一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法與流程
2023-09-17 10:26:10 6
本發明是一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法，屬於電機驅動與控制技術領域。
背景技術：
由於具有高效率、高轉矩密度、高功率密度等優點，近幾年永磁同步電機(PMSM)備受關注。永磁同步電機使用永磁體建立磁場，永磁磁鏈是不可控的，因此，電機的反電動勢和轉速成正比。此外，電機驅動系統中母線電壓通常為固定值，這使得永磁同步電機的轉速範圍是有限的。然而，在很多場合需要更寬的轉速範圍，例如電動汽車和軌道交通。為此，永磁同步電機驅動常使用弱磁控制來拓寬轉速範圍。
迄今為止，國內外學者提出了大量永磁同步電機的弱磁控制策略，但是，大多數弱磁方案都是針對內嵌式永磁同步電機的。和內嵌式永磁同步電機相比，表貼式永磁同步電機的弱磁能力有限。但是，由於簡單的結構，表貼式永磁同步電機的造價更低。因此，如果有足夠的弱磁能力，在很多應用場合表貼式永磁同步電機更為合適，例如伺服驅動系統。本文針對表貼式永磁同步電機提出了一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法。目前針對表貼式永磁同步電機的弱磁控制方法大致可以分為以下三類：
1.基於數學模型的永磁同步電機弱磁控制方法。
這一類方法直接通過精確的電機數學模型計算參考電流，可以實現快速的動態響應。這類方法具有理論性強的優點，但是，其缺點也很明顯，通過電機數學模型計算參考電流對電機參數的精確性要求很高，其弱磁控制效果易受電機參數變化的影響。此外，這種方法引入了電機的數學模型，計算量較大，對控制器計算速度要求高。
2.基於q軸電流誤差的永磁同步電機弱磁控制方法。
這一類方法首先計算出q軸電流誤差，將d軸電流參考值按照和q軸電流誤差成正比來給定。這類方法具有原理簡單，計算量小的優點。其缺點是為了獲得d軸電流參考值，q軸電流誤差不能被消除，這造成了弱磁控制的不穩定性。
3.基於過調製的永磁同步電機弱磁控制方法。
這一類方法通過PI控制器確定電流參考值，PI控制器的輸入是電壓源逆變器輸出的電壓矢量和最大輸出電壓圓半徑之差。這類方法具有原理簡單，對電機參數精確性要求低的優點。但是該方法需要通過過調製策略來提高母線電壓利用率，此外還需要設計低通濾波器。
技術實現要素：
技術問題：本發明的目的就是提出一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法，該方法適用於表貼式永磁同步電機，且簡單易行，對硬體系統要求低。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明提出一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法，包括以下步驟：
通過磁場定向控制方法計算得到dq軸參考電壓；
利用線調製策略求得最大線電壓調製比；
通過減小d軸電流將最大線電壓調製比調節到1來進行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線電壓利用率，提高永磁同步電機轉速範圍。
進一步地，提供一種基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法，依次包含以下步驟：
第一步：用電流傳感器分別測量電機的a相電流ia、b相電流ib和c相電流ic，用電壓傳感器測量直流母線電壓udc；
第二步：根據永磁同步電機的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和轉子位置θ，通過式(1)計算得到d軸電流id和q軸電流iq：
第三步：根據目標轉速ω*、實際轉速ω、轉速調節器比例係數kp,ω和轉速調節器積分係數ki,ω，通過式(2)計算得到q軸電流初始參考值
第四步：根據電機最大電流Imax和d軸電流參考值通過式(3)計算得到q軸電流最大值iq_max，其中，d軸電流參考值的初始值為0；再根據q軸電流初始參考值和q軸電流最大值iq_max，通過式(4)計算得到q軸電流參考值
第五步：根據d軸電流id、q軸電流iq，d軸電流參考值q軸電流參考值電流調節器比例係數kp和電流調節器積分係數ki，通過式(5)計算得到d軸電壓參考值和q軸電壓參考值其中，d軸電流參考值的初始值為0：
第六步：根據d軸電壓參考值q軸電壓參考值和轉子位置θ，通過式(6)計算得到三相電壓參考值，即a相電壓參考值b相電壓參考值和c相電壓參考值再根據三相電壓參考值，通過式(7)計算得到線電壓參考值和
第七步：根據線電壓參考值和母線電壓udc，通過式(8)計算得到線電壓調製比mac、mbc和mcc，其中，線電壓調製比為線電壓參考值和母線電壓之比；其中，為a相引出線和b相引出線之間的電壓的參考值；
第八步：根據線電壓調製比mac、mbc和mcc，通過式(9)計算得到基於c相的最大線電壓調製比mmax,c和基於c相的最小線電壓調製比mmin,c；再根據mmax,c和mmin,c，通過式(10)計算得到最大線電壓調製比mmax：
mmax＝mmax,c-mmin,c 式(10)
第九步：根據線調製比調節器比例係數kp,m、線調製比調節器積分係數ki,m和最大線電壓調製比mmax，通過式(11)計算得到d軸電流初始參考值再根據d軸電流初始參考值和電機最大電流Imax，通過式(12)得到d軸電流參考值並將此處計算得到的d軸電流參考值作為下一個控制周期中第四步和第五步所用到的d軸電流參考值
其中，
第十步：根據基於c相的最大線電壓調製比mmax,c和基於c相的最小線電壓調製比mmin,c，通過式(13)計算得到c相最小佔空比δc_min和c相最大佔空比δc_max；再根據c相最小佔空比δc_min和c相最大佔空比δc_max，通過式(14)計算得到c相佔空比δc：
第十一步：根據線電壓調製比mac、mbc和c相佔空比δc，通過式(15)計算得到a相佔空比δa和b相佔空比δb：
