续提高转速，就需要弱磁控制来实现。

2.根据权利要求1所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，在所述电机电磁转矩方程式(1)中入超前角θ，使Iq＝Is sinθ,Id＝Is cosθ，则Te用超前角表示为：

式中，Te是θ的函数，若要使Te最大，只需dTe/dθ＝0，即：

求出θ值为：

3.根据权利要求1所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，所述弱磁控制中的电流、电压的约束条件：

4.根据权利要求3所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，所述弱磁控制中的电流幅值约束条件：

式中，ke为感应电动势，ke＝weψf；Ulimit为电压限制，

Ulimit＝Udc/sqrt(3)；Is为最大电流限制。

5.根据权利要求4所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，所述电流和电压限制分别组成电流极限圆和电压极限椭圆，电压极限椭圆圆心为Id所能达到的最大值，若Id幅值大于该值，会造成永磁体永久退磁，因此Id最大值为：

6.根据权利要求5所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，从所述式(5)可知，在Iq不变的情况下，通过给d轴通入负向电流可削弱q轴感应电动势，从而提高转速，其中所属的母线电压为Udc，所述的弱磁超前角为β，PI模块之后分别为滤波模块和限幅模块。

7.根据权利要求6所述的一种针对嵌入式PMSM的弱磁控制方法，其特征在于，所述弱磁控制中的弱磁调节修正中采用控制器获得弱磁电流的修正值，调节修正过程如下：

S1：根据当前电流环的输出电压进行电压幅值的计算，并将电压幅值与电压限值进行比较；

S2：当电压幅值大小大于电压限值时，通过PI控制器减小直轴电流的给定值，再基于转矩等高线获得交流电轴给定值，并将得到的交轴电流给定值和直轴电流给定值输入到电流控制器中，并持续进行迭代修正；当电压幅值大小比电压限值小时，重复计算获取当前的电压幅值。

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