一种基于负载特性的永磁同步电机电压反馈弱磁控制方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于负载特性的永磁同步电机电压反馈弱磁控制方法。


背景技术：

2.近年来随着电力电子技术的快速发展、稀土永磁材料性价比的提高，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，pmsm)由于具有结构简单、重量轻、转动惯量小、控制性能好、效率高等诸多优点，目前在轨道交通，电动汽车，室内空气净化，矿井隧道通风，风力发电等领域得到了广泛应用。
3.在pmsm调速时，随着电机转速升高电机的反电动势会线性增加，电机端电压也随之增加，电机控制系统由于受到供电电压的限制以及功率模块受最大电流输出的限制，电机的运行范围将受到约束，如果pmsm调速系统要能够上到高速区运行，通常需要采用弱磁控制。
4.目前pmsm调速系统的弱磁控制已发展出了查表法、电压反馈法、电压前馈法和单电流调节器法等多种弱磁控制方法，其中电压反馈法实现容易、鲁棒性好、对电机参数的依赖性弱、同时方便实现最大转矩电流比控制与弱磁控制的平滑过渡，是工程上较为主流的弱磁控制方法。电压反馈法通过比较参考电压矢量的幅值与设定的电压极限值，判断pmsm是否进入弱磁区域，将参考电压矢量幅值、设定的电压极限值输入比例积分调节器，转化为负向d轴电流(即弱磁电流)从而实现弱磁控制。
5.电压反馈法弱磁控制是通过弱磁来限制电机反电动势的增加，从而限制电机端电压的增加，使电机的转速提升。但是通过分析电机端电压的构成可知，除了电机反电动势的增加会引起电机端电压的增加外，电机负载的增加也会导致电机端电压的增加，尤其是在重负载情况下q轴电流的显著增加会导致电机端电压显著增加，因此现有电压反馈法通过检测电机端电压是否饱和作为pmsm进入弱磁区域的判据，在重负载情况下可能会出现误判。在重负载情况下进入弱磁控制模式往往不能提升电机的转速，反而引起功率模块发热严重、电机效率降低和转速抖动。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于负载特性的永磁同步电机电压反馈弱磁控制方法，用以完善和严格现有电压反馈法的弱磁判据，解决现有判别方法在重载情况下可能会发生误判的问题。
7.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于负载特性的永磁同步电机电压反馈弱磁控制方法，包括以下步骤：
9.设置电机运行模式标志，用以控制永磁同步电机的运行模式；
10.基于pmsm调速系统的瞬时功率，确定永磁同步电机的负载特性；根据电机端电压，确定电流调节器的饱和程度；
11.根据电流调节器的饱和程度和永磁同步电机的负载特性来决定电机运行模式标志的值，从而确定电机工作在最大转矩电流比控制模式或弱磁控制模式；
12.其中，在弱磁控制模式下，基于不同负载工况和电机转速变化对负载特性的影响，在不同情况下对永磁同步电机进行对应的弱磁控制。
13.进一步地，所述基于pmsm调速系统的瞬时功率，确定永磁同步电机的负载特性，包括：
14.实时计算pmsm调速系统的瞬时功率p
em
，将电机额定功率pn乘一个预设比例系数ζ0再减去p
em
后，得到差值δp＝ζ0p
n-p
em
，通过δp来判断电机是否有足够的输出转矩驱动负载到达更高的转速。
15.进一步地，所述根据电机端电压，确定电流调节器的饱和程度，包括：
16.根据电流调节输出的d轴、q轴电压ud、uq计算得到电机端电压us，将逆变器最大输出电压u
lim
减去us后，得到差值δu＝u
lim-us，用δu构建电压反馈 pi调节器，并通过δu的正负来判断电流调节器的饱和程度。
17.进一步地，根据电流调节器的饱和程度和永磁同步电机的负载特性来决定电机运行模式标志的值，从而确定电机工作在最大转矩电流比控制模式或弱磁控制模式，包括：
18.情况1：当modeflg＝0时，若同时满足δu＜0和δp＞0两个条件，表明电流调节器已饱和，且电机有足够的输出转矩驱动负载提高转速，则电机运行模式标志modeflg＝1；若不能同时满足δu＜0和δp＞0两个条件，则电机维持在最大转矩电流比控制模式运行；
19.情况2：当modeflg＝1时，若δu＞0，表明电流调节器已经退出饱和，不论是何种负载情况都退出弱磁控制模式进入最大转矩电流比控制模式，则 modeflg＝0。
20.进一步地，当永磁同步电机运行在最大转矩电流比控制模式时，通过电机速度调节器输出定子电流is，根据最大转矩电流比算法计算得到d轴电流调节器的给定值和q轴电流调节器的给定值
