CN107346951B - 永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置 - Google Patents

永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置，属于永磁同步电机控制领域。所述永磁同步电机***的弱磁控制方法包括：获取永磁同步电机***在矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、第一时间和第二时间能够确定期望输出电压；获取永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于PWM周期和第三时间确定关于弱磁电流的参考时间；以及基于参考时间、第一时间和第二时间确定弱磁电流的大小，以使永磁同步电机***根据弱磁电流进行弱磁控制。由此，有效增大了永磁同步电机***的电压矢量调制范围，并使得本发明实施例易于实施。

Description

永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体地涉及一种永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置。
背景技术
永磁同步电机以其控制性能好、功率密度高、节能等特点，已经在各行各业中得到广泛的应用。在很多应用场合，要求永磁同步电机能够在高速范围运行，继而需要对电机进行弱磁控制。
相关技术中的永磁同步电机***的弱磁控制方法大多基于线性调制区，其无法满足很多需要深度弱磁的应用场合。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种永磁同步电机***的弱磁控制方法及装置，以提供一种全新的弱磁控制方案以至少解决现有技术中的弱磁控制基于线性调制区和应用范围受限的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种永磁同步电机***的弱磁控制方法，该永磁同步电机***配置有矢量控制周期和PWM周期，该方法包括：获取所述永磁同步电机***在所述矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于所述第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、所述第一时间和所述第二时间能够确定期望输出电压；获取所述永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间；以及基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小，以使所述永磁同步电机***根据所述弱磁电流进行弱磁控制。
可选的，所述基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小包括：将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小。
可选的，所述基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间包括：将所述PWM周期与所述第三时间的差确定为所述参考时间。
可选的，将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小包括：确定所述第一时间与第二时间的和，并对所述第一时间与第二时间的和减去所述参考时间所得到的差值执行符合所述预设的PI控制模型的PI变换来确定所述弱磁电流的大小。
可选的，所述基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小包括：基于预设定的弱磁电流阈值来对所述弱磁电流的大小进行限幅，以使所述永磁同步电机***根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。
可选的，所述基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小包括：基于预设定的输出电流阈值和限幅后的所述弱磁电流的大小确定定子电流的q轴阈值；以及获取所述定子电流的q轴分量大小，并利用所述定子电流的q轴阈值对所获取的所述定子电流的q轴分量大小进行限幅。
本发明实施例另一方面提供一种永磁同步电机***的弱磁控制装置，该永磁同步电机***配置有矢量控制周期和PWM周期，其中该装置包括：矢量时间获取单元，用于获取所述永磁同步电机***在所述矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于所述第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、所述第一时间和所述第二时间能够确定期望输出电压；弱磁时间确定单元，用于获取所述永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间；以及弱磁大小确定单元，用于基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小，以使所述永磁同步电机***根据所述弱磁电流进行弱磁控制。
