CN113992099A - 基于foc永磁同步电机弱磁失控控制方法、系统、计算机和存储介质 - Google Patents

基于foc永磁同步电机弱磁失控控制方法、系统、计算机和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法、系统、计算机和存储介质；所述方法包括获取电流环输出的Ud、Uq，计算Us；对Us进行超限判断后并对Ud或Uq进行限制处理，得到实际电压指令；Us超限后对电流环限幅进行处理，解决积分饱和问题；本发明可对电动和发电进行分别限制Uq和Ud，防止系统Us超限而进入完全失控状态，且通过对电流环Id和Iq积分进行特殊处理，可以快速使Ud和Uq退出饱和状态，进而退出半失控的状态，解决了电机高速标定过程失控问题，有效提高系统的稳定性和安全性。

Description

基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法、系统、计算机和存 储介质
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法、系统、计算机和存储介质。
背景技术
永磁同步电机以其高功率密度获得了更多的应用场合，在电动汽车中，永磁同步电机已经成为主导的电驱动系统的主体。在实际使用过程中，一般采用FOC(FieldOriented Control，磁场定向控制)控制，有2个电流环分别对id和iq进行控制，调节Ud和Uq，使得实际电流能跟踪电流指令。一般我们用查表法得到电流指令实现MTPA(最大转矩电流比控制)和MTPV(最大转矩电压比控制)，需要事先在台架上标定各工作点数据，调整电流给定测得符合MTPA或MTPV曲线的数据。在标定弱磁区工作点数据时，因电流给定不合适会造成电流不能跟踪。一般的只是对id和iq电流环的输出进行限幅，将Ud和Uq限幅值设为逆变器能够输出的最大值Umax，在电流不能跟踪时，会使得Ud或Uq单向增大或减小，直到达到Umax或-Umax，形成饱和。
电压指令饱和时，Ud和Uq位于图1基于Ud-Uq平面的正方形的四个顶点之一，对应的电压角度分别为π/4，3π/4，5π/4，7π/4，实际的电机端电压在幅值Umax的电压限制圆上，幅值改变，但角度不变。
将图1的电压圆轨迹映射到电流平面上，随转速变化电压椭圆大小发生变化，四个饱和失控点在四条射线上(参照图2)。在电机高速运转时，此电流失控容易造成过流，过压等问题，导致设备损坏。
永磁同步电机FOC控制及弱磁理论概述
永磁同步电机的FOC控制，即磁场定向控制，目的是通过坐标变换对永磁同步电机系统进行解耦，将控制磁场的电流和控制转矩的电流分离开来，对永磁同步电机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。
永磁同步电机电压方程为：
ud＝-ωLqiq
uq＝ωLdid+ωψf
上式中的Ud，Uq为d轴和q轴的端电压，即两个电流环的控制输出。逆变器的输出能力有限，分为电流幅值受限和电压幅值受限，其中的电压最大值和直流母线电压相关，可写为：
Figure BDA0003385400070000021
设电流最大值为ismax，则电机工作状态需满足以下方程：
Figure BDA0003385400070000022
Figure BDA0003385400070000023
在电流平面上，上式可表示为电流限制圆和电压限制椭圆，电流指令只有同时在电流圆和电压椭圆内，才能被实际电流跟踪。
参照图3，在转速较低时，电机工作点位于电流限制圆内，即A点，随着转速升高，电压椭圆向C点收缩，需要使得id再偏负，使得工作点位于电流限制圆和电压限制椭圆的交点内，即A-B-C线，此时即为弱磁区，使得id和iq在当前转速处于两个限制圆内的控制即为弱磁控制。一旦id或iq不满足条件，实际电流就会不再能正常跟随，电流环就会失控。
MTPA和MTPV的实现：
实际应用中，一种方法是MTPA和MTPV工作点通过查表得到实现的，需要事先台架标定得到各工作点数据。标定方法一般是分段给定固定is，修正转矩角，按最大转矩点时的转矩角值，得到此转速和此转矩工况的id和iq工作点数据。
Figure BDA0003385400070000024
在标定过程中会出现如下工况，给定电流不在限制圆内的情况，此时必须做适当处理，防止设备因完全失控损坏。
Us超限处理方法
在弱磁区电流指令不在电压限制椭圆内时，因实际电流不能跟随电流指令，此时电流环输出的Us会大于Usmax。在电动工况下，满足此条件时，对Uq加以限制，使得限制后的Us不大于Usmx，此时id环仍能正常跟随，iq环因受限处于存在稳定静差的状态，系统处于半失控状态，如图4电动工况下失控状态仿真图形。
在发电工况下，在Us与Usmax时对Ud加以限制，使得限制后的Us不大于Usmx，此时iq环能正常跟随，id环因受限处于存在稳定静差的状态，系统处于半失控状态，如图5。
从以上两种半失控状态可以通过加大转矩角或减小is给定的方式退出半失控状态，不会造成设备损坏。
另外，虽然系统处于稳定的半失控状态，但因id环或iq环存在静态偏差，电流环的积分项会一直调节，直到限制值Usmax，通过减小is给定或加大转矩角退出半失控状态时，需要较长的时间才能调节回到受控状态，要解决此问题，需要加特殊的积分饱和处理。
