CN116317753B - 一种矩峰同位型电机弱磁控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种矩峰同位型电机弱磁控制方法及***，根据测量的矩峰同位型电机的转子位置角和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；根据所述矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，求解所述目标函数的极值点，通过给定所述电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；根据逆变器极限承受电压与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时则修正交、直轴电流给定值；根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转，无退磁风险。

Description

一种矩峰同位型电机弱磁控制方法及***

技术领域

本发明属于电机驱动相关技术领域，尤其涉及一种矩峰同位型电机弱磁控制方法及***。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，具有矩峰同位特征的电机受到研究者的关注，该类电机利用非对称转子结构，使永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同的电流相位角处叠加，以达成增加输出转矩的目的。然而，该新型电机的拓扑结构会使转子主磁链矢量超前磁极中心线45°电角度，因此，按照凸极式永磁电机转子交直轴(dq)坐标定向规则(d轴定向在转子磁极中心线处，q轴超前d轴90°电角度)进行定向，会产生d轴与转子主磁链矢量互差45°的现象，该现象在传统凸极式永磁电机中不会出现。因此，矩峰同位型电机的数学模型方程与传统凸极式电机不同，需要匹配不同的控制***。

另一方面，近年来，针对传统凸极式永磁电机所设计的弱磁控制***已较为成熟。为拓宽永磁电机的调速范围，通常需要在电机运行在高速段时通入弱磁电流，减小电机产生的反电势。然而，永磁体在电机进行弱磁控制时，若弱磁电流过大，则有可能出现退磁的问题，因此，不会引起永磁体退磁问题的电机弱磁控制***具有更可靠的性能，这就要求永磁体始终处于助磁状态。然而，经研究表明，传统隐极式或凸极式电机无法兼顾永磁体助磁与最大转矩电流比(MTPA)控制，也不能兼顾永磁体助磁与最大转矩电压比(MTPV)控制，而矩峰同位型电机的出现为该问题的解决提供了条件。然而，由于矩峰同位型电机具有与传统凸极式永磁电机不同的数学模型方程，传统电机的弱磁控制***无法适用于矩峰同位型电机。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种矩峰同位型电机弱磁控制方法，能够考虑该电机的特殊拓扑结构，拓宽该电机的调速范围，同时提供的弱磁控制***及方法无需考虑永磁体退磁的问题。

本发明都一个方面提供了一种矩峰同位型电机弱磁控制方法，包括：

根据测量的矩峰同位型电机的转子位置角和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；

根据所述矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，求解所述目标函数的极值点，通过给定所述电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；

根据逆变器极限承受电压与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时则修正交、直轴电流给定值；

根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转。

本发明的第二个方面提供一种矩峰同位型电机弱磁控制***，包括：角速度处理模块、转速PI控制器、MTPA模块、弱磁修正模块、三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器、d轴/q轴电流PI控制器、两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器、SVPWM模块、逆变桥；

所述转速PI控制器接收设定目标转速值和所述角速度处理模块传来的电机转子转速值作为负反馈值进行计算形成电磁转矩给定值；

所述MTPA模块根据转速PI控制器传来的电磁转矩给定值计算得到MTPA条件下电机交、直轴电流的给定值；

所述弱磁修正模块根据逆变器极限承受电压值与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁，若开启则给所述MTPA模块发送信号，并修正MTPA模块输出的交、直轴给定电流值；

所述三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器利用电角度将电机输入的三相电流值变换到两相旋转坐标系下，得到交、直轴实际电流值；

所述d轴/q轴电流PI控制器接收交、直轴电流实际值和所述MTPA模块传来的电机dq轴电流的给定值进行计算得到交、直轴电压给定值；

所示两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器利用电角度将所述交、直轴电压给定值变换到两相静止坐标系下，得到交、直轴电压值；

所述SVPWM模块根据所述交、直轴电压值生成三相PWM信号；

所述逆变桥接收所述SVPWM模块的PWM信号生成三相电压值驱动电机运转。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开提出的弱磁控制***，在输出负转矩的同时，电机电流始终处于助磁状态，因此无需考虑永磁体退磁问题。