可选的，所述弱磁大小确定单元用于将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小。
可选的，所述弱磁时间确定单元用于将所述PWM周期与所述第三时间的差确定为所述参考时间。
可选的，所述弱磁大小确定单元用于确定所述第一时间与第二时间的和，并对所述第一时间与第二时间的和减去所述参考时间所得到的差值执行符合所述预设的PI控制模型的PI变换来确定所述弱磁电流的大小。
可选的，所述弱磁大小确定单元用于基于预设定的弱磁电流阈值来对所述弱磁电流的大小进行限幅，以使所述永磁同步电机***根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。
可选的，所述弱磁大小确定单元包括：q轴阈值确定模块，用于基于预设定的输出电流阈值和限幅后的所述弱磁电流的大小确定定子电流的q轴阈值；q轴电流获取模块，用于获取所述定子电流的q轴分量大小；q轴电流限幅模块，用于利用所述定子电流的q轴阈值对所获取的所述定子电流的q轴分量大小进行限幅。
本发明实施例还一方面提供一种永磁同步电机***，包括根据权利要求上述的永磁同步电机***的弱磁控制装置。
通过上述技术方案，利用与期望输出电压相对应的第一时间和第二时间来确定弱磁电流所将作用的参考时间，以及利用该参考时间来确定弱磁电流的大小，使得对电机***的调制并不仅仅是线性的电压矢量调制，并能够将合成期望电压输出从圆拓展到正六边形，由此有效增大了永磁同步电机***的电压矢量调制范围，具有更广的应用范围；并且，本发明实施例中所选用的参数都是较易于获得的，不需要额外的计算，使得本发明实施例易于实施且能够有效提高弱磁电流的实时响应效率。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制方法的流程示意图；
图3示出了图2所示的永磁同步电机***的弱磁控制方法的原理示意图；
图4示出的是本发明一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制装置的结构示意图。
附图标记说明
30 弱磁控制装置 301 矢量时间获取单元
302 弱磁时间确定单元 303 弱磁大小确定单元
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
参见图1示出的是本发明一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制方法的流程示意图，该永磁同步电机***配置有矢量控制周期和PWM周期，关于矢量控制周期和PWM周期的解释，可以参照相关技术中的说明，更具体地，永磁同步电机***的矢量控制是基于PWM技术来实现的，所以该矢量控制周期一般可以是PWM周期的整数倍。如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤101：获取永磁同步电机***在矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、第一时间和第二时间能够确定期望输出电压；
需要说明的是，在当前实施永磁同步电机***的矢量控制的PWM逆变器共有8种工作状态，并相应地设置有6个有效工作矢量(也就是基本电压矢量)和2个零矢量，并由此将矢量控制分为6个扇区，一般可以基于两个相邻基本电压矢量所分别作用的时间在扇区区域内进行合成，由此能够得到期望输出电压，但是上文描述仅为示例，并不应作为是对本实施例的限定，例如也可以是利用相间隔的两个基本电压矢量来合成该期望输出电压。
步骤102：获取永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于PWM周期和第三时间确定关于弱磁电流的参考时间；
作为示例，可以是将PWM周期与第三时间的差确定为参考时间，当然可以理解的是，将PWM周期与第三时间通过其他方式的数学转换变形，例如通过乘、除等方式所得到的结果也可以被用来作为参考时间，且都属于本发明实施例的保护范围。可以理解的是，零矢量所作用的时间越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长，能够使得零矢量的***有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾；并且，若在零矢量处对电流/电压信号进行采样时，一般需要零矢量所作用的第三时间应不小于信号采样的最小时间。
步骤103：基于参考时间、第一时间和第二时间确定弱磁电流的大小，以使永磁同步电机***根据弱磁电流进行弱磁控制。
在本发明实施例中，利用与期望输出电压相对应的第一时间和第二时间来确定弱磁电流所将作用的参考时间，以及利用该参考时间来确定弱磁电流的大小，使得对电机***的调制并不仅仅是线性的电压矢量调制，并能够将合成期望电压输出从圆拓展到正六边形，由此有效增大了永磁同步电机***的电压矢量调制范围；并且，本发明实施例中所选用的参数都是较易于获得的，例如第一时间和第二时间可以通过实时的采集和检测来获得，而当PWM控制模式确定的情况下第三时间和PWM周期也一般是固定不变的，使得不需要额外的计算，并能够有效提高弱磁电流的实时响应效率；另外，相比于相关技术中利用期望合成电压的幅值作为反馈量并基于电压进行查表等操作以进行弱磁控制的方案，本发明实施例不需要确定期望合成电压也不需要利用该电压的幅值作为反馈量，大大提高了弱磁控制的效率，并由此提供了一种全新、快速和稳定的永磁同步电机***的弱磁控制方案。