第十二步：將電機的三相佔空比(δa，δb，δc)和三角波進行比較得到開關信號(sa，sb，sc)，進而控制逆變器驅動電機。
有益效果：該基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制方法通過磁場定向控制方法計算得到dq軸參考電壓，利用線調製策略求得最大線電壓調製比，通過減小d軸電流將最大線電壓調製比調節到1來進行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線電壓利用率，簡單易行。具體到本發明的技術方案，具有如下優點：
1.與現有的基於數學模型的永磁同步電機弱磁控制方法相比，本發明方法不需要電機數學模型，也不需要精確的電機參數，計算量小，魯棒性高。
2.與現有的基於q軸電流誤差的永磁同步電機弱磁控制方法相比，本發明方法根據線電壓調製比進行弱磁，與q軸電流誤差無關，穩定性高。
3.與現有的基於過調製的永磁同步電機弱磁控制方法相比，本發明方法不需要過調製，也不需要低通濾波器，簡單易行。
附圖說明
圖1是基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制結構示意圖。
圖2是電壓軌跡示意圖。
圖3a至圖3f是實驗結果示意圖。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明的實施例進行說明。
本發明的實施例的驅動系統包括：直流電壓源、逆變電路、永磁同步電機、驅動電路、電壓採樣電路、電流採樣電路、中央處理器。直流電壓源給逆變電路提供直流母線電壓，電壓採樣電路測量直流母線電壓，電流採樣電路測量電機三相電流。
本實施例中表貼式永磁同步電機的參數為：額定相電壓UN＝220V，極對數pn＝4，定子相電阻Rs＝0.625Ω，直軸電感Ld＝8.5mH，交軸電感Lq＝8.5mH，永磁磁鏈ψf＝0.442Wb。具體實驗條件為：母線電壓200V，開關頻率20kHz，負載轉矩5Nm。
如圖1所示，實施例包含的具體步驟如下：
第一步：用電流傳感器分別測量電機的a相電流ia、b相電流ib和c相電流ic，用電壓傳感器測量直流母線電壓udc；
第二步：根據永磁同步電機的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和轉子位置θ，通過式(1)計算得到d軸電流id和q軸電流iq：
第三步：根據目標轉速ω*、實際轉速ω、轉速調節器比例係數kp,ω和轉速調節器積分係數ki,ω，通過式(2)計算得到q軸電流初始參考值
第四步：根據電機最大電流Imax和d軸電流參考值通過式(3)計算得到q軸電流最大值iq_max，其中，d軸電流參考值的初始值為0；再根據q軸電流初始參考值和q軸電流最大值iq_max，通過式(4)計算得到q軸電流參考值
第五步：根據d軸電流id、q軸電流iq，d軸電流參考值q軸電流參考值電流調節器比例係數kp和電流調節器積分係數ki，通過式(5)計算得到d軸電壓參考值和q軸電壓參考值其中，d軸電流參考值的初始值為0：
第六步：根據d軸電壓參考值q軸電壓參考值和轉子位置θ，通過式(6)計算得到三相電壓參考值，即a相電壓參考值b相電壓參考值和c相電壓參考值再根據三相電壓參考值，通過式(7)計算得到線電壓參考值和
第七步：根據線電壓參考值和母線電壓udc，通過式(8)計算得到線電壓調製比mac、mbc和mcc，其中，線電壓調製比為線電壓參考值和母線電壓之比；其中，為a相引出線和b相引出線之間的電壓的參考值；
第八步：根據線電壓調製比mac、mbc和mcc，通過式(9)計算得到基於c相的最大線電壓調製比mmax,c和基於c相的最小線電壓調製比mmin,c；再根據mmax,c和mmin,c，通過式(10)計算得到最大線電壓調製比mmax：
mmax＝mmax,c-mmin,c 式(10)
第九步：根據線調製比調節器比例係數kp,m、線調製比調節器積分係數ki,m和最大線電壓調製比mmax，通過式(11)計算得到d軸電流初始參考值再根據d軸電流初始參考值和電機最大電流Imax，通過式(12)得到d軸電流參考值並將此處計算得到的d軸電流參考值作為下一個控制周期中第四步和第五步所用到的d軸電流參考值
其中，
第十步：根據基於c相的最大線電壓調製比mmax,c和基於c相的最小線電壓調製比mmin,c，通過式(13)計算得到c相最小佔空比δc_min和c相最大佔空比δc_max；再根據c相最小佔空比δc_min和c相最大佔空比δc_max，通過式(14)計算得到c相佔空比δc：
第十一步：根據線電壓調製比mac、mbc和c相佔空比δc，通過式(15)計算得到a相佔空比δa和b相佔空比δb：
第十二步：將電機的三相佔空比(δa，δb，δc)和三角波進行比較得到開關信號(sa，sb，sc)，進而控制逆變器驅動電機。
本發明通過減小d軸電流將最大線電壓調製比調節到1來進行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形(如圖2所示)，可以最大程度提高母線電壓利用率，減小銅耗。實驗中母線電壓為200V，參考轉速設置為800r/min，實驗結果如圖3所示，包括轉速、三相電流、dq軸電流、最大線調製比、電壓軌跡，控制效果良好，實現了基於線電壓調製的永磁同步電機弱磁控制。其中，電壓軌跡為六邊形，與理論相符。
總之，本發明的技術方案首先通過磁場定向控制方法計算得到dq軸參考電壓，利用線調製策略求得最大線電壓調製比，通過減小d軸電流將最大線電壓調製比調節到1來進行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線電壓利用率，提高永磁同步電機轉速範圍。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本領域的技術人員應該了解，本發明不受上述具體實施例的限制，上述具體實施例和說明書中的描述只是為了進一步說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護的範圍由權利要求書及其等效物界定。