CN107749727B - 基于转矩前馈控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于转矩前馈控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法，主要包括定子磁链调节模块、电流数据表、电流调节器、脉宽调制、变换、Park变换，不控整流桥、逆变器；所述的定子磁链调节模块根据输入的转矩给定值、直流母线电压、电机转速和调制系数计算合适的定子磁链给定值作为输出；所述的定子磁链调节模块，包含有I‑VII共7个模块；I是一个一维表格，记录了不同给定转矩下对应的最小定子磁链。本发明通过在定子磁链调节中引入一个比例系数实现电机在弱磁区域转矩输出的最大化，同时保证转矩的稳定性。该系数根据当前电机的运行工况自动改变大小，在高速低转矩时提高电压裕量，在高速大转矩时提高转矩输出能力，从而实现直流母线电压的最大利用率。
Description
技术领域
本发明涉及了一种内置永磁同步电机弱磁控制方法，尤其涉及了基于转矩前馈技术的控制***结构和算法。
背景技术
永磁同步电机是一种具有高效率和高功率密度的电机，在电动汽车、列车牵引领域具有非常好的应用前景。永磁同步电机在基速以下常采用MTPA控制技术以实现最小损耗。然而当转速超过基速之后，必须采用弱磁控制技术才能够使永磁同步电机达到更高速度。弱磁控制技术一般是增加d轴电流以达到弱磁目的，然而如何在增大d轴电流的同时保证电机的最大效率和功率输出是各种弱磁控制技术的共同目标。
目前永磁同步电机弱磁控制技术一般分为前馈控制技术、反馈控制技术和前馈-反馈混合控制技术。
反馈控制技术一般利用定子电流和电压信号作为反馈信号修正d轴和q轴电流。例如采用d轴电流参考值和测量值的差值或者q轴电流参考值和测量值的差值作为反馈信号。或者采用过调制前后的电压差值作为反馈信号。
前馈控制技术通常使用转矩作为命令输出而不是转速作为命令输入，故也可称为转矩前馈控制技术。转矩前馈控制技术一般具有高动态响应。具体分为解析法和查表法两种。解析法是利用永磁同步电机的数学方程解算出最优控制电流，这种方法的缺点是严重依赖电机参数，同时需要在线求解四次方程，因此应用并不广泛。查表法则是提前对电机进行测试，建立基于实测数据的电流二维表格。在对电机进行实时控制时，通过查表来获得给定的d、q轴电流。这种方法虽然仅能针对特定电机进行控制，普适性不高，但是在电动汽车、牵引机车等应用场合拥有较高的应用前景。同时，这种方法较高的动态响应速度，同时控制算法简单，计算量少，更适合实时控制。
目前永磁同步电机弱磁控制存在的主要问题是在弱磁区域电压饱和容易导致电流控制器工作在非线性区，从而使得转矩输出不能稳定地达到最大潜力值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于转矩前馈
控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法，基于查表法，旨在解决弱磁区转矩输出能力和转矩输出稳定性的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于转矩前馈控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法，主要包括定子磁链调节模块、电流数据表、电流调节器、脉宽调制、变换、Park变换，不控整流桥、逆变器；
所述的定子磁链调节模块采用反馈和积分调节的混合控制方式，同时基于查表法和阈值判断；所述的定子磁链调节模块根据输入的转矩给定值、直流母线电压、电机转速和调制系数计算合适的定子磁链给定值作为输出；
所述的定子磁链调节模块，包含有I-VII共7个模块； I是一个一维表格，记录了不同给定转矩下对应的最小定子磁链，II是一个限幅器，下限为0，无上限，III是一个选择器，根据选择开关的结果选择两路中的一路作为输出。如果开关输入为0，则将第一路结果作为输出；如果开关输入为1，则将第二路结果作为输出，IV为滞环比较器，输入为调制系数（MI），上下限比较值分别为0.95和1.05，输出结果分别为1和0，V为积分器，VI为限幅器，上限为1，下限为0，VII为运算器，将直流母线电压、转速的倒数和相乘；
所述的电流数据表包含两个二维表格；
所述的电流调节器采用的是比例-积分调节器，d、q轴分别拥有一个比例-积分调节器，同时在d、q轴之间还有反电势的交叉解耦；
