CN103762922A - 一种交流伺服弱磁调速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流伺服弱磁调速的方法，该方法首先测出各电机温度对应的磁链，然后在基速下测出不同转矩时对应的直轴电感和交轴电感，接着根据牛顿迭代法求解电压极限方程和转矩方程，得出定子直轴电流和交轴电流的给定值，制成不同温度、不同转矩、不同转速对应的转矩-转速表。根据电机温度选择相应温度段的转矩-转速表，再根据转矩参考值和实际反馈转速确定电机的交、直轴电流给定值。该方法根据实际工况要求同时得出交、直轴电流参考值，提高了***的快速响应性能。同时，由于不同转矩-速度表的制定考虑了直交轴电感随转矩的变化以及磁链随电机内部温度的变化，避免了电机运行状态的变化而导致参数漂移的影响，提高了***的控制精度。

Description

一种交流伺服弱磁调速的方法

技术领域

本发明涉及一种交流伺服弱磁调速的方法，尤其涉及考虑电机参数随电机运行状态而改变对交流伺服进行弱磁调速，属于工业自动化控制领域。

背景技术

目前，伺服***广泛应用于送料、机器人及注塑等行业，这些应用场合要求伺服***既能在基速以下输出恒定转矩，又能在基速以上进行恒功率升速。随着电机转速增大，电机反电势会增大，将会导致定子端电压大于母线电压，从而引起电流调节器的饱和，为了获得较宽的调速范围，伺服***通常采用弱磁控制技术。

上述应用场合，一般采用适用于弱磁具有凸极效应的电机，以及相应的弱磁控制方法。传统的弱磁控制方法，需推导出转速与直轴电流的关系式，根据转速变化来调整交轴电流i_q，然后根据公式求出当前直轴电流i_d，并未考虑电机参数如交轴电感L_d、直轴电感L_q以及磁链ψ_f随着电机运行状态的变化而出现漂移的问题。因此，***在动态响应和控制精度上都达不到满意的性能。

发明内容

本发明公开了一种交流伺服弱磁调速的方法，该方法考虑了电机参数随电机运行状态的变化而改变的问题，提高了弱磁控制的响应性能和控制精度。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一种交流伺服弱磁调速的方法，包括以下步骤：

第一步：测得电机内部温度不同时对应的磁链，得到温度-磁链表；

第二步：测试电机处于不同转矩时对应的直轴电感和交轴电感，获取转矩-直交轴电感表，测试方法为：使电机速度处于基速，测试转矩在零到最大值这一区间内对应的直轴电感和交轴电感；

第三步：给定电机温度、转速和转矩，其中转速应大于基速，通过查找温度-磁链表得到磁链，通过查找转矩-直交轴电感表得到直轴电感和交轴电感，将转速、转矩、磁链、直轴电感和交轴电感的值代入电压极限方程(L_di_d+ψ_f)²+(L_qi_q)²≤(u_smax/ω_r)²和转矩方程T_e＝P_n[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]内，其中，u_smax为逆变器输出最大电压幅值，ω_r为转速，T_e为转矩，ψ_f为磁链，P_n为电机极对数，L_d、L_q为直、交轴电感，i_d、i_q为直、交轴电流；根据牛顿迭代法求解电压极限方程和转矩方程，得出定子直轴电流和交轴电流的给定值；

第四步：重复步骤三，求解出电机温度范围内每个温度值、转速在基速到最大转速区间内的每个转速值以及转矩在零到最大转矩区间内的每个转矩值对应的定子直轴电流和交轴电流的给定值，得到不同温度对应的转速-转矩表；

第五步：获取电机反馈的实际转速和转矩，依照设定原则根据当前实际转速判断是否需要进行弱磁控制，如果需要进行弱磁控制，则通过转速-转矩表确定定子直轴电流和交轴电流的给定值，使用该直轴电流和交轴电流的给定值对电机进行弱磁控制。

本发明方法根据运行时的电机内部温度选择相应温度段的转速-转矩表，再根据转矩参考值和实际反馈转速实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该方法可以根据实际工况要求同时得出交、直轴电流参考值，因此可以有效地提高***的快速响应性能。同时，由于不同转速-转矩表的制定考虑了直交轴电感随转矩的变化以及磁链随电机内部温度的变化，避免了电机运行状态的变化而导致参数漂移的影响，提高了***的控制精度。

