永磁同步电机的弱磁运行控制方法和装置与流程

1.本发明涉及智能控制领域，更具体地涉及一种永磁同步电机的弱磁运行控制方法和装置。


背景技术：

2.永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，简称pmsm)是用稀土永磁体代替励磁绕组构成的一种新型的同步电机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动。pmsm无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此使用方便且可靠性高。因此，由pmsm组成的系统已广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床、家用电器等领域。
3.永磁同步电机的弱磁控制技术发展，建立于其弱磁运行理论基础之上。弱磁运行理论从电机本体的角度出发，一方面给出电机弱磁运行时各变量变化的规律，一方面探究电机的弱磁性能与电机参数之间的关系。而控制技术则不断发展新的策略，不断改进算法，使电机实际运行状态符合弱磁运行理论。
4.永磁同步电机控制器在达到电压上限之后将进行弱磁控制以进一步扩速。传统的弱磁控制方法中一般分为双电流调节器弱磁和单电流调节器弱磁。而无论是双电流调节器亦或是单电流调节器，永磁同步电机在矢量控制运行时要受到电压和电流双重约束条件的限制，其电压不能超过逆变器所能输出的最大电压，受电压极限椭圆的约束；电流不能超过逆变器所能输出的最大电流，受电流极限圆的约束。现有技术需要一种能够在弱磁区有效控制永磁同步电机的解决方案。
5.上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁运行控制方法和装置。能够解决存在扰动指令转矩，则电流矢量会偏移理想mtpa轨迹，从而导致d、q轴电流震荡，甚至跟踪不上的问题，能够解决电机动态性能严重下降的问题，本发明的方案针对电机采用双电流调节器控制进入弱磁运行区域时，能够解决调节器耦合严重的问题，并可以有效利用这种电流耦合现象。
7.本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁运行控制方法，s1：当所述电机运行在弱磁i区时，当时，通过单电流调节器调整q轴电压来控制电机，其中q轴电压为：其中0≤u
d
≤u
lim
，0≤u
q
≤u
lim
；并且，s2：当所述电机运行在弱磁ii区时，根据最大转矩电压比mtpv曲线通过单电流调节器调节q轴电压来控制电机，其中且在时，q轴电压为：当时，q轴电压为：u
q
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
；
其中，i
d
，l
d
以及为d轴电流和d电感，u
q
为q轴电压，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，u
lim
为最大可输出电压。
8.根据本发明的一个实施例，还包括：s0：当所述电机运行在基速以下时，根据最大转矩电流比mpta曲线通过双电流调节器调整d轴和q轴电压来控制电机，并在所述双电流调节的输出侧进行电压补偿，并且其中，如果则其中，u
d
，u
q
分别为d轴和q轴电压，u
lim
为最大可输出电压值，u
dc
为d轴的直流母线电压，u
qc
为q轴的直流母线电压。
9.根据本发明的一个实施例，其中，所述弱磁i区为电机转速在[ω1,ω2]之间运行的区域，其中ω1为电机运行的基速，ω2为电压极限椭圆逐渐缩小至与mtpa曲线轨迹相交于坐标原点时的转折速度；所述弱磁ii区为电机转速运行升高至电压极限椭圆与d轴相交时电机的转速范围对应的mptv曲线区域。
[0010]
根据本发明的一个实施例，其中，在所述步骤s0中，其中d轴和q轴的参考电流为：
[0011][0012]
其中，i
d
，i
q
，l
d
以及l
q
分别为d
‑
q电流和电感，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，i
s
为定子电流矢量，其中u
om
＝u
lim
‑
r
s
i
lim
，r
s
为定子电阻，i
lim
为最大可输出电流，u
lim
为最大可输出电压。
[0013]
根据本发明的一个实施例其中，在所述步骤s1中，d轴电流和q轴电流线性相关，所述单电流调节器调节的d轴电流为：
[0014]
其中，0≤u
q
≤u
lim
，其中，u
q
，i
d
，l
d
分别为q轴电压、d轴电流和和d轴电感，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，u