现有技术中，通常的处理方法只是将电流环输出Ud和Uq限幅为Usmax，一旦出现实际电流无法跟踪给定电流，电流环就会趋向饱和，输出到最大限值正负Usmax。在弱磁区弱磁电流不够大时，实际iq无法跟踪iq给定，iq环输出加大，直到Us超限，Us超限后实际电压输出还是在Usmax电压限制圆上，因为PWM占空比不能大于1，相当于实际输出的电压对电流环输出Us进行了角度不变，幅值改变的映射，iq仍无法跟踪iq给定，iq环输出Uq持续增大直到Usmax，在此过程中，Us角度发生了变化，在实际输出电压映射到Usmax限制圆时，实际Ud也会发生变化，导致id环也会出现失控，实际id无法跟踪id给定，这样Ud也会趋向饱和，最终实际电压就会落在角度分别为π/4，3π/4，5π/4，7π/4，幅值Usmax的四个点之一上，系统完全失控，高速下出现过流，过压等问题，造成设备损坏。
在台架标定时，通过标定测试获得弱磁电流，过程中不可避免会出现高速工况弱磁电流不够大的时候，因此需要采取措施避免出现上述的完全失控状态，防止设备损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种防止系统Us超限而进入完全失控状态，可以快速使Ud和Uq退出饱和状态，进而退出半失控的状态，解决了电机高速标定过程失控问题，有效提高系统的稳定性和安全性的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法方法、系统、计算机和存储介质。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，包括
获取电流环输出的Ud、Uq，计算Us；
对Us进行超限判断后并对Ud或Uq进行限制处理，得到实际电压指令；
Us超限后对电流环限幅进行处理，解决积分饱和问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
一种基于FOC控制的永磁同步电机弱磁失控处理系统，依照权利要求1-7任意一项所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法执行。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。
本发明的有益效果在于：本发明可对电动和发电进行分别限制Uq和Ud，防止系统Us超限而进入完全失控状态，且通过对电流环Id和Iq积分进行特殊处理，可以快速使Ud和Uq退出饱和状态，进而退出半失控的状态，解决了电机高速标定过程失控问题，有效提高系统的稳定性和安全性。
附图说明
图1为电机Ud-Uq平面图；
图2为电机Ud-Uq与电流Id-Iq平面图；
图3为电流极限圆和电压极限圆；
图4为电动工况电流环仿真图形
图5为发电工况电流环仿真图形
图6为本发明具体实施方式的一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法系统框图；
图7为本发明具体实施方式的一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法的实际电压指令处理流程图；
图8为本发明具体实施方式的一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法的电流环积分饱和处理。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图6-8，一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，包括获取电流环输出的Ud、Uq，计算Us；
对Us进行超限判断后并对Ud或Uq进行限制处理，得到实际电压指令；
Us超限后对电流环限幅进行处理，解决积分饱和问题。
进一步的，
电流id环和iq环输出电压指令Ud和Uq，计算此时的Us。
进一步的，
所述超限判断包括
将Us与电压限值Usmax比较，小于限值时将Ud和Uq赋给实际电压指令Udref和Uqref；大于限值时，根据当前系统工作在电动工况或制动工况分别对Uq和/或Ud加以限制。
进一步的，
所述电动工况的判断条件为：转速和电流指令iqref同时为正或同时为负，否则为制动工况；
电动工况下对Uq进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Ud计算得到值，将此值赋给实际电压指令Uqref，Ud不限制直接赋给Udref。
进一步的，
在制动工况下对Ud进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Uq计算得到值，将此值赋给实际电压指令Udref，Uq不限制直接赋给Uqref。
进一步的，
解决积分饱和问题进一步包括
在电流环中做积分饱和处理，将实际的电压指令Udref和Uqref加上n伏获得比较值，将比较值和Usmax比较，若比较值大于Usmax时，将Usmax作为电流环的限幅值Udmax和Uqmax，否则将Udref+n和Uqref+n作为电流环的限幅值。
进一步的，
所述n＝Usmax/20。
一种基于FOC控制的永磁同步电机弱磁失控处理系统，依照上述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法执行。