[0021][0022]
式中ψf为永磁体磁链，ld、lq分别为是d、q轴电感。
[0023]
进一步地，所述在弱磁控制模式下，基于不同负载工况和电机转速变化对负载特性的影响，在不同情况下对永磁同步电机进行对应的弱磁控制，包括：
[0024]
当电机工作在弱磁控制模式下时，随着负载工况和电机转速的变化会出现δp＜0和δp＞0两种情况：
[0025]
δp＞0时，按传统的电压反馈法进行弱磁控制，根据差值δu设计pi调节器，pi调节器的输出δid作为弱磁控制的直流输出电流i
dfw
，将i
dfw
和d轴电流给定值叠加，得到弱磁控制直轴电流i
dref
；弱磁控制的交轴电流i
qref
直接取q轴电流调节器的给定值再根据直轴电流i
dref
计算得到的限幅值对i
qref
限幅；
[0026]
δp＜0时，弱磁控制的直流输出电流i
dfw
取最大值δi
d_max
，将i
dfw
和d轴电流给定值
叠加，得到弱磁控制的直轴电流i
dref
；弱磁控制的交轴电流i
qref
直接取同样根据直轴电流i
dref
计算得到的限幅值对i
qref
限幅。
[0027]
进一步地，弱磁控制模块直流输出电流最大值δi
d_max
的取值公式为：
[0028][0029]
式中δid(n-1)、δi
d_max
(n-1)分别为第n-1次迭代运算中弱磁控制的直流输出电流值及最大值，δid(n)、δi
d_max
(n)分别为第n次迭代运算中弱磁控制的直流输出电流值及最大值。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
[0031]
本发明通过实时计算系统的输入功率来分析电机的负载特性，进一步分析电机端电压的增加主要原因，如果电机端电压饱和主要是由于电机反电动势的增加引起的，则电机进入弱磁控制，并且基于负载特性分两种情况决定弱磁电流的取值；如果电机端电压的增加主要是由于重负载情况下q轴电流的增加所引起的，则设定调速系统不进入弱磁控制模式，防止在重负载情况下进入弱磁控制模式，导致电机的转速得不到提升，反而引起系统功率模块发热严重、效率降低、转速抖动等问题。
附图说明
[0032]
图1为本发明基于负载特性的永磁同步电机弱磁控制方法的系统框图；
[0033]
图2为电流极限圆和电压极限椭圆示意图；
[0034]
图3为mpsm电磁转矩和三种负载转矩曲线示意图；
[0035]
图4为本发明一个实施例中提出的改进的电压反馈弱磁控制模块结构图。
具体实施方式
[0036]
本发明提供了一种基于负载特性的永磁同步电机电压反馈弱磁控制方法，基于电机的负载特性进一步完善和严格现有电压反馈法的弱磁判据；本发明方法包括：
[0037]
设置电机运行模式标志，用以控制永磁同步电机的运行模式；
[0038]
基于pmsm调速系统的瞬时功率，确定永磁同步电机的负载特性；根据电机端电压，确定电流调节器的饱和程度；
[0039]
根据电流调节器的饱和程度和永磁同步电机的负载特性来决定电机运行模式标志的值，从而确定电机工作在最大转矩电流比控制模式mpta或弱磁控制模式；
[0040]
其中，在弱磁控制模式下，基于不同负载工况和电机转速变化对负载特性的影响，在不同情况下对永磁同步电机进行对应的弱磁控制。
[0041]
下面结合附图对本发明的具体实现步骤做进一步详细说明。
[0042]
步骤1，设置电机运行模式标志，用以控制永磁同步电机的运行模式。
[0043]
设置一个电机运行模式标志modeflg，当modeflg＝0时电机运行在最大转矩电流比(mpta)控制模式，当modeflg＝1时电机运行在弱磁控制模式， modeflg的初值设为0。
[0044]
步骤2，基于pmsm调速系统的瞬时功率，确定永磁同步电机的负载特性。
[0045]
按公式p
em
＝udid u
qiq
实时计算pmsm调速系统的瞬时功率，将电机额定功率pn乘一
个预设比例系数再减去p
em
后，得到差值δp＝ζ0p
n-p
em
,(ζ0＝0.9)，通过δp来判断电机是否有足够的输出转矩驱动负载到达更高的转速；其中ud、uq为电流调节器的输出的d轴、q轴电压，id为d轴电流实际反馈值，iq为q轴电流实际反馈值。
[0046]
步骤3，根据电机端电压，确定电流调节器的饱和程度。
[0047]
根据电流调节输出的d轴、q轴电压ud、uq，按公式计算得到电机端电压us，将逆变器最大输出电压u
lim
减去us后，得到差值δu＝u
