CN112003519B - 一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及*** - Google Patents

一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及***，在对永磁同步电机进行控制时，为提高单电流弱磁控制的稳定性，考虑到了对d轴电压给定值进行前馈补偿，此外，在确定对d轴电压给定值进行补偿的前馈补偿电压时，又考虑到随着深度弱磁饱和程度的加深，实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量对单电流弱磁控制的稳定点的影响较大，使得整个电机***不容易稳定，因此，本申请只通过实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量来对d轴电压给定值进行前馈补偿，从而使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高了单电流控制策略的稳定性。

Description

一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及***
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及***。
背景技术
由于变流器直流侧的输入电压有限，永磁同步电机在进行较宽速度范围内的控制时，大多采用矢量弱磁控制策略。现有传统的永磁同步电机矢量控制弱磁策略中，通常采用两个正交解耦的电流调节器来调节dq轴电流，但是当电机处于高速段或者电流调节器接近饱和时，dq轴电流之间的耦合作用加强，影响电机的动态响应速度，甚至可能导致整个电机***的不稳定。
为了解决在高速下dq轴电流的交叉耦合引起的问题，有学者提出单电流控制策略，也即利用PI调节器输出的d轴电压来计算q轴电压，该方法并不是去消除这种耦合现象，而是利用这种耦合现象，只保留一个电流调节器，从而简化了结构，实现了动态响应快、对直流母线电压和负载的变化鲁棒性较好等优点。但随着深度弱磁饱和程度的加深，单电流控制策略的稳定性开始下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及***，使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高了单电流控制策略的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，包括：
在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量；
根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制。
优选地，所述对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，包括：
对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行二阶高通滤波。
优选地，所述根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压，包括：
根据所述实际d轴电流的高频分量、所述实际q轴电流的高频分量及补偿电压计算关系式确定前馈补偿电压；
所述补偿电压计算关系式为ΔUd＝Rsidh-weLqiqh；
其中，ΔUd为所述前馈补偿电压，Rs为所述永磁同步电机的相电阻，idh为所述实际d轴电流的高频分量，iqh为所述实际q轴电流的高频分量，we为所述永磁同步电机的定子电角频率；Lq为交轴电感。
优选地，所述利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，包括：
根据所述前馈补偿电压、所述d轴电压给定值及补偿关系式得到补偿值；
所述补偿关系式为Ud_ref＝Ud_ref*+K*ΔUd；
其中，Ud_ref为所述补偿值，Ud_ref*为d轴电压给定值，K为修正系数。
优选地，所述修正系数的取值范围为0.1至0.3。
优选地，所述高通滤波的起始频率为300Hz。
优选地，所述根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制，包括：
将所述补偿值直接作为d轴电压控制值；
根据所述补偿值及dq轴计算关系式得到q轴电压控制值；
所述dq轴计算关系式为
Figure BDA0002073929880000021
其中，Uq_ref为所述q轴电压控制值，Umax为所述永磁同步电机供电的逆变器可输出的最大电压值，Ud_ref为所述d轴电压控制值；
根据所述d轴电压控制值和所述q轴电压控制值生成SVPWM信号；
利用所述SVPWM信号对所述逆变器进行控制，进而实现对所述永磁同步电机的控制。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制***，包括：
实际电流获取单元，用于在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
高通滤波单元，用于对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量；
补偿电压生成单元，用于根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
单电流弱磁控制单元，用于利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述永磁同步电机的单电流弱磁控制方法的步骤。
本发明提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，在对永磁同步电机进行控制时，为提高单电流弱磁控制的稳定性，考虑到了对d轴电压给定值进行前馈补偿，此外，在确定对d轴电压给定值进行补偿的前馈补偿电压时，又考虑到随着深度弱磁饱和程度的加深，实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量对单电流弱磁控制的稳定点的影响较大，使得整个电机***不容易稳定，因此，本申请只通过实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量来对d轴电压给定值进行前馈补偿，从而使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高了单电流控制策略的稳定性。
本发明还提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制装置及***，具有与上述方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法的流程图；
图2为采用现有技术中的普通的前馈补偿得到的高速不稳定波形图；
图3为采用本申请中的单电流弱磁控制得到的动态响应波形图；
图4为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制框图；
图5为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制***的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法、装置及***，使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高了单电流控制策略的稳定性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法的流程图，该方法包括：
