CN117155190A - 一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，针对三相永磁同步电机，解决司机在车速较高时松开油门踏板，导致母线电压不足以提供足够的能量进行弱磁控制，造成变流器损坏的问题。本发明以电传动矿用自卸车的变流系统母线电压作为控制目标，建立母线电压阈值曲线，此曲线可以在全速域产生足够的去磁电动势来抵消永磁电机的反电动势，确保弱磁控制有效。更具体的，以矿用自卸车的油门踏板开合度、牵引电机转速、发动机转速和变流系统母线电压作为主要的信息采集对象，并采用阈值曲线让母线电压不跌至阈值以下，以免造成弱磁控制的失效。本发明可以做到全速域、突发工况下保障弱磁控制有效，避免变流器因能量倒灌造成损坏。

Description

一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法

技术领域

本发明涉及一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，属于工程机械技术领域。

背景技术

矿用自卸车是露天矿山开采和大规模土方建设中的重要关键设备之一，主要用于各种松散物料的运输。电传动矿用自卸车的牵引电机几乎都是三相异步电动机，因结构简单、耐用可靠的优点被广泛使用。但随着永磁同步电机的制造工艺日益成熟，其功率密度更高、体积更小、能量转换效率更高的优点，在电传动矿用自卸车领域也能占有一席之地。其中，为了让车辆在高速运行时抵抗永磁同步电机的固有磁场，施加去磁电动势进行弱磁控制是必不可少的。而去磁电动势控制需要变流系统母线电压的能量支持，司机在车速较高的时候松开油门踏板，会导致发动机转速较快的下降，引起发电机输出电压同步下降，从而出现母线电压不足以提供足够的能量进行弱磁控制，这会引起能量的倒灌冲击变流系统。

发明内容

本发明涉及的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法可以很好的解决上述问题，提高车辆的可靠性和稳定性。

一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，以电传动矿用自卸车的变流系统母线电压作为控制目标，建立母线电压阈值曲线，控制母线电压不跌至阈值以下，进而实现弱磁控制。

进一步的，所述方法具体为以矿用自卸车的油门踏板开合度、牵引电机转速、发动机转速和变流系统母线电压作为主要的信息采集对象。

进一步的，所述方法在获得牵引电机转速-反电动势曲线基础上，设计一个发动机转速-母线电压阈值曲线。

进一步的，所述母线电压阈值曲线为

u＝f(n,ω)。

进一步的，所述方法是将油门踏板开合度百分比％和牵引电机转速ω进行监控并作为算法的输入信号，由此得到

发动机的相应转速指令：

n＝f(ω,％)

进而得到发电机的相应电压输出曲线：

V＝f(n)

而此发电机曲线对应的变流系统母线电压值为：

U＝f(V)

同时，牵引电机在此时刻下产生的反电动势为：

U^*＝f(ψ)

则，满足U^*＜U，由此可得“发动机转速n-牵引电机转速ω”曲线，即母线电压阈值曲线：

u＝f(n,ω)。

进一步的，所述方法仅在油门踏板松开时使用此控制策略。

进一步的，所述方法的关键参数设定值来自电动轮的转速。进一步的，所述方法应用于由发动机、发电机、变流系统与永磁同步电机构成的交直交电传动矿用自卸车上。

本发明的有益效果是：传统的变流系统依靠断路器进行电机能量倒灌的切断保护，这会造成车辆运行中断，以及电机的过热问题。相比传统的弱磁控制算法，本发明可以做到全速域、突发工况下保障弱磁控制有效，保证永磁电机不对变流系统造成能量倒灌的冲击风险；该方法的阈值控制不存在积分环节，即响应速度极高，控制算法的鲁棒性极好。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是变流系统框图；

图3是本发明的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，该控制方法基于电传动矿用自卸车平台，其主要传动部分由发动机、发电机、变流系统、永磁同步电机构成。

如图1所示，本发明基于电传动矿用自卸车平台实现，电传动矿用自卸车传动系统主要由发动机、发电机、变流系统和牵引电机构成，牵引电机可以使用三相鼠笼异步电机，也可以使用三相永磁同步电机，本发明要解决的问题就是针对三相永磁同步电机。

如图2所示，S_a，S_b，S_c三相全桥电路是整流逆变的核心电路，通过空间矢量控制算法，可以将直流母线电压转换成三相交流电控制永磁电机工作在电动机状态，也可以控制永磁电机工作在发电机状态，将制动回馈的能量转换成直流电并通过电阻栅消耗掉。由于永磁电机转速越高，产生的反电动势也就越大，当反电动势高于直流母线电压的承受范围时，就会对IGBT产生破坏性的影响，造成系统故障。因此，要有足够的去磁电动势来抵消永磁电机产生的反电动势，即要有足够的能量提供弱磁控制，保证变流系统正常运行。