附图说明

图1是凸极式电机电压极限椭圆和电流极限圆示意图。

图2是凸极式电机弱磁运行轨迹。

图3是使用本发明方法进行弱磁控制的***框图。

图4是定子电流矢量轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

由于电机和逆变器的电压、电流都有一定的限制，因此电机运行时，其端电压和定子电流不能超出极限值u_smax、i_smax，电压和电流极限方程分别为式(1)和式(2)所示：

(L_di_d+ψ_f)²+(L_qi_q)²≤(u_smax/ω_r)²   (1)

$i_d^2+i_q^2\≤i_{s\max }^2---\left(2\right)$

其中，ω_r为转速，ψ_f为磁链，L_d、L_q为直、交轴电感，i_d、i_q为直、交轴电流，i_smax、u_smax为电机最大电流幅值与逆变器输出最大电压幅值。

从式(1)可以看出，对于每一个转速ω_r都对应着直交轴电流dq坐标系下的一个电压极限椭圆（中心为-ψ_f/L_d，0），且椭圆的两轴长度随着电机转速ω_r的增大而逐渐减小，因此电压极限椭圆是一簇椭圆曲线。式(2)对应的轨迹是dq坐标系下以原点为圆心的圆，称为电流极限圆，电机稳定运行时，定子电流也必须落在电流极限圆轨迹之内。

永磁同步电机每个运行状态都有一个定子电流矢量与其对应，该电流矢量同时受电压极限方程和电流极限方程的限制，在i_d、i_q坐标平面内该矢量只能处于电压极限轨迹和电流极限轨迹的交集内。从上述分析可知，电机弱磁稳定运行时，定子直交轴电流i_d、i_q必须同时满足电压极限方程(式1)、电流极限方程(式2)以及转矩方程(式3)，对于某一确定转速ω_r，定子电流矢量必落在图1中ABCDEF所包围区域的转矩曲线上。

T_e＝P_n[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]   (3)

其中，T_e为转矩，ψ_f为磁链，P_n为电机极对数，L_d、L_q为直、交轴电感，i_d、i_q为直、交轴电流。

图2中，对于某一确定转速ω_r，转矩曲线与电压极限椭圆及电流极限圆各有一个交点M、N，那么定子直交轴电流i_d、i_q电流矢量落在图2所示MN曲线上均符合控制要求。考虑到直轴电流会产生直轴电枢反应，从而使永磁体退磁，实际中选取定子电流d轴分量最小的M点，即电压极限椭圆与转矩曲线的交点，因此可通过求解电压极限椭圆方程和转矩方程获取定子直交轴电流的给定值。

要求解电压极限椭圆方程（1）和转矩方程（3），需要首先给定对应的电机参数，即转速ω_r、转矩T_e、磁链ψ_f以及直、交轴电感L_d、L_q。随着温度的变化，永磁体磁钢工作点发生变化，磁链ψ_f随着温度的升高变小。首先，通过实验测试得不同温度下对应的磁链ψ_f，得出温度-磁链表。因为在某一温度段内，磁链ψ_f的变化可能很小，所以可以根据实际情况把温度分为常温、中温和高温三个温度段，分别测试在不同温度段下的磁链ψ_f。直、交轴电感L_d、L_q的值几乎不随转速的变化而变化，但随转矩的增大而减小，故在电子运行在基速的情况下，测试转矩T_e在零到转矩最大值区间内每个转矩对应的直、交轴电感L_d、L_q。因为转矩在某一范围内变化时，相应的直、交轴电感L_d、L_q可能几乎不变，所以根据实际情况把转矩T_e分成多个区间，测试得出各个区间对应的直、交轴电感L_d、L_q，得出转矩-直、交轴电感表。

得出温度-磁链表和转矩-直、交轴电感表之后，需要计算不同温度、转速和转矩所对应的定子直轴电流和交轴电流的给定值。首先，选取某一温度区间，通过查找温度-磁链表找到对应的磁链ψ_f，将磁链ψ_f的值代入上述电压极限椭圆方程（1）和转矩方程（3）；然后，设定转速ω_r（为了应用弱磁控制，所设定的转速应当在基速和转速最大值范围内）和转矩T_e，确定转矩所属的区间，通过查找转矩-直、交轴电感表找到此转矩对应的直、交轴电感L_d、L_q，将转速ω_r、转矩T_e和直、交轴电感L_d、L_q的值代入电压极限椭圆方程（1）和转矩方程（3）；最后，采用牛顿迭代法，根据不同的转矩和转速求解定子直交轴电流给定值。这样可以作成不同温度下(可大致分为常温、中温和高温三个温度段)的转速-转矩表。