作为图1中所示步骤103进一步的公开和优化，可以是将第一时间、第二时间和参考时间输入至预设的PI控制模型来确定弱磁电流的大小；更具体地，该预设的PI控制模型可以是反映弱磁电流的大小与第一时间、第二时间和参考时间之间的对应关系，例如函数关系、映射关系等，并且由于PI控制模型的PI调制功能，可以基于输入参数的变化而实时作出反馈调制，能够保障所确定的弱磁电流的精确性。更具体地，可以是计算第一时间与第二时间的和，并对第一时间与第二时间的和减去参考时间所得到的差值执行符合该预设的PI控制模型的PI变换来确定弱磁电流的大小，由此将第一时间与第二时间的和值相对于参考时间的差作为PI变换的参考量，能够有效得到精确的弱磁电流的大小。
参见图2示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制方法的流程示意图，该方法具体包括：
步骤201：获取永磁同步电机***在矢量控制周期下的两个基本电压矢量
Figure BDA0001339621950000071
(例如，k可以选自1～6中的任意两者)所分别作用的第一时间T1和第二时间T2，其中基于
Figure BDA0001339621950000072
T1和T2能够确定出期望输出电压；
步骤202：获取永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间T3，令弱磁电流的参考时间Tref＝TPWM-T3，其中TPWM为PWM周期；
步骤203：将Tref和T1+T2输入至负反馈PI调节器，在经过负反馈PI调节器的PI变换之后得到负的定子电流的d轴分量大小，并将该所得到的定子电流的d轴分量大小确定为弱磁电流Idref；
步骤204：基于预设定的弱磁电流阈值Idmax/Idmin对Idref进行限幅，即要求满足Idmin≤Idref≤Idmax，利用限幅后的Idref连同Tref实施弱磁控制；
由于电机***正常工作运行需要在一定的输出电流阈值Ismax下工作，为了防止所合成的总电流Is超过Ismax以保障***的安全运行，还可以实施以下步骤205和206。
步骤205：基于Ismax和限幅后的弱磁电流的大小Idref确定定子电流的q轴阈值Iqmax和Iqmin；
更具体地，可以是利用以下方式来确定Iqmax和Iqmin：
Figure BDA0001339621950000073
步骤206：检测定子电流的q轴分量Iqref的大小，并利用Iqmax和Iqmin对Iqref进行限幅，以保障电机***的安全运行。
在本实施例中，所有的参数都是实时采集或简单计算所得的，不需要设置固定的表和查表，也不需要利用近似的静态开环控制，具有易于实施、适用性广泛和实时响应的闭环弱磁控制的优点。
更具体地，结合图3示出了图2所示的永磁同步电机***的弱磁控制方法的原理示意图。如图3所示，获取每个矢量控制周期里的两个基本电压矢量的时间T1和T2，在永磁同步电机的矢量控制实施的过程中，均需要计算两个基本电压矢量的时间T1和T2以得到期望输出电压，因此T1和T2可以直接获取，无需增加额外的计算。然后，根据PWM周期TPWM和零矢量时间T3得到参考时间Tref，其中Tref等于TPWM-T3；其中，TPWM由PWM载波频率决定，在矢量控制中，一般在零矢量处进行电压/电流等信号的采样，因而最小零矢量时间应不小于满足信号采样的最小时间。之后，将T1+T2与Tref比较，最终由负反馈PI调节器得到负的Idref，并根据Idmax/Idmin对Idref进行限幅，并利用该Idref进行弱磁控制。最后，根据Ismax和Idref得到Iqref的限幅Iqmin/Iqmax，以保证合成的总电流不超过Ismax。
参见图4示出的是本发明一实施例的永磁同步电机***的弱磁控制装置的结构示意图，如图4所示，弱磁控制装置30中设置有矢量时间获取单元301、弱磁时间确定单元302和与矢量时间获取单元301和弱磁时间确定单元302分别连接的弱磁大小确定单元303。更具体地，矢量时间获取单元301可以用来获取永磁同步电机***在矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、第一时间和第二时间能够确定期望输出电压；弱磁时间确定单元302可以用来获取永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于PWM周期和第三时间确定关于弱磁电流的参考时间；以及弱磁大小确定单元303可以用来基于参考时间、第一时间和第二时间确定弱磁电流的大小，以使永磁同步电机***根据弱磁电流进行弱磁控制。
关于本发明实施例装置更多的细节的效果，可以参照上文关于方法实施例的描述，相同内容在此不加以赘述。