矿用自卸车永磁电机弱磁控制方法的控制原理如下：永磁同步电机在电枢电压额定条件下，随着电机转速的升高，电枢反应磁场的空间旋转速度也在不断的提高，当电枢电压达到极限值时，电机的转速受到了限制，不能再提高。因电机内部的反电动势不能超过电机的额定值，且反电动势与电机内部的气隙磁通的乘积成正比，要使转速与磁通乘积不变，只能使气隙磁通减小从而保证转速能够升高，这就是弱磁控制的基本原理。

永磁同步电机的励磁磁动势是由永磁体产生的无法调节，所以永磁体的磁场是恒定的，不能像他励直流电机一样通过调节励磁电流来直接减弱磁场。当电压等于最大电压时，要想继续升高转速只能通过调节交、直轴电流(矢量分解)来实现，增加电机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量来减弱气隙合成磁场，从而维持电压平衡关系，获得弱磁效果。

而司机在车辆高速行驶时突然松开油门踏板，发动机转速也会随之降低，发电机输出电压也会降低，这会导致变流系统母线电压的降低，无法产生足够的去磁电动势抑制反电动势，出现永磁电机的电压反灌变流系统，瞬间的高压会对IBGT造成损坏的风险，即弱磁控制未能达到弱磁目的，控制算法失效。

本发明的方法为：以电传动矿用自卸车的变流系统母线电压作为控制目标，建立母线电压阈值曲线，此曲线可以在全速域产生足够的去磁电动势来抵消永磁电机的反电动势，确保弱磁控制有效。更具体的，以矿用自卸车的油门踏板开合度、牵引电机转速、发动机转速和变流系统母线电压作为主要的信息采集对象，并采用阈值曲线让母线电压不跌至阈值以下，以免造成弱磁控制的失效。

如图3所示，本发明保障弱磁控制有效的方法是将油门踏板开合度百分比％和牵引电机转速ω进行监控并作为算法的输入信号，由此得到

发动机的相应转速指令：

n＝f(ω,％)

进而得到发电机的相应电压输出曲线：

V＝f(n)

而此发电机曲线对应的变流系统母线电压值为：

U＝f(V)

同时，牵引电机在此时刻下产生的反电动势为：

U^*＝f(ψ)

则，只要变流系统母线电压值始终保证能让去磁电动势抵消部分牵引电机在此时刻下产生的反电动势，即确保永磁电机产生的反电动势电压始终小于变流系统设计的母线电压值，U^*＜U(即ΔU>0)，由此可获得一条“发动机转速n-牵引电机转速ω”曲线，即母线电压阈值曲线：

u＝f(n,ω)

在此阈值曲线上运行，即可保障电传动矿用自卸车永磁电机弱磁控制在全速域始终有效。

本方法在获得牵引电机转速-反电动势曲线基础上，设计一个发动机转速-母线电压阈值曲线，使得母线电压在全速域有足够的能量保证弱磁控制的有效实施。

本发明控制方法的关键参数设定值来自电动轮的转速。电动轮的每一个转速值对应一个最低的母线电压阈值，而母线电压阈值的保证来自发动机的转速不得低于相应的转速阈值。特别说明的，该控制方法仅在油门踏板松开时使用此控制策略，确保车辆加速性能不受影响。

Claims (8)

1.一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：以电传动矿用自卸车的变流系统母线电压作为控制目标，建立母线电压阈值曲线，控制母线电压不跌至阈值以下，进而实现弱磁控制。

2.根据权利要求1所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法具体为以矿用自卸车的油门踏板开合度、牵引电机转速、发动机转速和变流系统母线电压作为主要的信息采集对象。

3.根据权利要求1所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法在获得牵引电机转速-反电动势曲线基础上，设计一个发动机转速-母线电压阈值曲线。

4.根据权利要求1所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述母线电压阈值曲线为

u＝f(n,ω)。

5.根据权利要求3所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法是将油门踏板开合度百分比％和牵引电机转速ω进行监控并作为算法的输入信号，由此得到

发动机的相应转速指令：

n＝f(ω,％)

进而得到发电机的相应电压输出曲线：

V＝f(n)

而此发电机曲线对应的变流系统母线电压值为：

U＝f(V)

同时，牵引电机在此时刻下产生的反电动势为：

U^*＝f(ψ)

则，满足U^*＜U，由此可得“发动机转速n-牵引电机转速ω”曲线，即母线电压阈值曲线：

u＝f(n,ω)。

6.根据权利要求3所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法仅在油门踏板松开时使用此控制策略。

7.根据权利要求3所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法的关键参数设定值来自电动轮的转速。

8.根据权利要求1所述的一种保障永磁电机弱磁控制全速域有效的控制方法，其特征在于：所述方法应用于由发动机、发电机、变流系统与永磁同步电机构成的交直交电传动矿用自卸车上。