本公开通过在MTPA模块及电流修正模块中方程求极值得到的是转矩电流比或转矩电压比的最大值，从而该模块可以实现最大转矩电流比及最大转矩电压比控制。

本公开的控制***并非只适用于矩峰同位型电机，凡是利用非对称转子结构使电机永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同或相近电流相位角处叠加的思想所设计的电机均可采用。

本公开的电流给定模块可应用至模型预测控制***，以及上述基于模型预测控制***与弱磁控制***的无传感器控制***设计。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一提供的永磁体助磁状态下矩峰同位型电机的弱磁控制***控制原理图；

图2(a)是本发明中矩峰同位型电机每极拓扑结构图；

图2(b)是本发明中矩峰同位型电机每极dq轴定向位置与转子主磁链位置；

图3(a)是本发明实施例一中的电机中各转矩分量随电流相位角的变化关系；

图3(b)传统凸极式永磁电机中各转矩分量随电流相位角的变化关系；

图4是本发明实施例一中的电机各电气量时空统一矢量图；

图5是本发明实施例一中的MTPA及恒转矩方向曲线图；

图6是本发明实施例一中的MTPV方向示意图；

图7是本发明实施例一中的弱磁控制d、q轴电流给定值示意图；

图8是本发明实施例一中的仿真转速图；

图9是本发明实施例一中的仿真输出转矩图；

图10是本发明实施例一中的仿真d、q轴实际电流散点图；

图11是本发明实施例二所提供的矩峰同位型电机的弱磁控制方法应用于电机时的控制原理图；

图12(a)是本发明实施例二中的电机中各转矩随电流相位角的变化关系；

图12(b)传统凸极式永磁电机中各转矩随电流相位角的变化关系；

图13是本发明实施例二中的电机各电气量空间矢量图；

图14是本发明实施例二中的MTPA及恒转矩方向曲线图；

图15是本发明实施例二中的MTPV方向示意图；

图16是本发明实施例二中的弱磁控制d、q轴电流给定值示意图；

图17是本发明实施例二中的仿真转速图；

图18是本发明实施例二中的仿真输出转矩图；

图19是本发明实施例二中的仿真d、q轴实际电流散点图；

图20是本发明实施例二中的弱磁控制***与一般电机控制***的仿真对比图；

图21是本发明实施例二中的通过输出负转矩减速的仿真转速图；

图22是本发明实施例二中的通过输出负转矩减速的仿真输出转矩图；

图23是本发明实施例二中的通过输出负转矩减速的仿真d、q轴实际电流散点图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

矩峰同位型电机，是一类新型电机，通过使用非对称转子结构，将电机永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同或相近电流相位角处叠加，以达成使电机在通入相同幅值的正弦电流时，能输出更大的转矩的目的。此外，该电机每极中心线与转子主磁链矢量位置不重合，导致推导出与传统凸极式永磁电机不同的转矩方程。

如图1-图10所示，本实施例提出一种矩峰同位型电机弱磁控制方法，实现对矩峰同位型电机的控制，包括：根据测量的矩峰同位型电机的转子位置角和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；

根据所述矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，求解所述目标函数的极值点，通过给定所述电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；

根据逆变器极限承受电压与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时则修正交、直轴电流给定值；

根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转。

需要说明的是，本实施例所提出的控制***并非只适用于本实施例使用的矩峰同位型电机，凡是具有电机永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同或相近电流相位角处叠加特点的电机，均可采用本实施例所提出的控制***。

本实施例以矩峰同位型电机为例进行说明，如图1所示，包括：矩峰同位型电机1、直流电源2、逆变桥3、ABC-dq变换器4、q轴电流PI控制器5、d轴电流PI控制器6、dq-αβ变换器7、SVPWM模块8、光电编码器9，角速度处理模块10、转速PI控制器11、MTPA模块12、电流修正模块13、弱磁判断模块14、电流限幅模块15。

