一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統及其控制方法
2023-09-17 10:39:55 2
專利名稱：一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬於電機領域，尤其涉及到混合動力車用永磁同步電機的弱磁控制方面。
背景技術：
目前，隨著科技的進步和人們環保意識的增強，混合動力車的發展越來越快，永 磁同步電機具有效率高、功率密度大等優點，在電力拖動系統中的應用越來越廣泛。 但由於永磁同步電機的磁場是固定不變的，其在基速以上運行時，不能像感應電機一 樣，通過調節磁場來實現調速，因此不能很好地滿足電機控制的要求，從而制約了它 的應用範圍。
發明內容
本發明的第一個目的是提出一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統，該系統可以 有效地避免由於逆變器的飽和所引起的電機控制器錯誤的發生，為逆變器提供較大的 裕量使其遠離飽和區，從而實現對永磁同步電機高速運行時的弱磁控制，使電機高速 運行時的調速範圍大大提高。
本發明的基於永磁同步電機的弱磁控制系統包括扭矩輸入模塊、扭矩-電流查表 模塊、矢量控制和解耦模塊、空間矢量脈寬調製和逆變器模塊、弱磁控制模塊以及永 磁同步電機；所述扭矩-電流査表模塊接收扭矩輸入模塊的命令並輸出直軸査表電流 和交軸查表電流；所述弱磁控制模塊接收矢量控制和解耦模塊輸出的直軸參考電壓和 交軸參考電壓，並輸出直軸去磁電流分量；所述直軸去磁電流分量與直軸査表電流相 加後再與永磁同步電機輸出的直軸電流相減，其差值輸入矢量控制和解耦模塊；所述 交軸査表電流在與永磁同步電機輸出的交軸電流相減後輸入矢量控制和解耦模塊；所 述矢量控制和解耦模塊輸出直軸參考電壓和交軸參考電壓至空間矢量脈寬調製和逆 變器模塊，矢量脈寬調製和逆變器模塊與永磁同步電機相連。
上述弱磁控制系統引入了弱磁控制模塊，可以根據電機的運行狀況向電機施加直 軸去磁電流分量，從而改變通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持 高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。
本發明的第二個目的是提出上述基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法。
該控制方法的關鍵在於當永磁同步電機在低於基速運行時，弱磁控制模塊不工 作；當永磁同步電機在高於基速運行時，弱磁控制模塊從矢量控制和解耦模塊採集交軸參考電壓值和直軸參考電壓值作為輸入信號，並輸出直軸去磁電流分量到矢量控制 和解耦模塊的直軸電流輸入迴路。
具體來說當永磁同步電機在高於基速運行時，扭矩-電流查表模塊根據輸入的 扭矩命令查扭矩-電流表，並輸出交軸査表電流和直軸査表電流，其中交軸査表電流 與從永磁同步電機輸出的交軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊；弱磁 控制模塊輸出的直軸去磁電流分量與扭矩-電流査表模塊輸出的直軸査表電流疊加後 再與從永磁同步電機輸出的直軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊；矢 量控制和解耦模塊經過計算後輸出直軸參考電壓和交軸參考電壓至空間矢量脈寬調 制和逆變器模塊，再經過空間矢量脈寬調製和逆變器模塊的變換後送到永磁同步電 機。上述扭矩-電流表是根據交軸電感、直軸電感、電機極對數、永磁磁鏈、交直軸 電流、輸出扭矩計算得到的，是建立在大量的實驗數據的基礎上總結出來的特定扭矩 下的最優的矢量控制電流值。
因為永磁同步電機在低於基速運行時無需弱磁控制模塊介入調整，所以此時的控 制方法為扭矩-電流查表模塊根據輸入的扭矩命令査扭矩-電流表，輸出交軸査表電 流和直軸查表電流，其中交軸查表電流與從永磁同步電機輸出的交軸電流相比較，其 差值輸入至矢量控制和解耦模塊；直軸査表電流與從永磁同步電機輸出的直軸電流相 比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊；矢量控制和解耦模塊經過計算後輸出直軸 參考電壓和交軸參考電壓至空間矢量脈寬調製和逆變器模塊，再經過空間矢量脈寬調 制和逆變器模塊的變換後送到永磁同步電機。
上述弱磁控制模塊的具體控制方式如下弱磁控制模塊根據矢量控制和解耦模塊
輸出的直軸參考電壓和交軸參考電壓進行計算後輸出直軸去磁電流分量，所述直軸參 考電壓和交軸參考電壓越大，所輸出的直軸去磁電流分量就越小。
其中，所述弱磁控制模塊包括比例積分控制器和NORM運算器，.所述矢量控制和 解耦模塊輸出的直軸參考電壓和交軸參考電壓經過NORM運算器計算後輸出電壓矢 量，所述電壓矢量與調製電壓相減後，其差值經過比例積分控制器的積分後輸出；所
述NORM運算器中的運算公式為電壓矢量=^^2+"^/2 ，其中Udref為直軸參考電 壓，Uqref為交軸參考電壓，所述調製電壓來自於供電的直流電源模塊，約等於永磁 同步電機的直流母線電壓。 -
考慮到開關器件的死區時間以及電機位置角測量誤差的影響等，為保證計算結果準確，所述調製電壓最好略小於永磁同步電機的直流母線電壓，即調製電壓等於 0. 8 0. 95倍直流母線電壓。
目前的數位訊號處理晶片處理速度已經大大提高，克服了以往由於晶片處理速度 慢對算法複雜度的制約，因此用現有的數位訊號處理晶片就可以實現上述控制算法， 此處不再贅述。
本發明的基於永磁同步電機的弱磁控制系統及其控制方法，通過引入弱磁控制模 塊和相關算法，可以有效調節永磁同步電機在基速以上運轉時的定子電流，防止逆變 器飽和，從而實現了對永磁同步電機高速運行時的弱磁控制。 .