S11：在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
电机***分为方波工况和非方波工况，本申请中着重对方波工况下的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法做改进。具体地，通过电流传感器获取方波工况下永磁同步电机的输入电流，并对输入电流进行PARK变换(三相静止到两相静止)和CLARK(两相静止到两相旋转)变换，得到两相旋转坐标系下的永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流。
S12：对实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量；
本申请考虑到随着深度弱磁饱和程度的加深，实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量对单电流弱磁控制的稳定点的影响较大，使得整个电机***不容易稳定，因此，本申请是希望去除掉实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量，以使单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高单电流控制策略的稳定性。
具体地，在通过上述步骤得到实际d轴电流和实际q轴电流后，对实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，以滤除掉实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量，得到实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量。
作为一种优选地实施例，高通滤波的起始频率为300Hz。申请人通过研究及实际应用发现，在将高通滤波的其实频率设置为300Hz，也即将实际d轴电流和实际q轴电流中300Hz以下的低频分量滤除时，会使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，能够有效抑制低频脉冲引起的不稳定现象，提高单电流控制策略的稳定性。当然，申请人对于高通滤波的具体起始频率不作特别的限定，根据实际情况来定。
S13：根据实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
S14：利用前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制。
在得到实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量后，基于前馈补偿原理来计算前馈补偿电压，并采用前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，最后采用补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制。
请参照图2和图3，其中，图2为采用现有技术中的普通的前馈补偿得到的高速不稳定波形图；图3为采用本申请中的单电流弱磁控制得到的动态响应波形图。则不难得到，明显采用本申请中的单电流弱磁控制得到的动态响应波形较为平滑和稳定。
综上，本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，在对永磁同步电机进行控制时，为提高单电流弱磁控制的稳定性，考虑到了对d轴电压给定值进行前馈补偿，此外，在确定对d轴电压给定值进行补偿的前馈补偿电压时，又考虑到随着深度弱磁饱和程度的加深，实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量对单电流弱磁控制的稳定点的影响较大，使得整个电机***不容易稳定，因此，本申请只通过实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量来对d轴电压给定值进行前馈补偿，从而使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，提高了单电流控制策略的稳定性。
此外，采用单电流弱磁控制策略简单易于实现，可达到电机极限满功率稳定输出，且严格按照直流电压最大输出进行控制，不会导致输出电压超调现象。本发明采用直轴电压补偿策略，均适用于应用矢量方波控制下任何种类电机。本发明内容可以根据不同的使用情况，来调节最大电压输出幅值，从而实现非满电压利用率下的，弱磁控制。
请参照图4，图4为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制框图。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，对实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，包括：
对实际d轴电流和实际q轴电流进行二阶高通滤波。
具体地，采用二阶高通滤波器对实际d轴电流和实际q轴电流进行滤波时，一方面，能够实现对实际d轴电流和实际q轴电流中存在的低频脉动分量的有效滤除，提高了单电流控制策略的稳定性，另一方面，二阶高通滤波器的结构简单，滤波时间短，提高了单电流控制策略的实时性。可见，二阶高通滤波器实现了滤波效果与滤波时长的有效平衡。
当然，本申请并不限定于二阶高通滤波，还可以采用其他阶高通滤波，本申请在此不作特别的限定。
作为一种优选地实施例，根据实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压，包括：
根据实际d轴电流的高频分量、实际q轴电流的高频分量及补偿电压计算关系式确定前馈补偿电压；
补偿电压计算关系式为ΔUd＝Rsidh-weLqiqh；
其中，ΔUd为前馈补偿电压，Rs为永磁同步电机的相电阻，idh为实际d轴电流的高频分量，iqh为实际q轴电流的高频分量，we为永磁同步电机的定子电角频率；Lq为交轴电感。
具体地，在得到实际d轴电流的高频分量、实际q轴电流的高频分量后，基于永磁同步电机的控制原理和补偿原理，通过补偿电压计算关系式ΔUd＝Rsidh-weLqiqh来得到前馈补偿电压，该种前馈补偿方式确定得到的前馈补偿电压能够使得单电流弱磁控制的稳定点容易确定，从而提高了单电流控制策略的稳定性。
作为一种优选地实施例，利用前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，包括：
根据前馈补偿电压、d轴电压给定值及补偿关系式得到补偿值；
补偿关系式为Ud_ref＝Ud_ref*+K*ΔUd；
其中，Ud_ref为补偿值，Ud_ref*为d轴电压给定值，K为修正系数。
具体地，申请人通过研究发现，如果直接将前馈补偿电压与d轴电压给定值作相加处理得到的补偿值，并采用补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制，虽然在一定程度上能够抑制低频脉冲引起的不稳定现象，但是效果没有达到最好，基于此，申请人对补偿值进行了一下修正，采用修正后的前馈补偿电压来对d轴电压给定值进行补偿并得到补偿值，采用该补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制时，会使得单电流弱磁控制的稳定点更加容易确定，进一步提高了单电流控制策略的稳定性。
