CN114244231A - 一种永磁同步电机的弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的弱磁控制方法，包括步骤：S1、确定定子电流矢量范围；S2、获取MTPA曲线；S3、计算最小电流I_{d_min}；S4、确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹，通过PI算法控制相电压U_s，使其工作在U_lim上，保证电流矢量趋于弱磁控制目标；根据所求得的MTPA曲线、I_{d_min}曲线及电流极限圆，明确弱磁控制的工作区域。本发明方案，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的，不需要增加电机及控制系统的硬件成本，可以获得更大的运行范围，可以在更高的转速工作。

Description

一种永磁同步电机的弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机的弱磁控制方法。

背景技术

永磁同步电机的控制中，转矩输出能力会受到逆变器供电能力的制约，因此永磁同步电机的矢量控制分非弱磁控制区域和弱磁控制区域，在这两个区域内分别采用不同的电流控制原则。对于永磁同步电机控制而言，由于逆变器直流母线侧电压在达到最大值后会引起电流调节器的饱和，从而限制了电机转速的提高。为了获得更宽的调速范围，使电机在基速以上进行恒功率调速，需要对电机进行弱磁控制。弱磁控制基本思想来源于他励直流电机的调磁控制，当电机电压达到最大电压时，可以通过降低电机的励磁电流来改变励磁磁通，在保证电压平衡的条件下，电机就可以恒功率运行于更高的转速。

发明内容

本发明目的是：提供一种永磁同步电机的弱磁控制方法，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的。

本发明的技术方案是：

一种永磁同步电机的弱磁控制方法，包括步骤：

S1、确定定子电流矢量范围；

S2、获取MTPA曲线；

S3、计算最小电流I_{d_min}；

S4、确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹。

优选的，步骤S1中，永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值表示为：

其中，I_s为相电流；I_d为d轴电流；I_q为q轴电流；I_lim为相电流的幅值；

作电流矢量限制轨迹在dq坐标系下作原点为圆心，I_s为半径的电流极限圆；电机在稳定运行时，定子的电流矢量不超出电流极限圆。

优选的，步骤S1中，对于采用SVPWM空间矢量脉宽调制的永磁同步电机来说，

U_DC为直流母线侧电压；

永磁同步电机的电压方程表示为：

其中，U_d为d轴电压；U_q为q轴电压；R为定子电阻；Ψ_f为磁链；p为极对数；L_d为d轴电感；L_q为q轴电感；ω_e为转子转速；

当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：

U_d＝-ω_eL_qI_q (4)

U_q＝ω_e(L_dI_d+Ψ_f) (5)

将式(4)、(5)代入式(1)，可得：

而对于内置式永磁同步电机来说，L_d≠L_q，因此为一椭圆方程；由电压极限椭圆方程可知，当定子电压达到U_lim时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内；转速ω₀＜ω₁＜ω₂，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-Ψ_f/L_d，0)。

优选的，步骤S2中获取MTPA曲线的方法为：

当逆变器输出电压没有达到极限时，根据速度和负载状态，采用最小的电流得到最大的转矩的控制方式，即MTPA控制方法，最大转矩对应的电流矢量，位于电流极限圆和MTPA抛物线的交点处；

数学求解MTPA曲线的方法：

T_em为电磁转矩；

求解MPTA曲线，即求解转矩方程至原点的最短距离；

I_s为相电流；

由式(8)、(9)求解方程结果如下：

优选的，步骤S3中最小电流I_{d_min}计算方法为：

S31、确定一条转矩曲线T₁＝f(I_d,I_q)；

S32、计算不同的ω_e下，对应的电压极限椭圆曲线；

S33、求解切点，则为T₁对应的I_{d_min}；

S34、选择另一条转矩曲线T₂＝f(I_d,I_q)，重复步骤S31～S33；

S35、连接计算所得I_{d_min}则为最终I_{d_min}曲线。

优选的，步骤S3中，数学求解最小I_d电流轨迹的方法如下：

电机功率方程：

电压极限椭圆方程：

求解电机功率P在特定ω_e下的最大值，即为所求最小I_d电流轨迹。

优选的，步骤S4中，确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹的方法为：

通过PI算法控制相电压U_s，使其工作在U_lim上，保证电流矢量趋于弱磁控制目标；根据所求得的MTPA曲线、I_{d_min}曲线及电流极限圆，明确弱磁控制的工作区域。

本发明的优点是：

本发明方案，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的，不需要增加电机及控制系统的硬件成本，可以获得更大的运行范围，可以在更高的转速工作。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为定子电流矢量限制范围示意图；