lim-us，用δu构建电压反馈pi调节器，并通过δu的正负来判断电流调节器的饱和程度；其中逆变器最大输出电压u
lim
按关系式进行计算， u
dc
为逆变器的直流母线电压。
[0048]
步骤4，根据电流调节器的饱和程度和永磁同步电机的负载特性来决定电机运行模式标志modeflg的值，从而确定电机工作在最大转矩电流比控制模式 mpta或弱磁控制模式；
[0049]
其中，在弱磁控制模式下，基于不同负载工况和电机转速变化对负载特性的影响，在不同情况下对永磁同步电机进行对应的弱磁控制。
[0050]
分两种情况：
[0051]
情况1：当modeflg＝0时，若同时满足δu＜0和δp＞0两个条件，表明电流调节器已饱和，且电机有足够的输出转矩驱动负载提高转速，则 modeflg＝1；与传统进入弱磁控制模式条件不同的是，若不能同时满足δu＜0和δp＞0两个条件，则电机不进入弱磁控制模式，维持在mpta控制模式运行；
[0052]
情况2：当modeflg＝1时，若δu＞0，表明电流调节器已经退出饱和，不论是何种负载情况都退出弱磁控制模式，则modeflg＝0；
[0053]
当modeflg＝0转入步骤4.1，当modeflg＝1转入步骤4.2。
[0054]
步骤4.1，电机运行在最大转矩电流比(mpta)控制模式，通过电机速度调节器输出定子电流is，根据最大转矩电流比算法计算得到d轴电流调节器的给定值和q轴电流调节器的给定值mpta模式下弱磁控制模块的直流输出电流 i
dfw
为零，根据d、q轴电流调节器给定值以及实际反馈值id、iq分别对d、 q轴电流进行pi控制，d、q轴电流调节器的输出电压分别为ud、uq；则最大转矩电流比mpta算法按如下公式计算
[0055][0056]
式中ψf为永磁体磁链，ld、lq分别为是d、q轴电感；
[0057]
步骤4.1结束后返回步骤2。
[0058]
步骤4.2，电机进入弱磁控制模式，虽然步骤4中当modeflg＝0时必须满足δp＞0的条件才能进入弱磁控制模式，但是当modeflg＝1时随着负载工况和电机转速的变化会出现δp＜0和δp＞0两种情况：
[0059]
情况一，δp＞0时，表明系统的输入功率p
em
小于电机额定功率pn且存在一定的裕
量，电机有足够的输出转矩驱动负载到达更高的转速，按传统的电压反馈法进行弱磁控制，根据差值δu＝u
lim-us设计pi调节器，pi调节器的输出δid作为弱磁控制模块的直流输出电流i
dfw
，将i
dfw
和d轴电流给定值叠加，得到弱磁控制的直轴电流i
dref
；弱磁控制的交轴电流i
qref
直接取再根据直轴电流i
dref
计算得到的限幅值对i
qref
限幅，算法公式如下：
[0060][0061][0062]
情况二，δp＜0时，表明系统的输入功率p
em
非常接近电机额定功率pn，增加弱磁电流使电机输出更大转矩驱动负载提高转速的空间有限，这时弱磁控制模块的直流输出电流i
dfw
取最大值δi
d_max
，将i
dfw
和d轴电流给定值叠加，得到弱磁算法直轴电流i
dref
；弱磁算法交轴电流i
qref
直接取同样根据直轴电流i
dref
计算得到的限幅值对i
qref
限幅，算法公式如下：
[0063][0064][0065]
式中i
max
是电机定子绕组可持续运行的最大电流。
[0066]
其中，弱磁控制模块直流输出电流最大值δi
d_max
是在所述情况一的迭代运算中获得的，其取值公式为：
[0067][0068]
式中δid(n-1)、δi
d_max
(n-1)分别为第n-1次迭代运算中弱磁控制模块直流输出电流值及最大值，δid(n)、δi
d_max
(n)分别为第n次迭代运算中弱磁控制模块直流输出电流值及最大值；
[0069]
步骤4.2结束后返回步骤2。
[0070]
实施例
[0071]
参见图1至图4，为本发明方法的一个具体应用实施例的示意图。
[0072]
如图1为本发明基于负载特性的永磁同步电机弱磁控制系统框图，除包括双电阻采样电路、clarke和park变换、最大转矩电流比控制(mtpa)、速度环、 dq轴电流环、park逆变换、转子位置检测和速度计算、svpwm计算以及三相pwm逆变器等单元外，本发明还增加了功率实时计算模块和改进的电压反馈弱磁控制模块。
[0073]
本发明的思路是在传统弱磁控制的电流极限圆和电压极限椭圆图的基础上，实时检测电机负载的情况，增加对电机输出电磁是否大于负载转矩的判断，从而判断电机能否升速。
[0074]
在转子磁场定向同步旋转坐标系中永磁同步电机的稳态电压方程为
[0075][0076]