作为一种优选地实施例，修正系数的取值范围为0.1至0.3。申请人通过研究发现，在修正系数的取值在0.1～0.3时，单电流控制策略的稳定性非常高，因此，在实际应用中，可以根据需要来选取修正系数的具体数值，本申请在此不作特别的限定。
作为一种优选地实施例，根据补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制，包括：
将补偿值直接作为d轴电压控制值；
根据补偿值及dq轴计算关系式得到q轴电压控制值；
dq轴计算关系式为
Figure BDA0002073929880000081
其中，Uq_ref为q轴电压控制值，Umax为永磁同步电机供电的逆变器可输出的最大电压值，Ud_ref为d轴电压控制值；
根据d轴电压控制值和q轴电压控制值生成SVPWM信号；
利用SVPWM信号对逆变器进行控制，进而实现对永磁同步电机的控制。
具体地，在得到补偿值之后，直接将补偿值直接作为d轴电压控制值，再根据耦合原理(dq轴计算关系式)来计算q轴电压控制值，然后再将d轴电压控制值和q轴电压控制值转换为两相静止坐标系下的电压控制值，再根据两相静止坐标系下的电压控制值进行SVPWM处理，得到SVPWM信号，利用SVPWM信号对逆变器进行控制，以改变逆变器的输出电流，也即永磁同步电机的输入电流，最终实现对永磁同步电机的控制。
请参照图5，图5为本发明提供的一种永磁同步电机的单电流弱磁控制***的结构示意图，该***包括：
实际电流获取单元1，用于在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
高通滤波单元2，用于对实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量；
补偿电压生成单元3，用于根据实际d轴电流的高频分量和实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
单电流弱磁控制单元4，用于利用前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据补偿值对永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制。
对于本发明提供的永磁同步电机的单电流弱磁控制***的工作原理的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
本发明还提供了一种永磁同步电机的单电流弱磁控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述永磁同步电机的单电流弱磁控制方法的步骤。
对于本发明提供的永磁同步电机的单电流弱磁控制装置的工作原理的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，包括：
在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量；
根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制；
所述根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压，包括：
根据所述实际d轴电流的高频分量、所述实际q轴电流的高频分量及补偿电压计算关系式确定前馈补偿电压；
所述补偿电压计算关系式为ΔUd＝Rsidh-weLqiqh；
其中，ΔUd为所述前馈补偿电压，Rs为所述永磁同步电机的相电阻，idh为所述实际d轴电流的高频分量，iqh为所述实际q轴电流的高频分量，we为所述永磁同步电机的定子电角频率；Lq为交轴电感。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，所述对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，包括：
对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行二阶高通滤波。
3.如权利要求1所述的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，所述利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，包括：
根据所述前馈补偿电压、所述d轴电压给定值及补偿关系式得到补偿值；
所述补偿关系式为
Figure FDA0003407905120000011
其中，Ud_ref为所述补偿值，
Figure FDA0003407905120000012
为d轴电压给定值，K为修正系数。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，所述修正系数的取值范围为0.1至0.3。
5.如权利要求1或2所述的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，所述高通滤波的起始频率为300Hz。
6.如权利要求1所述的永磁同步电机的单电流弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制，包括：
将所述补偿值直接作为d轴电压控制值；
根据所述补偿值及dq轴计算关系式得到q轴电压控制值；
所述dq轴计算关系式为
Figure FDA0003407905120000021
其中，Uq_ref为所述q轴电压控制值，Umax为所述永磁同步电机供电的逆变器可输出的最大电压值，Ud_ref为所述d轴电压控制值；
根据所述d轴电压控制值和所述q轴电压控制值生成SVPWM信号；
利用所述SVPWM信号对所述逆变器进行控制，进而实现对所述永磁同步电机的控制。
7.一种永磁同步电机的单电流弱磁控制***，其特征在于，包括：
实际电流获取单元，用于在方波工况下，获取永磁同步电机的实际d轴电流和实际q轴电流；
高通滤波单元，用于对所述实际d轴电流和实际q轴电流进行高通滤波，得到所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量；
补偿电压生成单元，用于根据所述实际d轴电流的高频分量和所述实际q轴电流的高频分量确定前馈补偿电压；
单电流弱磁控制单元，用于利用所述前馈补偿电压对d轴电压给定值进行补偿得到补偿值，并根据所述补偿值对所述永磁同步电机进行单电流方波弱磁控制；
所述补偿电压生成单元，具体用于根据所述实际d轴电流的高频分量、所述实际q轴电流的高频分量及补偿电压计算关系式确定前馈补偿电压；
所述补偿电压计算关系式为ΔUd＝Rsidh-weLqiqh；
其中，ΔUd为所述前馈补偿电压，Rs为所述永磁同步电机的相电阻，idh为所述实际d轴电流的高频分量，iqh为所述实际q轴电流的高频分量，we为所述永磁同步电机的定子电角频率；Lq为交轴电感。
8.一种永磁同步电机的单电流弱磁控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述永磁同步电机的单电流弱磁控制方法的步骤。
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