其中，光电编码器9安装在矩峰同位型电机的转子轴上，测量矩峰同位型电机的转子机械位置角θ_m，并分别送入角速度处理模块。

角速度处理模块10，用于根据光电编码器9测量的转子位置角θ_m，微分计算得到转速ω_r。

转速PI控制器，用于根据角速度处理模块计算的转速ω_r，以及给定的目标转速ω_r ^*，计算得到电磁转矩给定值。

MTPA模块12，用于根据电磁转矩给定值，依托辅助函数，得到MTPA条件下电机d、q轴电流的给定值i_d ^*、i_q ^*。

弱磁判断模块14，根据逆变器极限承受电压U_smax与定子电压U_s的差值ΔU判断是否进行弱磁，即开通电流修正模块。

电流修正模块13，用于根据逆变器极限承受电压U_smax与定子电压U_s的差值ΔU，计算得到电机d、q轴电流的修正值。

电流限幅模块15，用于将电机d、q轴电流的给定值i_d ^*、i_q ^*经电流修正模块修正后的值限制在电机电流最大值内。

ABC-dq变换器4，用于利用电角度θ_e，将由电流互感器得到的电机输入的三相电流值变换到dq坐标系下，得到d轴与q轴实际电流值i_d和i_q。

d轴电流PI控制器6，用于根据前述电机d轴电流的给定值i_d ^*以及d轴电流实际值i_d，计算得到d轴电压给定值u_d ^*。

q轴电流PI控制器5，用于根据前述电机q轴电流的给定值i_q ^*以及q轴电流实际值i_q，计算得到q轴电压给定值u_q ^*。

dq-αβ变换器7，用于利用电角度θ_e，将电压给定值u_d ^*、u_q ^*由d-q坐标系变换到α-β坐标系下，得到u_α和u_β。

SVPWM模块8，用于基于电压给定u_α和u_β得到三相的PWM信号，并送入逆变桥模块。

逆变桥模块，连接直流电压源与矩峰同位型电机，用于根据前述三相PWM信号生成三相电压值，驱动电机运转。

本实施例提供一种矩峰同位型电机弱磁控制方法，包括：

根据测量的矩峰同位型电机的转子位置角和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；

根据所述矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，求解所述目标函数的极值点，通过给定所述电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；

弱磁控制根据实际电流值大小判断是否需要开启，开启时修正给定交直轴电流，而后根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转。

矩峰同位型电机每极拓扑结构如图2(a)所示，该电机每个极上有四个内置永磁体，镶嵌在转子槽内；每个极上dq轴定向位置如图2(b)所示，转子主磁链矢量的方向与位置位于dq轴的角平分线处。

矩峰同位型电机特有的拓扑结构使得永磁转矩T_PM与磁阻转矩T_re最大值在相同电流相位角处叠加得到总转矩T_em，如图3(a)所示，相较于传统凸极式永磁电机(如图3(b)所示)，总转矩最大值有所提升，使得电机具有更大的转矩密度。

根据磁力线分布，得出由图4所示电机空间矢量图，其中i_s为定子电流空间矢量，i_d、i_q分别为i_s的交直轴分量，ψ_PM为永磁体产生的永磁磁链，永磁磁链偏移角为45°，ψ₀为i_s产生的磁链，ψ_s为ψ₀与ψ_PM的合成磁链。

则矩峰同位型电机的电磁转矩方程为：

其中，p为电机极对数，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，T_e为电磁转矩。

如图5中虚线方向，则矩峰同位型电机恒转矩方向即电磁转矩方程的切线，可表示为：

其中，为求偏导数，

在本实施例的MTPA模块中，为求得电流和转矩的关系，即求在某个T_e下的最小值，为求得在该条件下的i_q与i_d的关系，利用拉格朗日极值定理，利用拉格朗日乘子λ引入辅助函数，得：

根据拉格朗日极值定理，要求的i_q与i_d的关系为上述函数F的极值点，即：

舍去增根，解得：

为保证所述弱磁控制***永磁体始终处在助磁状态下，加入了以下约束条件：

i_d+i_q＞0 (6)