lim
为最大可输出电压。
[0015]
根据本发明的一个实施例，当所述电机进一步提速时，受限于电机的最大可输出电压u
lim
，d轴和q轴电流受以下公式约束，
[0016][0017]
其中其中，i
d
，i
q
，l
d
以及l
q
分别为d
‑
q电流和电感，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，i
s
为定子电流矢量，其中u
om
＝u
lim
‑
r
s
i
lim
，r
s
为定
子电阻，i
lim
为最大可输出电流，u
lim
为最大可输出电压。
[0018]
根据本发明的一个实施例，在所述步骤s1中，其中，u
q
，i
d
，i
q
，l
d
为q轴电压、d轴电流q轴电流和d轴电感，r
s
，ψ
f
分别为定子电阻、永磁磁通，ω为电机转速。
[0019]
根据本发明的一个实施例，所述步骤s2包括：当q轴电压u
q
＝0时，电机的反电动势等于ωl
d
i
d
，其中i
d
＝(
‑
ψ
f
/l
d
)，并且当电机运行在弱磁ii区时，ωl
d
i
d
＞ωψ
f
，当u
g
＜0时，据最大转矩电压比mtpv曲线来控制电机，其中，u
q
，i
d
，l
d
分别为q轴电压、d轴电流和d轴电感，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速。
[0020]
本发明的第二方面提供了一种永磁同步电机的弱磁运行控制装置，包括：弱磁i区控制单元，用于：当所述电机运行在弱磁i区时，当时，通过单电流调节器调整q轴电压来控制电机，其中q轴电压为：其中0≤u
d
≤u
lim
，0≤u
q
≤u
lim
；
[0021]
弱磁ii区控制单元，当所述电机运行在弱磁ii区时，根据最大转矩电压比mtpv曲线通过单电流调节器调节q轴电压来控制电机，其中在时，q轴电压为：当时，q轴电压为：u
q
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
；其中，i
d
，l
d
以及为d轴电流和d电感，u
q
为q轴电压，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，u
lim
为最大可输出电压。
[0022]
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括基速区控制单元，用于：基速区控制单元，当所述电机运行在基速以下时，根据最大转矩电流比mpta曲线通过双电流调节器调整d轴和q轴电压来控制电机，并在所述双电流调节的输出侧进行电压补偿，并且其中，
[0023]
如果则
[0024]
其中，u
d
，u
q
分别为d轴和q轴电压，u
lim
为最大可输出电压值，u
dc
为d轴的直流母线电压，u
qc
为q轴的直流母线电压。
[0025]
本发明的第三方面提供了一种永磁同步电机，其根据上述控制方法来执行控制，或包含上述永磁同步电机的弱磁运行控制装置。
[0026]
采用本发明的控制方法方案，通过给定q轴电压指令值的单电流调节器弱磁控制方法具有结构简单可靠，动态响应快，鲁棒性好，可深度弱磁等优点。在单电流调节器弱磁控制基础上改进的弱磁控制方法则可在q轴电压变为负值时也能使系统准确跟随，快速响应d
‑
q轴的电流变化，并且使电机的效率和带载能力得到相应地提高。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1是根据本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的mtpa、电压及电流极限轨迹图。
[0029]
图2是本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的坐标变换示意图。
[0030]
图3是根据本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的弱磁运行控制方法框图。
[0031]
图4是根据本发明的一个示例性的实施例的永磁同步电机的弱磁运行控制方法单电流调节器和双电流控调节器的实施框图。
[0032]
图5是根据本发明的一个示例性的实施例的本发明的控制方法应用前的电机电流波形图。
[0033]
图6是根据本发明的一个示例性的实施例的本发明的控制方法应用后的电机电流波形图。
具体实施例
[0034]
如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
[0035]