本发明实施例还一方面提供了一种永磁同步电机***，在该永磁同步电机***中设置有上述弱磁控制装置，使得该永磁同步电机***能够具有该若此控制装置所具有的相应的功能和效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机***的弱磁控制方法，其特征在于，该永磁同步电机***配置有矢量控制周期和PWM周期，该方法包括：
获取所述永磁同步电机***在所述矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于所述第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、所述第一时间和所述第二时间能够确定期望输出电压；
获取所述永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间，其中所述基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间包括：将所述PWM周期与所述第三时间的差确定为所述参考时间；所述零矢量所作用的第三时间应不小于信号采样的最小时间；以及
将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小，以使所述永磁同步电机***根据所述弱磁电流进行弱磁控制，其中所述PI控制模型包括关于弱磁电流的大小与第一时间、第二时间和参考时间之间的对应关系。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机***的弱磁控制方法，其特征在于，将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小包括：
确定所述第一时间与第二时间的和，并对所述第一时间与第二时间的和减去所述参考时间所得到的差值执行符合所述预设的PI控制模型的PI变换来确定所述弱磁电流的大小。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机***的弱磁控制方法，其特征在于，所述基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小包括：
基于预设定的弱磁电流阈值来对所述弱磁电流的大小进行限幅，以使所述永磁同步电机***根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机***的弱磁控制方法，其特征在于，所述基于所述参考时间、所述第一时间和所述第二时间确定所述弱磁电流的大小包括：
基于预设定的输出电流阈值和限幅后的所述弱磁电流的大小确定定子电流的q轴阈值；以及
获取所述定子电流的q轴分量大小，并利用所述定子电流的q轴阈值对所获取的所述定子电流的q轴分量大小进行限幅。
5.一种永磁同步电机***的弱磁控制装置，其特征在于，该永磁同步电机***配置有矢量控制周期和PWM周期，其中该装置包括：
矢量时间获取单元，用于获取所述永磁同步电机***在所述矢量控制周期下由第一基本电压矢量和第二基本电压矢量所分别作用的第一时间和第二时间，其中基于所述第一基本电压矢量、第二基本电压矢量、所述第一时间和所述第二时间能够确定期望输出电压；
弱磁时间确定单元，用于获取所述永磁同步电机***在零矢量下所作用的第三时间，并基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间，其中所述基于所述PWM周期和所述第三时间确定关于弱磁电流的参考时间包括：将所述PWM周期与所述第三时间的差确定为所述参考时间；所述零矢量所作用的第三时间应不小于信号采样的最小时间；
弱磁大小确定单元，用于将所述第一时间、所述第二时间和所述参考时间输入至预设的PI控制模型来确定所述弱磁电流的大小，以使所述永磁同步电机***根据所述弱磁电流进行弱磁控制，其中所述PI控制模型包括关于弱磁电流的大小与第一时间、第二时间和参考时间之间的对应关系。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机***的弱磁控制装置，其特征在于，所述弱磁大小确定单元用于确定所述第一时间与第二时间的和，并对所述第一时间与第二时间的和减去所述参考时间所得到的差值执行符合所述预设的PI控制模型的PI变换来确定所述弱磁电流的大小。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机***的弱磁控制装置，其特征在于，所述弱磁大小确定单元用于基于预设定的弱磁电流阈值来对所述弱磁电流的大小进行限幅，以使所述永磁同步电机***根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机***的弱磁控制装置，其特征在于，所述弱磁大小确定单元包括：
q轴阈值确定模块，用于基于预设定的输出电流阈值和限幅后的所述弱磁电流的大小确定定子电流的q轴阈值；
q轴电流获取模块，用于获取所述定子电流的q轴分量大小；
q轴电流限幅模块，用于利用所述定子电流的q轴阈值对所获取的所述定子电流的q轴分量大小进行限幅。
9.一种永磁同步电机***，其特征在于，包括根据权利要求5-8中任一项所述的永磁同步电机***的弱磁控制装置。
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