图2为MTPA抛物线示意图；

图3为I_{d_min}轨迹示意图；

图4为弱磁控制的工作区域示意图；

图5为电流目标值计算模型；

图6为弱磁区最小电流计算模型。

具体实施方式

当逆变器电压饱和之后，继续提高转速只有靠调节直轴d轴和交轴q轴电流实现，本发明通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的。本发明的永磁同步电机的弱磁控制方法，包括以下步骤。

S1、定子电流矢量范围的确定

受到逆变器最大输出电流及电机额定电流的限制，永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值可以表示为：

I_s：相电流；I_d：d轴电流；I_q：q轴电流；I_lim：相电流的幅值。

如图1所示，作电流矢量限制轨迹在dq坐标系下作原点为圆心，I_s为半径的圆，称为电流极限圆。电机在稳定运行时，定子的电流矢量不能超出电流极限圆。

对于采用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)空间矢量脉宽调制的永磁同步电机来说，

U_DC为直流母线侧电压。

永磁同步电机的电压方程可以表示为：

U_d：d轴电压；U_q：q轴电压；R：定子电阻；Ψ_f：磁链；p：极对数；L_d：d轴电感；L_q：q轴电感；ω_e：转子转速。

当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：

U_d＝-ω_eL_qI_q (4)

U_q＝ω_e(L_dI_d+Ψ_f) (5)将式(4)、(5)代入式(1)，可得：

而对于内置式永磁同步电机来说，L_d≠L_q，因此为一椭圆方程。由电压极限椭圆方程可知，当定子电压达到U_lim时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内。定子电流矢量限制范围示意图如图1所示。转速ω₀＜ω₁＜ω₂，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-Ψ_f/L_d，0)。

S2、MTPA曲线获取

当逆变器输出电压没有达到极限时，根据速度和负载状态，采用最小的电流得到最大的转矩的控制方式，即MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制方法，MTPA曲线示意图如图2所示。最大转矩对应的电流矢量，位于电流极限圆和MTPA抛物线的交点处。

数学求解MTPA曲线的方法：

T_em：电磁转矩；

求解MPTA曲线，即求解转矩方程至原点的最短距离。

I_s：相电流。

由式(8)、(9)求解方程结果如下：

S3、最小电流I_{d_min}(最大功率曲线)计算：

求解I_{d_min}电流轨迹的方法示意图如图3所示。

步骤：

1)确定一条转矩曲线T₁＝f(I_d,I_q)。

2)计算不同的ω_e下，对应的电压极限椭圆曲线。

3)求解切点，则为T₁对应的I_{d_min}。

4)选择另一条转矩曲线T₂＝f(I_d,I_q)，重复步骤(1)～(3)。

5)连接计算所得I_{d_min}则为最终I_{d_min}曲线。

数学求解最小I_d电流轨迹的方法如下：

电机功率方程：

电压极限椭圆方程：

求解电机功率P在特定ω_e下的最大值，即为所求：

S4、确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹

我们可以通过PI算法控制相电压U_s，使其尽量工作在U_lim上，即可保证电流矢量趋于弱磁控制目标。根据所求得的MTPA曲线、I_{d_min}曲线及电流极限圆，即可明确弱磁控制的工作区域，示意图如图4所示。

d轴需求电流计算模型程序实现过程如下：

1、电流目标值通过查表方式获取，模型如图5所示，根据电磁转矩目标值和电机旋转方向乘积(MCT_TrqEmDes_sw*MCT_sgnTrqEmDes_sb)的值查表MCT_isdEtaOptm_CUR和MCT_isdNoiseAdj_CUR依次得到最高效率对应的d轴电流目标值及用于降噪的电流目标值，两者相加得到非弱磁区d轴电流的目标值MCT_isdDesBs_sw。

2、求取弱磁控制区域的I_{d_min}最大功率曲线，这也是采用查表方式实现。I_{d_min}表内数据由标定试验获得，模型结构如图6所示。

图6中可见，I_{d_min}的查表分为驱动模式和发电模式，模式通过电机转向和转矩符号判断。通过电压限制值及转子频率的乘积，查表获得I_{d_min}的值。因为在特定的电压极限椭圆上，I_{d_min}唯一确定，由此得到弱磁控制区域的d轴电流下限MCT_isdMin_sw。