本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
[0036]
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
[0037]
pmsm弱磁控制的思想来源于他励直流电动机的调磁控制。当他励直流电动机端电压达到最大电压时，只能通过降低电动机的励磁电流，在保证电压平衡的条件下，使电机能恒功率运行于更高的转速。但永磁同步电机的励磁由大小恒定的永磁体产生，只有增大定子电流直轴去磁分量来削弱气隙磁场，才能达到等效弱磁的目的。弱磁控制的过程可以被理解为合理控制d轴电流的过程。
[0038]
图1示出根据本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的mtpa、电压及电流极限轨迹图。
[0039]
如图1所示，假设定子相电压的最大值为u
lim
(即最大可输出电压)，则有假设最大可输出电流为i
lim
，则有如图1所示，电机运行在基速(即第一转折速度ω1)以下时，电机运行在i区域；当电流到达a点时，即对应电机可输出的最大转矩，电机运行在mtpa(最大转矩/电流比)轨迹上，此时电流与电压均达到极限；当转速升
高至ω2(第二转折速度)时，电压极限椭圆逐渐缩小至与mtpa轨迹相交于坐标原点o，其中，转速范围[ω1,ω2]称为弱磁i区，即图1所示的区域ii；转速进一步升高至电压极限椭圆与d轴交于c点时，此转速范围称为弱磁ⅱ区(即图1中的第iii区域)，即为深度弱磁区域。其中，定义电磁转矩与产生其所需的电流的比为转矩电流比，在基频以下电动机恒转矩运行，采用线性最大转矩电流比控制，如图1中所示；最大转矩电流比曲线mpta和最大转矩电压比曲线mptv之间的区域称为弱磁区域i。在基频以上，电动机沿着mtpv曲线运行，称为弱磁区域ii。
[0040]
图2是本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的坐标变换示意图。
[0041]
如图2所示，根据本发明的一个或多个实施例，为了简化自然坐标系下三相pmsm(永磁同步电机)的数学模型，采用的坐标变换通常包括静止坐标变换(clark变换)和同步旋转坐标变换(park变换)。它们之间的坐标关系如下图所示，其中abc为自然坐标系，α
‑
β为静止坐标系，d
‑
q为同步旋转坐标系，如图2所示。
[0042]
根据本发明的一个或多个实施例，当电机转速在ω1以下时，电机有足够的转矩输出能力，并且电流环的带宽也足够快速跟踪负载转矩及磁链的变化，此时利用所提出的准线性解耦mtpa可以保证电机很快进入稳态。然而，随着弱磁深度的加剧，电机带负载能力迅速下降，电流环的带宽也趋于极限，此时若存在扰动指令转矩，则电流矢量会偏移理想mtpa轨迹，导致d、q轴电流震荡，甚至跟踪不上的问题，动态性能严重下降。为此，针对电机采用双电流调节器控制进入弱磁运行区域时调节器耦合严重的问题，可以尝试利用这种电流耦合现象，只控制直轴电流，采取基于单电流调节器的弱磁控制方法，在弱磁ii区考虑到系统的动态调节能力，实现电流的解耦控制。然而，永磁同步电机的预期性能无法通过实施单电流调节器为基础的弱磁方法来实现。在特征电流小于额定电流的电机中，ωl
d
i
d
值可能大于ωψ
f
值。在这种情况下，q轴电压可能为负值，在单电流调节法下，无法用现有的计算q轴电压的方法获得正电机速度下的负q轴电压。为了解决这个问题，本发明提出一种改进现有单电流调节器弱磁控制的方法，在深度弱磁区域实现电流解耦的同时，适应ωl
d
i
d
值可能大于ωψ
f
值的情况，从而得到正确的q轴电压值。
[0043]
图3是根据本发明的一个示例性的本发明的永磁同步电机的弱磁运行控制方法框图。如图3所示，
[0044]
在步骤s0处，当所述电机运行在基速以下时，根据最大转矩电流比mpta曲线通过双电流调节器调整d轴和q轴电压来控制电机，并在所述双电流调节的输出侧进行电压补偿，并且其中，
[0045]
如果则
[0046]
其中，u
d
，u
q
分别为d轴和q轴电压，u
lim
为最大可输出电压值，u
dc
为d轴的直流母线电压，d
qc
为q轴的直流母线电压；
[0047]
在步骤s1处，当所述电机运行在弱磁i区时，当时，通过单电流调节器调整q轴电压来控制电机，其中q轴电压为：其中0≤u
d
≤u
lim
，0≤u
q
≤u
lim
；
[0048]
在步骤s2处，当所述电机运行在弱磁ii区时，根据最大转矩电压比mtpv曲线通过
单电流调节器调节q轴电压来控制电机，其中当时，q轴电压为：当时，q轴电压为：u
q
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