所述的脉宽调制模块采用的是空间矢量脉宽调制技术；
所述的变换是将定子dq轴参考电压变换到静止的坐标轴上；
所述的Park变换是将定子a、b两相电流变换到与转子相同转速的dq坐标轴上。
所述的电流数据表包含两个二维表格，每个表格均有两个输入变量：转矩给定值和定子磁链给定值，两个二维表格的输出分别为d轴电路给定值和q轴电流给定值，两个二维表格均通过电机实测数据建立，可根据输入变量进行二维线性插值计算得到相对应的输出结果。
所述的不控整流桥采用的是二极管三相不控整流桥，该模块实现三相交流电转换成直流电功能。
所述的逆变器采用三相IGBT全桥结构，通过6路脉冲信号控制6只IGBT的通断。
本发明的有益效果：通过在定子磁链调节中引入一个比例系数实现电机在弱磁区域转矩输出的最大化，同时保证转矩的稳定性。该系数根据当前电机的运行工况自动改变大小，在高速低转矩时提高电压裕量，在高速大转矩时提高转矩输出能力，从而实现直流母线电压的最大利用率。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是给定定子磁链调节算法流程图；
图3是不同控制方式下的转矩对比图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述。
本发明基于转矩前馈控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法的一种结构如图1所示。软件算法部分包含定子磁链调节模块、电流数据表、电流调节器、脉宽调制、变换和Park变换。硬件部分包含不控整流桥、逆变器。
所述的定子磁链调节模块根据输入的转矩给定值、直流母线电压、电机转速和调制系数计算合适的定子磁链给定值作为输出。
所述的电流数据表包含两个二维表格。每个表格均有两个输入变量：转矩给定值和定子磁链给定值。两个表格的输出分别为d轴电路给定值和q轴电流给定值。两个表格均通过电机实测数据建立，可以根据输入变量进行二维线性插值计算得到相对应的输出结果。
所述的电流调节器采用的是比例-积分调节器，d、q轴分别拥有一个比例-积分调节器，同时在d、q轴之间还有反电势的交叉解耦，目的是为了提高电流的瞬态响应速度。
所述的脉宽调制模块采用的是空间矢量脉宽调制技术，这种电压调制技术可以实现电压利用率最大化。同时，为了进一步增大对直流母线电压的利用率，在过调制区将参考电压矢量相位和幅值同时变化的过调制技术，保证生成的电压基波幅值与参考电压矢量幅值相同。同时，该过调制技术可以实现六步方波电压，实现直流母线电压的最大化利用。
所述的变换是将定子dq轴参考电压变换到静止的坐标轴上。
所述的Park变换是将定子a、b两相电流变换到与转子相同转速的dq坐标轴上。
所述的不控整流桥采用的是二极管三相不控整流桥，该模块实现三相交流电转换成直流电功能。
所述的逆变器采用三相IGBT全桥结构，通过6路脉冲信号控制6只IGBT的通断。
所述的内置式永磁同步电机是本发明涉及的控制对象，相应的控制性能通过测量该电机的转速、转矩、电压、电流分析得到。
图2所示的给定定子磁链调节算法是本发明的核心创新点，该算法包含有I-VII共7个模块。I是一个一维表格，记录了不同给定转矩下对应的最小定子磁链。II是一个限幅器，下限为0，无上限。III是一个选择器，根据选择开关的结果选择两路中的一路作为输出。如果开关输入为0，则将第一路结果作为输出；如果开关输入为1，则将第二路结果作为输出。IV为滞环比较器，输入为调制系数（MI），上下限比较值分别为0.95和1.05，输出结果分别为1和0。 V为积分器。VI为限幅器，上限为1，下限为0。VII为运算器，将直流母线电压、转速的倒数和相乘。
具体步骤如下：
（1）调节d、q轴电流使其位于电流极限圆上，利用公式（1）计算相应的定子磁链，其中和使用测量值，和使用给定值，λ d 是d轴定子磁链，λ q 是q轴定子磁链。同时利用转矩传感器记录此时的转矩测量值。计算定子磁链和转矩之间的拟合函数，并将其存入I中。
（2）通过I计算出当前给定转矩命令下的最小定子磁链值，该值表示该电机在当前给定转矩下所能达到的最小定子磁链。
（3）比较与，如果，II输出0给积分器（V），使。如果，积分器开始正向积分，开始增大。
（4）电机转速增加会导致反电势增大，进而导致调制系数（MI）增大。一旦MI超过滞环比较器（IV）的上限值，积分器（V）的输入会置零，从而保持不再增加。MI的表达式为公式（2）。其中为合成电压矢量，为直流母线电压。