一
圖1是實施例1的基於永磁同步電機的弱磁控制系統的結構圖2是實施例1的弱磁控制模塊的結構圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖來詳細說明本發明。
實施例1:
如圖1所示，本實施例的基於永磁同步電機的弱磁控制系統包括扭矩輸入模塊1、
扭矩-電流查表模塊2、矢量控制和解耦模塊3、空間矢量脈寬調製和逆變器模塊4、 弱磁控制模塊5以及永磁同步電機6;所述扭矩-電流査表模塊2接收扭矩輸入模塊1 的命令並輸出直軸查表電流Idref和交軸査表電流Iqref;所述弱磁控制模塊5接收 矢量控制和解耦模塊3輸出的直軸參考電壓Udref和交軸參考電壓Uqref ，並輸出直 軸去磁電流分量IdfW;所述直軸去磁電流分量IdfW與直軸査表電流Idref相加後再 與永磁同步電機6輸出的直軸電流Id相減，其差值輸入矢量控制和解耦模塊3;所 述交軸査表電流Iqref在與永磁同步電機6輸p的交軸電流Iq相減後輸入矢量控制 和解耦模塊3;所述矢量控制和解耦模塊3輸出直軸參考電壓Udref和交軸參考電壓 Uqref至空間矢量脈寬調製和逆變器模塊4，矢量脈寬調製和逆變器模塊4與永磁同 步電機6相連。
上述基於永磁同步電機的弱磁控制系統的牽制方法如下
當永磁同步電機6在低於基速運行時無需弱磁控制模塊5介入調整，扭矩-電流 査表模塊2根據輸入的扭矩命令査扭矩-電流表，輸出交軸查表電流Iqref和直軸査 表電流Idref，其中交軸査表電流Iqref與從永磁同步電機輸出的交軸電流Iq相減，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊3;直軸査表電流Idref與從永磁同步電機6輸出 的直軸電流Id相減，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊3;矢量控制和解耦模塊3 經過計算後輸出直軸參考電壓Udref和交軸參考電壓Uqref至空間矢量脈寬調製和逆 變器模塊5，再經過空間矢量脈寬調製和逆變器模塊5的變換後送到永磁同步電機6。
當永磁同步電機6在高於基速運行時，扭矩-電流查表模塊2根據輸入的扭矩命 令查扭矩-電流表，並輸出交軸査表電流Iqref和直軸査表電流Idref ，其中交軸査 表電流Iqref與從永磁同步電機6輸出的交軸電流Iq相減，其差值輸入至矢量控制 和解耦模塊3;弱磁控制模塊5輸出的直軸去磁電流分量IdfW與扭矩-電流查表模塊 2輸出的直軸査表電流Idref疊加後再與從永磁同步電機6輸出的直軸電流Id相減， 其差值輸入至矢量控制和解耦模塊3;矢量控制和解耦模塊3經過計算後輸出直軸參 考電壓Udref和交軸參考電壓Uqref至空間矢量脈寬調製和逆變器模塊4，再經過空 間矢量脈寬調製和逆變器模塊4的變換後送到永磁同步電機6。
如圖2所示，上述弱磁控制模塊5包括比例積分控制器51和NORM運算器52,所 述矢量控制和解耦模塊3輸出的直軸參考電壓Udref和交軸參考電壓Uqref經過NORM 運算器52計算後輸出電壓矢量，所述電壓矢量與調製電壓相減後，其差值經過比例 積分控制器51的積分後輸出；所述NORM運算器52中的運算公式為電壓矢量 =V"+",所述調製電壓約等於永磁同步電機6的直流母線電壓。
考慮到開關器件的死區時間以及電機位置角測量誤差的影響等，所述調製電壓最 好略小於永磁同步電機6的直流母線電壓，即i慮制電壓等於0. 8 0. 95倍直流母線電 壓。
權利要求
1、一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統，其特徵在於該系統包括扭矩輸入模塊、扭矩-電流查表模塊、矢量控制和解耦模塊、空間矢量脈寬調製和逆變器模塊、弱磁控制模塊以及永磁同步電機；所述扭矩-電流查表模塊接收扭矩輸入模塊的命令並輸出直軸查表電流和交軸查表電流；所述弱磁控制模塊接收矢量控制和解耦模塊輸出的直軸參考電壓和交軸參考電壓，並輸出直軸去磁電流分量；所述直軸去磁電流分量與直軸查表電流相加後再與永磁同步電機輸出的直軸電流相減，其差值輸入矢量控制和解耦模塊；所述交軸查表電流在與永磁同步電機輸出的交軸電流相減後輸入矢量控制和解耦模塊；所述矢量控制和解耦模塊輸出直軸參考電壓和交軸參考電壓至空間矢量脈寬調製和逆變器模塊，矢量脈寬調製和逆變器模塊與永磁同步電機相連。