为直观表示上述的推导过程，绘制如图5所示的MTPA曲线图，在i_d-i_q平面中的恒转矩曲线如虚线所示，上述问题实际上就是求解每条虚线上与原点最近的点，将这些点连接起来，就得到了MTPA曲线，也就是由拉格朗日方程公式(3)解得的根。

其中，MTPA曲线仅包含助磁区的部分。

在本实施例弱磁判断模块中，为实现自动弱磁，通过实时判断逆变器极限承受电压U_smax和定子电压U_s的差值ΔU实现，具体过程如下：

其中，U_dc为直流母线电压。

矩峰同位型电机的定子电压U_s满足以下关系：

其中，忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，其稳态下电机d轴电压u_d和q轴电压u_q可表示为：

故有

其中，ω_r为电机电角速度。

则ΔU为：

ΔU＝U_smax-U_s (11)

当ΔU<0时，进行弱磁，即开通电流修正模块。

在本实施例的电流修正模块中，需要确立电机恒转矩方向，需要确立电机电压递减方向。

其中，通过梯度下降法，确立电机电压递减方向，具体过程如下：具体为：

为了确定电压下降方向，设计代价函数S：

其中，忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，其稳态下电机d轴电压u_d和q轴电压u_q可表示为：

电压递减方向可由梯度下降法表示，表示S的梯度，满足：

电压递减方向即由(U_d，U_q)表示。

在电流修正模块中，需求的电机MTPV方程，需要先求得电机电压极限椭圆，推导过程如下：

忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，稳态下矩峰同位型电机d轴和q轴电压可表示为：

此时，由于逆变器两端不能无限制地承受电压，有如下的电压方程限制：

即：

其中，U_max为逆变器极限承受电压。

该电压限制方程为一椭圆，其椭圆中心为其长轴顶点为其短轴顶点为/>

电机MTPV方向为电机电压极限椭圆与电机转矩双曲线切点的连线，推导过程如下：

电机MTPV方程可由下式表示：

其中，矩峰同位型电机的电磁转矩T_e方程为：

矩峰同位型电机的定子电压U_s方程为：

则有，

即：

MTPV方向为式(22)的切线方向，即：

其中，

为保证所述弱磁控制***永磁体始终处在助磁状态下，本公开加入了以下约束条件：

i_d+i_q＞0 (24)

为了直观地表示上述推导过程，绘制如图6所示的MTPV曲线图，在i_d-i_q平面中的恒转矩曲线如虚线所示，上述问题实际上就是求解每条虚线上与电机不同转速(ω_r)下电机电压极限圆相切的点，将这些点连接起来，就得到了MTPV曲线。

其中，MTPV方程仅取助磁区的部分，此时其转矩输出为负，MTPV曲线仅包含助磁区的部分。

在电流修正模块中，弱磁区域由以下过程确定：

令：

其中，θ表示恒转矩方向与电压下降方向的夹角，

当cosθ>0时，电流修正模块运行在弱磁区域1(FW1)，沿恒转矩方向给定修正电流，当cosθ<0时，电流修正模块运行在弱磁区域2(FW2)，沿MTPV方向给定修正电流。

则电流修正模块给定的d轴和q轴弱磁电流修正值如下：

其中，α，β为修正系数。

弱磁开通后，电机电流的给定值为MTPA模块的电流给定值和电流修正模块给定的弱磁电流修正值之和。

本实施例的弱磁控制d、q轴电流给定值如图7所示，本实施例中，电机运行在-1700rpm及以下时，电机不开通弱磁，电机d、q轴给定电流仅由MTPA模块给定；当电机运行速度超过-1700rpm时，电机弱磁模块开通，此时电机的d、q轴给定电流为图7中的恒转矩段，即弱磁区域1；当电机加速至-1900rpm以上时，此时电机的d、q轴给定电流为图7中的MTPV段，即弱磁区域2。