。其中，i
d
，l
d
以及为d轴电流和d电感，u
q
为q轴电压，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，u
lim
为最大可输出电压。
[0049]
其中，所述弱磁i区为电机转速在[ω1,ω2]之间运行的区域，其中ω1为电机运行的基速，ω2为电压极限椭圆逐渐缩小至与mtpa曲线轨迹相交于坐标原点时的转折速度；所述弱磁ii区为电机转速运行升高至电压极限椭圆与d轴相交时电机的转速范围对应的mptv曲线区域。
[0050]
根据本发明的一个或多个实施例，永磁同步电机在同步旋转d
‑
q坐标系下的数学模型为
[0051][0052][0053][0054]
u
d
，u
q
，i
d
，i
q
，l
d
以及l
q
分别为d
‑
q轴电压、电流和电感，r
s
，ψ
f
，t以及p分别为定子电阻、电机永磁磁通、电磁转矩和磁对数。在静态状态下(1)、(2)式可以写成
[0055]
u
d
＝r
s
i
d
‑
ωl
q
i
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
u
q
＝r
s
i
q
ωl
d
i
d
ωψ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0057]
由于受电压极限椭圆限制，联立(4)、(5)式则有
[0058][0059]
由图1及电流极限圆可知，以中心点(0,0)的电流极限圆存在特征电流点，也即极限电压椭圆的原点(c点)，其坐标为
[0060]
当电机运行在基速以下时，其运动轨迹为mtpa，则d
‑
q轴电流可通过(7)式计算得到，式中i
s
为定子电流矢量。
[0061][0062]
在双电流调节器的作用下，d
‑
q轴参考电流为
[0063][0064]
式中u
om
＝u
lim
‑
r
s
i
lim
。
[0065]
当电机进一步提速时，受限于极限电压，d
‑
q轴电流亦将受限于(9)式
[0066][0067]
式中
[0068]
根据(5)式，电机通过单电流弱磁控制进入弱磁i区时有
[0069][0070]
由式10可知，当电机运行在稳定速度和已补偿的电压下时，d轴电流和q轴电流为线性相关的，因此当两者中的一方得到了控制，则另一方亦将得到控制，单电流调节器基于这个原理，忽略定子电阻，给定d轴的直流母线电压u
dc
＝u
d
，d轴电流可由式(5)得到
[0071][0072]
其中0≤u
q
≤u
lim
。
[0073]
当u
q
＝0则表明反电动势等于ωl
d
i
d
(忽略定子电阻)，这种情况将在i
d
等于特征电流(
‑
ψ
f
/l
d
)时产生，而随着弱磁深度的进一步加深，特征电流小于额定电流，ωl
d
i
d
值大于ωψ
f
值，u
q
就可能变为负值。
[0074]
为了是转矩得到最大化和有效的应用，在电机进入深度弱磁区域时，采用mtpv控制，即：
[0075]
当时，q轴电压按式(12)计算，由于0≤u
d
≤u
lim
，则0≤u
q
≤u
lim
。
[0076][0077]
而当时，q轴电压按式(13)计算，
[0078]
u
q
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
。
[0079]
图4是根据本发明的一个示例性的实施例的永磁同步电机的弱磁运行控制方法单电流调节器和双电流控调节器的实施框图。
[0080]
如图4所示，其中，图4中上方的判断条件框为单电流调节器，下方的判断框为双电
流调节器。
[0081]
在图4中，u
lim
为最大可输出电压，即电压极限椭圆；sqrt在图4中表示开根号。对于单电流调节器，如果sqrt(u
d2
u
q2
)<＝u
lim
，则u
dc
＝u
lim
*u
d
/sqrt(u
d2
u
q2
)，u
qc
＝u
lim
*u
q
/sqrt(u
d2
u
q2
)。
[0082]
对于双电流调节器，如果sqrt(u
d2
u
q2
)>＝u
lim
，则u
dc
＝u
d
，在上述条件成立的基础上，如果i
d
<＝
‑
ψ
f
/l
d
，则u
qc
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
，否则u
qc
＝sqrt(u
lim2
‑
u
d2
)。
[0083]
图5是根据本发明的一个示例性的实施例的本发明的控制方法应用前的电机电流波形图。
[0084]
如图5所示，随着弱磁深度的提高，当电机频率大于75hz时，电流峰值产生1.6a左右的偏差，从而促使力矩的不平衡，产生了高频抖动的现象.