2、 一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法，其特徵在於當永磁同步電 機在低於基速運行時，弱磁控制模塊不工作；當永磁同步電機在高於基速運行時， 弱磁控制模塊從矢量控制和解耦模塊採集交軸參考電壓值和直軸參考電壓值作為 輸入信號，並輸出直軸去磁電流分量到矢量控制和解耦模塊的直軸電流輸入迴路。
3、 根據權利要求2所述的基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法，其特徵在 於當永磁同步電機在高於基速運行時，扭矩-電流査表模塊根據輸入的扭矩命令 查扭矩-電流表，並輸出交軸査表電流和直軸查表電流，其中交軸査表電流與從永 磁同步電機輸出的交軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊；弱磁控 制模塊輸出的直軸去磁電流分量與扭矩-電流查表模塊輸出的直軸査表電流疊加 後再與從永磁同步電機輸出的直軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模 塊；矢量控制和解耦模塊經過計算後輸出直軸參考電壓和交軸參考電壓至空間矢 量脈寬調製和逆變器模塊，再經過空間矢量脈寬調製和逆變器模塊的變換後送到 永磁同步電機。
4、 根據權利要求3所述的基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法，其特徵在 於當永磁同步電機在低於基速運行時，扭矩-電流査表模塊根據輸入的扭矩命令 査扭矩-電流表，輸出交軸査表電流和直軸査表電流，其中交軸查表電流與從永磁 同步電機輸出的交軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模塊；直軸查表 電流與從永磁同步電機輸出的直軸電流相比較，其差值輸入至矢量控制和解耦模 塊；矢量控制和解耦模塊經過計算後輸出直軸參考電壓和交軸參考電壓至空間矢量脈寬調製和逆變器模塊，再經過空間矢量脈寬調製和逆變器模塊的變換後送到 永磁同步電機。
5、 根據權利要求2或3或4所述的基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法，其特 徵在於所述弱磁控制模塊根據矢量控制和解耦模塊輸出的直軸參考電壓和交軸 參考電壓進行計算後輸出直軸去磁電流分量，所述直軸參考電壓和交軸參考電壓 越大，所輸出的直軸去磁電流分量就越小。
6、 根據權利要求5所述的基於永磁同步電機的弱磁控制系統的控制方法，其特徵在 於所述弱磁控制模塊包括比例積分控制器和NORM運算器，所述矢量控制和解耦 模塊輸出的直軸參考電壓和交軸參考電壓經過NORM運算器計算後輸出電壓矢量， 所述電壓矢量與調製電壓相減後，其差值經過比例積分控制器的積分後輸出；所 述NORM運算器中的運算公式為電壓矢量二V"dref2+"忡/2 ，其中Udref為直軸參考 電壓，Uqref為交軸參考電壓，所述調製電壓約等於永磁向步電機的直流母線電壓。
7、 根據權利要求6所述的基於永磁同步電機的弱磁控制系統，其特徵在於所述調製電 壓略小於永磁同步電機的直流母線電壓。
全文摘要
本發明的目的是提出一種基於永磁同步電機的弱磁控制系統及其控制方法，該控制系統包括依次相連的扭矩輸入模塊、扭矩-電流查表模塊、矢量控制和解耦模塊、空間矢量脈寬調製和逆變器模塊以及永磁同步電機，另外，永磁同步電機還反饋電流信號至矢量控制和解耦模塊；該系統還包括一個弱磁控制模塊，該模塊接收矢量控制和解耦模塊輸出的直軸參考電壓和交軸參考電壓，並輸出直軸去磁電流分量到矢量控制和解耦模塊的直軸電流輸入迴路。該系統可以有效地避免由於逆變器的飽和所引起的電機控制器錯誤的發生，為逆變器提供較大的裕量使其遠離飽和區，從而實現對永磁同步電機高速運行時的弱磁控制，使電機高速運行時的調速範圍大大提高。
文檔編號H02P6/08GK101626216SQ20091004165
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者波 宋, 瑛 王, 陳立衝 申請人:奇瑞汽車股份有限公司