图8、9、10给出了本实施例的仿真波形，本实施例中U_dc取200V。

如图8所示，电机在0s时给定-1700rpm转速并使电机空载运行，电机根据MTPA模块恒定输出-2Nm的转速升至-1700rpm，电机不开通弱磁，电机的d、q轴给定电流处在MTPA段；1s时，给定-1900rpm转速并使电机空载运行，此时电机开通弱磁，电机恒定输出-2Nm的电磁转矩，电机的d、q轴给定电流处在恒转矩段；1.5s时，给定-2900rpm并使电机空载运行，电机开通弱磁，并根据MTPV方向单位电压输出最大转矩，电机的d、q轴给定电流处在MTPV段。上述所有的d轴电流和q轴电流均如图10中散点所示。

本发明限制d、q轴给定电流的目的是为使电机一直工作在永磁体助磁状态下，防止电机永磁体退磁。

实施例二

如图11-图23所示，本实施例提供一种矩峰同位型电机的弱磁控制方法，如图11所示，将光电编码器9安装在矩峰同位型电机的转子轴上，测量矩峰同位型电机的转子位置角θ_m，并进行角速度处理得到实际转速ω_r，可选的，对转子位置角进行微分处理，得到所述矩峰同位型电机的实际转速。转速PI控制器11根据角速度处理模块10计算的转速ω_r，以及给定的目标转速ω_r ^*，计算得到电磁转矩给定值。

MTPA模块12根据矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，求解所述目标函数的极值点，进而通过给定电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值。

具体地，矩峰同位型电机每极拓扑结构如图2(a)所示，该电机每个极上有四个内置永磁体，分别镶嵌在转子槽内；每个极上dq轴(即交直轴)定向位置如图2(b)所示，该图中还标注了转子主磁链矢量的方向与位置，即在dq轴的角平分线处。

该电机特有的拓扑结构使得永磁转矩T_PM与磁阻转矩T_re最大值在相同电流相位角处叠加得到总转矩T_em，如图12(a)所示，相较于传统凸极式永磁电机(如图12(b)所示)，总转矩最大值有所提升，使得电机具有更大的转矩密度。

根据磁力线分布，得出如图13所示的电机空间矢量图，其中i_s为定子电流空间矢量，i_d、i_q分别为交轴电流和直轴电流(也即i_s的交、直轴分量)，ψ_PM为永磁体产生的永磁磁链，永磁磁链偏移角为45°，ψ₀为i_s产生的磁链，ψ_s为ψ₀与ψ_PM的合成磁链。

则矩峰同位型电机的电磁转矩方程为：

其中，p为电机极对数，T_e为电磁转矩，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感。

则矩峰同位型电机恒转矩方向，即电磁转矩方程的切线，可表示为：

即沿图14中虚线的切线方向。

要求MTPA(最大转矩电流比)模块中电流和转矩的关系，即求在某个T_e下的最小值，为求得在该条件下的i_q与i_d的关系，利用拉格朗日极值定理，利用拉格朗日乘子λ引入辅助函数，可得目标函数F为：

根据拉格朗日极值定理，要求的i_q与i_d的关系为上述目标函数F的极值点，从而有：

舍去增根，解得

为了保证弱磁性能，加入了以下约束条件：

i_d+i_q≤0 (33)

为了直观的表示上述推导过程，绘制如图14所示的MTPA曲线图，在i_d-i_q平面中的恒转矩曲线如虚线所示，上述问题实际上就是求解每条虚线上与原点最近的点，将这些点连接起来，就得到了MTPA曲线，也就是由拉格朗日方程解得的根，从而得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值。

作为一可选实施方式，为了实现自动弱磁，通过实时判断逆变器极限承受电压U_smax和定子电压U_s的差值ΔU实现，具体过程如下：

逆变器极限承受电压U_smax满足以下关系：

其中，U_dc为直流母线电压。

根据所述矩峰同位型电机的交、直轴电流实际值确定定子电压，在具体实施中，通过电流互感器测量矩峰同位型电机的三相电流值，ABC-dq变换器4利用电角度θ_e，将由电流互感器得到的三相电流值变换到dq坐标系下，得到d轴与q轴实际电流值i_d和i_q。并根据d轴与q轴实际电流值确定定子电压，矩峰同位型电机的定子电压U_s满足以下关系：