为了验证本方法的可靠性，进行了相关实验。实验装置包含永磁同步电机、异步电机、转矩传感器、位置传感器、逆变器和控制器。永磁同步电机为实验对象，为内置式转子结构，电机参数如表1所示。异步电机为陪试侧电机，在本实验环境中工作在恒速模式。转矩传感器连接在两台电机中间，用来测量转矩信号。位置传感器用来检测永磁同步电机转子位置。逆变器用来给永磁同步电机供电。控制器链接逆变器和各种传感器，根据传感器信号控制逆变器IGBT导通。控制异步电机的装置有工控机和逆变器。
实验条件：异步电机拖动永磁同步电机工作在840转/分钟的恒转速模式下。控制器采用图1所示的控制原理，控制永磁同步电机工作在恒转矩模式下。给定转矩从0Nm开始以每秒钟增加1Nm的方式输出阶梯命令直到30Nm。为了比较本发明设计的定子磁链调节算法的优越性，设定以下三种测试工况：1、改进方法：设定图2中的；2、传统方法1：设定图2中的，并且关闭积分器（V）功能；3、传统方法2：设定图2中的，并且关闭积分器（V）功能。三种工况下给定转矩和相应的输出转矩如图3所示。从该图可以明显看出改进方法在高转矩区具有更大的转矩输出能力和稳定性，从而验证了本发明涉及的定子磁链调节算法的有效性。
Claims (3)
1.一种基于转矩前馈控制技术的内置永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，主要包括
定子磁链调节模块、电流数据表、电流调节器、脉宽调制、变换、Park变换，不控整流桥、逆变器；
所述的定子磁链调节模块采用反馈和积分调节的混合控制方式，同时基于查表法和阈值判断；所述的定子磁链调节模块根据输入的转矩给定值、直流母线电压、电机转速和调制系数计算合适的定子磁链给定值作为输出；
所述的定子磁链调节模块，包含有I-VII共7个模块； I是一个一维表格，记录了不同给定转矩下对应的最小定子磁链，II是一个限幅器，下限为0，无上限，III是一个选择器，根据选择开关的结果选择两路中的一路作为输出；如果开关输入为0，则将第一路结果作为输出；如果开关输入为1，则将第二路结果作为输出，IV为滞环比较器，输入为调制系数MI，上下限比较值分别为0.95和1.05，输出结果分别为1和0，V为积分器，VI为限幅器，上限为1，下限为0，VII为运算器，将2/π、直流母线电压Vdc、转速ωe的倒数和比例系数相乘，其输出为λ*s；具体步骤如下：
（1）调节d、q轴电流使其位于电流极限圆上，利用公式（1）计算相应的定子磁链，其中和使用测量值，和使用给定值，λ d 是d轴定子磁链，λ q 是q轴定子磁链，同时利用转矩传感器记录此时的转矩测量值，计算定子磁链和转矩之间的拟合函数，并将其存入I中；
（2）通过I计算出当前给定转矩命令下的最小定子磁链值，该值表示该电机在当前给定转矩下所能达到的最小定子磁链；
（3）比较与，如果，II输出0给积分器（V），使；如果，积分器开始正向积分，开始增大；
（4）电机转速增加会导致反电势增大，进而导致调制系数MI增大，一旦MI超过滞环比较器（IV）的上限值，积分器（V）的输入会置零，从而保持不再增加，MI的表达式为公式（2），其中为合成电压矢量，为直流母线电压；
所述的电流数据表包含两个二维表格；
所述的电流调节器采用的是比例-积分调节器，d、q轴分别拥有一个比例-积分调节器，同时在d、q轴之间还有反电势的交叉解耦；
所述的脉宽调制模块采用的是空间矢量脉宽调制技术；
所述的变换是将定子dq轴参考电压变换到静止的坐标轴上；
所述的Park变换是将定子a、b两相电流变换到与转子相同转速的dq坐标轴上；
所述的电流数据表包含两个二维表格，每个表格均有两个输入变量：转矩给定值和定子磁链给定值，两个二维表格的输出分别为d轴电流给定值和q轴电流给定值，两个二维表格均通过电机实测数据建立，可根据输入变量进行二维线性插值计算得到相对应的输出结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不控整流桥采用的是二极管三相不控整流桥，该模块实现三相交流电转换成直流电功能。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的逆变器采用三相IGBT全桥结构，通过6路脉冲信号控制6只IGBT的通断。
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