根据电机反馈的实际转速判断是否需要进行弱磁控制的判断原则可结合图4进行详细描述。

在图4中，各点的含义如下：

O点为坐标原点；

G点是电流极限圆与q轴的交点，这样G点坐标即为(0，i_smax)，这样经过G的电压极限椭圆对应的转速ω_G即可根据i_d=0，i_q=i_smax代入电压极限方程（公式(1)）解出；

H点是与q轴相切的电压极限椭圆与电流极限圆的交点，与q轴相切的电压极限椭圆经过原点O，这样经过H点的电压极限椭圆对应的转速ω_H即可根据i_d=0，i_q=0代入电压极限方程（公式(1)）解出；

P点是与电流极限圆相切的电压极限椭圆与电流极限圆点的交点，P点坐标即为(-i_smax，0)，这样经过P点的电压极限椭圆对应的转速ω_P即可根据i_d=-i_smax，i_q=0代入电压极限方程(式1)解出；

Q点为电压极限椭圆的中心点，Q点坐标为(-ψ_f/L_d，0)。

设定给定转速为ω^*，将全速段分为四个区间：

区间1（ω^*≤ω_G）：此区间电机转速低于基速，为恒转矩区，采用id=0的控制策略。

区间2（ω_G＜ω^*＜ω_H）：电机运行于此区间时，相应转速对应的电压极限椭圆与q轴都存在交点，因此可采用i_d=0控制或进行弱磁控制，选择控制方式依据如下：电压极限方程(即式(1))中令i_d=0，ω_r＝ω^*，解得

转矩方程(即式(3))中令i_d=0，解得i_qT0＝T_e/(p_nψ_f)，若i_qT0＞i_qu0则按弱磁控制方式运行，否则按i_d=0方式控制。

区间3（ω_H＜ω^*＜ω_P）：转速高于ω_H运行时的电压极限椭圆与q轴无交点，只能进行弱磁控制。

区间4（ω^*≥ω_P）：当ψ_f/L_d＞i_smax时，区间4不存在，即在P点达到最高转速；当ψ_f/L_d＜i_smax时，区间4存在，电压极限椭圆与q轴无交点，只能进行弱磁控制，i_d、i_q沿着电压极限椭圆取值，并在Q点达到最高转速。

根据以上分析，可以知道区间1为i_d=0控制，区间2可采用i_d=0控制或进行弱磁控制，区间3、4必须采用弱磁控制。

简化的是否进行弱磁控制的原则也可以为：基速以下采用i_d=0控制，基速以上采用弱磁控制。基速的理论值即为ω_H，若采用简化的方法，实际选择的基速根据实验测试调整，一般低于计算的理论值，留有一定的余量。

使用本发明方法进行弱磁控制的***框图如图3所示，主要包括速度PI调节器、控制方式判断及切换处理模块、弱磁控制模块、电流PI调节器、直/交变换、2/3变换、Park变换、Clark变换、SVPWM。

Claims (1)

1.一种交流伺服弱磁调速的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）测得电机内部温度不同时对应的磁链，得到温度-磁链表；

（2）测试电机处于不同转矩时对应的直轴电感和交轴电感，获取转矩-直交轴电感表，测试方法为：使电机速度处于基速，测试转矩在零到最大值这一区间内对应的直轴电感和交轴电感；

（3）给定电机温度、转速和转矩，其中转速应大于基速，通过温度-磁链表确定磁链，通过转矩-直交轴电感表确定直轴电感和交轴电感，将转速、转矩、磁链、直轴电感和交轴电感的值代入电压极限方程(L_di_d+ψ_f)²+(L_qi_q)²≤(u_smax/ω_r)²和转矩方程T_e＝P_n[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]内，其中，u_smax为逆变器输出最大电压幅值，ω_r为转速，T_e为转矩，ψ_f为磁链，P_n为电机极对数，L_d、L_q为直、交轴电感，i_d、i_q为直、交轴电流；根据牛顿迭代法求解电压极限方程和转矩方程，得出定子直轴电流和交轴电流的给定值；

（4）重复步骤（3），求解出电机温度范围内每个温度值、转速在基速到最大转速区间内的每个转速值以及转矩在零到最大转矩区间内的每个转矩值对应的定子直轴电流和交轴电流的给定值，得到不同温度对应的转速-转矩表；

（5）获取电机反馈的实际转速和转矩，依照设定原则根据当前实际转速判断是否需要进行弱磁控制，如果需要进行弱磁控制，则通过转速-转矩表确定定子直轴电流和交轴电流的给定值，使用该直轴电流和交轴电流的给定值对电机进行弱磁控制。

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