其中，忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，其稳态下电机d轴电压u_d和q轴电压u_q可表示为：

故有

定义ΔU为：ΔU＝U_smax-U_s，根据定子电压与直流母线电压值之间的差值，判定是否进行弱磁控制。

具体地，当ΔU<0时，进行弱磁，即开通电流修正模块。

进一步地，通过梯度下降法，确立电机电压递减方向，具体过程如下：

为了确定电压下降方向，设计代价函数S：

其中，忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，其稳态下电机d轴电压u_d和q轴电压u_q可表示为：

电压递减方向可由梯度下降法表示，▽S表示S的梯度，满足：

电压递减方向即由(U_d，U_q)表示。

要求得电机MTPV方程，需要求得电机电压极限椭圆，其推导过程如下：

忽略定子电阻，由于矩峰同位型电机的永磁磁链ψ_PM超前d轴45°，稳态下矩峰同位型电机d轴和q轴电压可表示为：

此时，由于逆变器两端不能无限制地承受电压，有如下的电压方程限制：

即

该电压限制方程为一椭圆，其椭圆中心为其长轴顶点为其短轴顶点为/>电机MTPV方程为电机电压极限椭圆与电机转矩曲线切点的连线，其推导过程如下：电机MTPV方程可由下式表示

其中，矩峰同位型电机的电磁转矩T_e方程为：

矩峰同位型电机的定子电压U_s方程为：

则有，

即

MTPV方向为上式的切线方向，即

为了保证弱磁性能，加入了以下约束条件：

i_d+i_q≤0 (50)

为了直观的表示上述推导过程，绘制如图15所示的MTPV曲线图，在i_d-i_q平面中的恒转矩曲线如虚线所示，上述问题实际上就是求解每条虚线上与电机不同转速(ω_r)下电机电压极限圆相切的点，将这些点连接起来，就得到了MTPV曲线。

其中，电流修正模块的弱磁区域由以下过程确定：

令

这里，θ表示恒转矩方向与电压下降方向的夹角；

其中，

当cosθ>0时，电流修正模块运行在弱磁区域1(FW1)，沿恒转矩方向给定修正电流，当cosθ<0时，电流修正模块运行在弱磁区域2(FW2)，沿MTPV方向给定修正电流；

电流修正模块给定的d轴和q轴弱磁电流修正值如下：

这里，α，β为修正系数。

弱磁开通后，电机电流的给定值为MTPA模块的电流给定值和电流修正模块给定的交、直轴弱磁修正电流之和。

可选的，在对交、直轴电流给定值进行修正之前，还通过电流限幅模块15将电机d、q轴电流给定值限制在电机最大电流内。

进一步的，由电流互感器测量得到矩峰同位型电机1的三相电流值，ABC-dq变换器4利用电角度θ_e，将三相电流值变换到dq坐标系下，得到d轴与q轴实际电流值i_d和i_q；d轴电流PI控制器6根据前述电机d轴电流的给定值i_d ^*以及d轴电流实际值i_d，计算得到d轴电压给定值u_d ^*；q轴电流PI控制器5根据前述电机q轴电流的给定值i_q ^*以及q轴电流实际值i_q，计算得到q轴电压给定值u_q ^*；dq-αβ变换器7利用电角度θ_e，将交、直轴电压给定值由d-q坐标系变换到α-β坐标系下，得到u_α和u_β；交、直轴电压给定值u_α和u_β经过信号生成模块8(即SVPWM模块)生成空间矢量脉宽调制信号(即三相的PWM信号)，并送入逆变桥3，逆变桥3连接有直流电压源2和矩峰同位型电机1，用于根据前述三相的PWM信号生成三相电压值，驱动电机运转。