永磁同步电机电磁转矩方程为
[0077][0078]
式(1)和(2)中，ud为d轴电流调节器的输出电压，uq为q轴电流调节器的输出电压，id为d轴电流实际反馈值，iq为q轴电流实际反馈值；r为定子电阻； ld、lq分别为d、q轴电感；ω为电机的电角速度，ψf为永磁体磁链；pn为电机极对数；
[0079]
d、q轴电流受电机定子绕组可持续运行的最大电流i
max
的限制，满足关系式：
[0080][0081]
d、q轴电压受逆变器最大输出电压u
lim
的限制，满足关系式：
[0082][0083]
式中，u
dc
为逆变器的直流母线电压，在高速区定子电阻的压降相对于d、q 轴电感的压降而言可以忽略不计，这样可以将公式(1)代入公式(4)得到方程：
[0084][0085]
公式(3)为电机运行中的电流极限圆方程，公式(5)为电压极限椭圆方程。将电流极限圆方程、电压极限椭圆和通过公式(2)获得的恒电磁转矩曲线簇画在q 轴电流为纵轴、d轴电流为横轴的坐标系中，如图2所示，永磁同步电机传统的矢量控制就是在图2中针对中低速区和高速区分别采用不同的控制方式。
[0086]
但是如图2所示的图中只讨论了控制系统电流和电压受限制的问题，没有讨论电机输出电磁转矩受限制的问题，实际上任何电机输出的电磁转矩都是有限的，电机能否升速取决于电机输出的电磁转矩与负载转矩的关系，如图3为mpsm 电磁转矩和三种负载转矩曲线示意图。图3中电机输出的电磁转矩在低于弱磁拐点转速时为恒值，这时电机运行在恒转矩模式，常常通过采用mtpa控制模式来达到给定转速；当电机转速高于弱磁拐点转速时电机输出转矩逐渐下降，这时电机运行在恒功率控制模式。传统的弱磁控制是针对图3所示的中等负载和轻负载的情况来研究的，也就是当电机转速高于弱磁拐点转速时才出现电机输出转矩小于负载转矩的情况，但是实际当中负载情况非常复杂，如风机的逆风运行、电动汽车的爬坡运行等。在正常情况下风机负载转矩曲线如图3的中等负载曲线，当风机在强逆风情况下，风机负载转矩曲线如图3的重负载曲线，这时电机转速低于弱磁拐点转速但电机输出转矩已经小于负载转矩，如果在风机重负载情况下仍按传统弱磁控制方法进行控制，可能出现电机的转速无法提高，反而引起功率模块发热严重、电机效率降低和转速抖动等问题。
[0087]
因此本发明在图2中增加了对电机负载转矩的实时检测曲线，其计算按如下公式：
[0088][0089]
其中ud为d轴电流调节器的输出，uq为q轴电流调节器的输出，id为d轴电流实际反
馈值，iq为q轴电流实际反馈值，t
em
电机的负载转矩，ω为电机的电角速度，p
em
为系统输入功率。
[0090]
在工程应用中不能简单的用当前电机转速的升降来判断图2中电机的输出电磁转矩是小于或大于负载转矩。但是电机的额定功率pn对于用户是已知的，因此本发明利用系统输入功率p
em
和电机额定功率pn的关系来判断电机是否有足够的输出转矩驱动负载到达更高的转速。
[0091]
从图2所示的电压极限椭圆方程对应用的公式(5)可见，电机端电压公式
[0092][0093]
上式表明电机端电压us除了电机反电动势(ωψm)为主要构成项外，|ωl
qiq
|也是一个主要构成项，传统的电压反馈弱磁控制法将电机端电压是否达到饱和值作为弱磁控制的判据，在|ωl
qiq
|项比较大时可能存在误断，尤其是在电机重负载情况下。本发明通过实时计算pmsm调速系统的输入功率来分析电机的负载特性，如果输入功率比较小的情况下端电压饱和，则电机端电压的增加的主要是由于电机反电动势的增加造成的；如果输入功率接近电机额定功率情况下端电压达饱和，则可能是由于反电动势的增加造成的，也可能是由于q轴电流的增加，|ωl
qiq
|项增大造成的，这时需要完善和严格现有电压反馈法的弱磁判据。
[0094]
如图4是本发明改进的电压反馈弱磁控制模块结构图，图4中电流调节器输出电压ud、uq，根据公式得到总电压矢量幅值us，将逆变器最大输出电压u
lim
减去us后，根据差值δu＝u
lim-us设计pi调节器，pi调节器的输出δid，然后分两种情况决定弱磁控制模块的直流输出电流i
dfw
的取值，当系统输入功率p
em
小于电机额定功率pn且存在一定的裕量时，i
dfw
＝δid，当系统输入功率 p
em
非常接近电机额定功率pn时，增加弱磁电流也不能使电机输出更大的转矩驱动负载到达更高的转速，i
dfw
取最大值δi
d_max
。
[0095]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。