3、从MCT_isdDesBs_sw和MCT_isdMin_sw中取最大值，得到MCT_isdDesBSLim_sw。

d轴电流目标MCT_isdDes_sw计算具体过程如下：

(1)计算电压是否超出电压极限椭圆：

令MCT_fctrUsdPIScl_sw＝(MCT_usdPI_sw*MCT_fctr1DivUsMax_sw)+(MCT_usqPI_sw*MCT_fctr1DivUsMax_sw)，MCT_usdPI_sw和MCT_usqPI_sw为d轴和q轴电压输出，MCT_fctr1DivUsMax_sw为相电压最大值的倒数，判断MCT_fctrUsdPIScl_sw<1是否成立，如果成立，说明定子电压矢量的幅值已超出电压极限椭圆。

(2)PI控制器设计

弱磁控制的基础是计算当前状态下的I_d、I_q目标值，而PI控制器的目标为使得控制电机的定子电压趋于电压极限椭圆，即为：MCT_fctrUsdPIScl_sw-1＝0，以此在非弱磁控制区及弱磁控制区计算期望I_d值。

PI控制器输出上限为MCT_isdDesBs_sw，即为MTPA曲线对应的I_d，当MCT_fctrUsdPIScl_sw-1<0，定子电流矢量幅值未超过电压极限椭圆，工作转速低于基速，则在非弱磁区域工作，输出目标I_d即为MTPA曲线上的I_d工作点。PI控制器输出下限为MCT_isdMin_sw，即为I_{d_min}曲线电流下限值，当MCT_fctrUsdPIScl_sw-1>0，定子电流矢量幅值超过电压极限椭圆，PI控制器调节I_d不断减小，使得MCT_fctrUsdPIScl_sw-1趋近于0，从而实现的对于永磁同步电机在弱磁控制范围的控制，最终将PI控制器的输出量＝MCT_isdDes_sw。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、确定定子电流矢量范围；

S2、获取MTPA曲线；

S3、计算最小电流I_{d_min}；

S4、确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S1中，永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值表示为：

其中，I_s为相电流；I_d为d轴电流；I_q为q轴电流；I_lim为相电流的幅值；

作电流矢量限制轨迹在dq坐标系下作原点为圆心，I_s为半径的电流极限圆；电机在稳定运行时，定子的电流矢量不超出电流极限圆。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S1中，对于采用SVPWM空间矢量脉宽调制的永磁同步电机来说，

U_DC为直流母线侧电压；

永磁同步电机的电压方程表示为：

其中，U_d为d轴电压；U_q为q轴电压；R为定子电阻；Ψ_f为磁链；p为极对数；L_d为d轴电感；L_q为q轴电感；ω_e为转子转速；

当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：

U_d＝-ω_eL_qI_q (4)

U_q＝ω_e(L_dI_d+Ψ_f) (5)

将式(4)、(5)代入式(1)，可得：

而对于内置式永磁同步电机来说，L_d≠L_q，因此为一椭圆方程；由电压极限椭圆方程可知，当定子电压达到U_lim时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内；转速ω₀＜ω₁＜ω₂，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-Ψ_f/L_d，0)。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S2中获取MTPA曲线的方法为：

当逆变器输出电压没有达到极限时，根据速度和负载状态，采用最小的电流得到最大的转矩的控制方式，即MTPA控制方法，最大转矩对应的电流矢量，位于电流极限圆和MTPA抛物线的交点处；

数学求解MTPA曲线的方法：

T_em为电磁转矩；

求解MPTA曲线，即求解转矩方程至原点的最短距离；

I_s为相电流；

由式(8)、(9)求解方程结果如下：

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S3中最小电流I_{d_min}计算方法为：

S31、确定一条转矩曲线T₁＝f(I_d,I_q)；

S32、计算不同的ω_e下，对应的电压极限椭圆曲线；

S33、求解切点，则为T₁对应的I_{d_min}；

S34、选择另一条转矩曲线T₂＝f(I_d,I_q)，重复步骤S31～S33；

S35、连接计算所得I_{d_min}则为最终I_{d_min}曲线。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S3中，数学求解最小I_d电流轨迹的方法如下：

电机功率方程：

电压极限椭圆方程：

求解电机功率P在特定ω_e下的最大值，即为所求最小I_d电流轨迹。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，步骤S4中，确定弱磁控制区的定子电流矢量轨迹的方法为：

通过PI算法控制相电压U_s，使其工作在U_lim上，保证电流矢量趋于弱磁控制目标；根据所求得的MTPA曲线、I_{d_min}曲线及电流极限圆，明确弱磁控制的工作区域。

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