[0085]
图6是根据本发明的一个示例性的实施例的本发明的控制方法应用后的电机电流波形图。
[0086]
如图6所示，为了能得到较好的扩速性能的同时，降低电机电流抖动的幅度，优化弱磁算法，从而得到如图6所示较为平滑的电机电流波形。
[0087]
根据本发明的一个或多个实施例，由于采用永磁体励磁，无法通过励磁绕组调节励磁磁场，永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求。常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法、梯度下降法和负i
d
补偿法等。公式计算法完全依赖于电机数学模型，只具有理论意义，很少在实际工程中应用；查表法依赖大量的实验数据，实现起来较为复杂；梯度下降法计算量大，实现较复杂。这几种方法在实际工程中应用较少，负i
d
补偿法由于具有参数鲁棒性好、算法简单可靠等优点获得了广泛的应用。因此，本发明的方案也可以采用负i
d
补偿法来实施。但在使用负i
d
补偿法进行弱磁控制时，应当对i
d
进行准确合理的限幅，并在i
d
达到其限幅值后对电压进行弱磁补偿，以保证系统的稳定可控和电流的解耦。在进入深度弱磁时，实行不同的电压控制，以保证力矩的平衡。
[0088]
根据本发明的一个或多个实施例，当电压值未达到上限时，采用mtpa(最大转矩/电流比)控制，与此同时，为了实现电流解耦，提高电流的跟踪性能，以及避免由于电压瞬变导致的系统不稳定，在电流调节器输出侧施行电压补偿。当电机进入弱磁区域时，采用单电流调节器弱磁控制，并且当电机进入深度弱磁区域时，采用mtpv(最大转矩/电压比)控制，电压补偿仍然起电流解耦和动态响应的作用。
[0089]
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了一种永磁同步电机的弱磁运行控制装置，包括：弱磁i区控制单元，用于：当所述电机运行在弱磁i区时，当时，通过单电流调节器调整q轴电压来控制电机，其中q轴电压为：其中0≤u
d
≤u
lim
，0≤u
q
≤u
lim
；弱磁ii区控制单元，当所述电机运行在弱磁ii区时，根据最大转矩电压比mtpv曲线通过单电流调节器调节q轴电压来控制电机，其中且在时，q轴电压为：当时，q轴电压为：u
q
＝ωψ
f
ωl
d
i
d
；其中，i
d
，l
d
以及为d轴电流和d电感，u
q
为q轴电压，ψ
f
为永磁磁通，ω为电机转速，u
lim
为最大可输出电压。
[0090]
该装置还包括：基速区控制单元，当所述电机运行在基速以下时，根据最大转矩电流比mpta曲线通过双电流调节器调整d轴和q轴电压来控制电机，并在所述双电流调节的输出侧进行电压补偿，并且其中，如果则其中，u
d
，u
q
分别为d轴和q轴电压，u
lim
为最大可输出电压值，u
dc
为d轴的直流母线电压，u
qc
为q轴的直流母线电压。
[0091]
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了一种永磁同步电机，其中所述永磁同步电机根据本发明的控制方法来进行控制，或包含上述控制装置。
[0092]
此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备，存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
[0093]
根据本发明的一个或多个实施例，本发明实施控制方法的控制电路、(控制逻辑、主控系统或控制模块)可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，主控系统或控制模块可以包括微控制器mcu，主控芯片或处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制方法的控制器上运行的各种应用和/或操作系统。
[0094]
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
[0095]
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。