本实施例的弱磁控制d、q轴电流给定值如图16所示，电机运行在700rpm及以下时，电机不开通弱磁，电机d、q轴给定电流仅由MTPA模块给定；当电机运行至700rpm以上时，电机弱磁模块开通，此时电机的d、q轴给定电流为图16中的恒转矩段，即弱磁区域1；当电机加速至1100rpm以上时，收到电流限幅模块的限制，电机d、q轴给定电流为图16中的极限电流圆段，当电机加速至3600rpm以上时，此时电机的d、q轴给定电流为图16中的MTPV段，即弱磁区域2。

图17、18、19给出了本实施例的仿真波形，本实施例中U_dc取100V。

如图17所示，电机在0s时给定700rpm转速，电机根据MTPA模块恒定输出5Nm的转矩，转速升至700rpm，电机的d、q轴给定电流处在MTPA段；随后在0.5s带3Nm负载，此时电机根据MTPA模块恒定输出3Nm的电磁转矩，电机的d、q轴给定电流处在MTPA段；1s时，给定1100rpm并使电机空载运行，此时电机开通弱磁，电机恒定输出4Nm的电磁转矩，电机的d、q轴给定电流处在恒转矩段；1.5s时，给定3600rpm并使电机空载运行，电机开通弱磁，此时电机由于电流极限圆的限制，输出转矩不断减少，电机的d、q轴给定电流处在极限电流圆段；3s时，给定9000rpm并使电机空载运行，电机开通弱磁，并根据MTPV方向单位电压输出最大转矩，电机的d、q轴给定电流处在MTPV段。上述所有的d轴电流和q轴电流均如图19中散点所示。

仿真的结果表明，本实施例设计的弱磁控制***性能良好，能实现转速的无差跟踪，且电机的d、q轴实际电流与预期给定值相吻合。

图20给出了采用本实施例提供的弱磁控制***与不采用本实施例提供的弱磁***的电机调速范围比较图，本实施例中U_dc取100V。如图20所示，当电机输出2Nm的负载时，采用本公开弱磁控制***能使电机的调速范围从1660rpm拓宽至3070rpm，体现了本实施例提供方法在具体应用中的良好性能。

同样的，该方法同样适用于输出负转矩的工况，图21、22、23给出了本实施例输出负转矩进行电机减速的仿真波形，同样的，本实施例中U_dc取100V。

如图21所示，电机在0s时给定6000rpm转速，电机迅速升至给定转速；随后在3s时给定2700rpm转速，此时电机开通弱磁，电机的d、q轴给定电流处在MTPV段；5s时，给定1800rpm转速，此时电机开通弱磁，此时电机由于电流极限圆的限制，电机输出的负转矩随着转速上升而增加，电机的d、q轴给定电流处在极限电流圆段；6s时，给定1150rpm转速，电机开通弱磁，并恒定输出-2Nm的负转矩，电机的d、q轴给定电流处在恒转矩段；7s时，给定0rpm转速，电机不开通弱磁，恒定输出-2Nm的负转矩，电机的d、q轴给定电流处在MTPA段。上述所有的d轴电流和q轴电流均如图23中散点所示。仿真结果显示了，本公开弱磁控制***，同样适用于输出负转矩进行减速的工况。

根据上述求解过程，设计出控制***框图如图11所示。

控制***工作时，首先，通过光电编码器9采集电机的角度信号，用作角速度处理，角速度信号ω_r与给定的目标转速ω_r ^*作差，形成负反馈通道，差值信号经转速PI控制器11计算后得到了电机电磁转矩给定值，通过MTPA模块给定MTPA条件下的电流给定值，结合弱磁判断模块14，进入电流修正模块13中得到电机修正电流，将MTPA模块的给定电流与电流修正模块的给定电流相加通过电流限幅模块15得到电机d轴，q轴电流给定值。d轴，q轴电流给定值与经ABC-dq坐标变换后得到的d轴，q轴电流实际值做差，并经过两个电流PI控制器6、5计算得到电压给定值u_d ^*和u_q ^*，再经由dq-αβ坐标变换得到α-β坐标系下的电压给定u_α和u_β，经过信号生成模块8后，可以得到ABC三相的PWM信号，将其输入给逆变桥3，即可生成驱动电机所需的三相电压值。