一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上盖述方法的计算机程序。
实施例一
一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，包括
获取电流环输出的Ud、Uq，计算Us；
对Us进行超限判断后并对Ud或Uq进行限制处理，得到实际电压指令；
Us超限后对电流环限幅进行处理，解决积分饱和问题。
其中
在电流id环和iq环输出电压指令Ud和Uq后，计算此时的Us，与电压限值Usmax比较，小于限值时将Ud和Uq赋给实际电压指令Udref和Uqref。大于限值时，根据当前系统工作在电动或制动工况分别对Uq或Ud加以限制。
电动工况的判断条件为转速和电流指令iqref同时为正或同时为负，否则为制动工况。电动工况下对Uq进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Ud计算得到值，将此值赋给实际电压指令Uqref，Ud不限制直接赋给Udref。
在制动工况下对Ud进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Uq计算得到值，将此值赋给实际电压指令Udref，Uq不限制直接赋给Uqref。
在电流环中做积分饱和处理，将实际的电压指令Udref和Uqref加上n伏后，和Usmax比较，大于Usmax时，将Usmax作为电流环的限幅值Udmax和Uqmax，否则将Udref+n和Uqref+n作为电流环的限幅值。n根据实际系统Usmax取合适的值，以能快速退饱和为准，一般取Usmax/20即可。
实施例二
一种基于FOC控制的永磁同步电机弱磁失控处理系统，依照实施例一所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法执行。
实施例三
一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一所述方法。
实施例四
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行实施例一所述方法的计算机程序。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，包括
获取电流环输出的Ud、Uq，计算Us；
对Us进行超限判断后并对Ud或Uq进行限制处理，得到实际电压指令；
Us超限后对电流环限幅进行处理，解决积分饱和问题。
2.根据权利要求1所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，
电流id环和iq环输出电压指令Ud和Uq，计算此时的Us。
3.根据权利要求1所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，所述超限判断包括
将Us与电压限值Usmax比较，小于限值时将Ud和Uq赋给实际电压指令Udref和Uqref；大于限值时，根据当前系统工作在电动工况或制动工况分别对Uq和/或Ud加以限制。
4.根据权利要求3所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，
所述电动工况的判断条件为：转速和电流指令iqref同时为正或同时为负，否则为制动工况；
电动工况下对Uq进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Ud计算得到值，将此值赋给实际电压指令Uqref，Ud不限制直接赋给Udref。
5.根据权利要求3所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，
在制动工况下对Ud进行限制，限制后的值为根据电压限幅Usmax和Uq计算得到值，将此值赋给实际电压指令Udref，Uq不限制直接赋给Uqref。
6.根据权利要求1所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，解决积分饱和问题进一步包括
在电流环中做积分饱和处理，将实际的电压指令Udref和Uqref加上n伏获得比较值，将比较值和Usmax比较，若比较值大于Usmax时，将Usmax作为电流环的限幅值Udmax和Uqmax，否则将Udref+n和Uqref+n作为电流环的限幅值。
7.根据权利要求6所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法，其特征在于，所述n＝Usmax/20。
8.一种基于FOC控制的永磁同步电机弱磁失控处理系统，其特征在于，依照权利要求1-7任意一项所述的基于FOC永磁同步电机弱磁失控控制方法执行。
9.一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一所述方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1-7任一所述方法的计算机程序。
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