实施例二

本实施例提供一种矩峰同位型电机弱磁控制***，采用包括：

一种矩峰同位型电机弱磁控制***，包括：角速度处理模块、转速PI控制器、MTPA模块、弱磁修正模块、三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器、d轴/q轴电流PI控制器、两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器、SVPWM模块、逆变桥；

所述转速PI控制器接收设定目标转速值和所述角速度处理模块传来的电机转子转速值作为负反馈值进行计算形成电磁转矩给定值；

所述MTPA模块根据转速PI控制器传来的电磁转矩给定值计算得到MTPA条件下电机交、直轴电流的给定值；

所述弱磁修正模块根据逆变器极限承受电压值与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁，若开启则给所述MTPA模块发送信号，并修正MTPA模块输出的交、直轴给定电流值；

所述三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器利用电角度将电机输入的三相电流值变换到两相旋转坐标系下，得到交、直轴实际电流值；

所述d轴/q轴电流PI控制器接收交、直轴电流实际值和所述MTPA模块传来的电机dq轴电流的给定值进行计算得到交、直轴电压给定值；

所示两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器利用电角度将所述交、直轴电压给定值变换到两相静止坐标系下，得到交、直轴电压值；

所述SVPWM模块根据所述交、直轴电压值生成三相PWM信号；

所述逆变桥接收所述SVPWM模块的PWM信号生成三相电压值驱动电机运转。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种矩峰同位型电机弱磁控制方法，其特征在于，包括：

根据测量的矩峰同位型电机的转子位置角和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；

根据所述矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，

所述目标函数F表示为：

其中，λ为拉格朗日乘子，p为电机极对数，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_PM为永磁体产生的永磁磁链，T_e为电磁转矩；

求解所述目标函数的极值点，通过给定所述电磁转矩给定值，得到符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；

根据逆变器极限承受电压与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时则修正交、直轴电流给定值；

矩峰同位型电机的定子电压U_s方程为：

其中，ω_r为电机电角速度；

根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转；

解所述目标函数的极值点时，为保证永磁体处于助磁条件下，加入的约束条件为：

i_d+i_q>0

其中，i_q为交轴电流、i_d为直轴电流；或，为了保证弱磁性能，加入约束条件为：

i_d+i_q≤0

其中，i_q为交轴电流、i_d为直轴电流；

通过梯度下降法确定电机电压递减方向，进而确定电机恒转矩方向；通过电机电压极限椭圆与电机转矩双曲线切点的连线确定电机的MTPV方向；

电机MTPV方程可由下式表示

MTPV方向为上式的切线方向，即

MTPV方向由(W_d，W_q)表示。

2.如权利要求1所述的矩峰同位型电机弱磁控制方法，其特征在于，根据矩峰同位型电机每极的拓扑结构，确定电磁转矩方程，所述电磁转矩方程表示为：

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_PM为永磁体产生的永磁磁链，i_q为交轴电流、i_d为直轴电流，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感。

3.如权利要求1所述的矩峰同位型电机弱磁控制方法，其特征在于，根据恒转矩方向与电压下降方向的夹角的余弦即cosθ确定电流修正方向，当cosθ>0时，沿对应恒转矩方向给定修正电流；当cosθ<0时，沿所述MTPV方向给定修正电流。

4.如权利要求1所述的矩峰同位型电机弱磁控制方法，其特征在于，根据逆变器极限承受电压值与定子电压的差值计算得到电机交、直轴电流的修正值，根据所述电机交、直轴电流的修正值对MTPA条件的交、直轴电流给定值进行电流的修正。

5.如权利要求1所述的矩峰同位型电机弱磁控制方法，其特征在于，根据所述交、直轴电流给定值和获取的交、直轴电流实际值，确定电压给定值；将所述电压给定值进行坐标变换后，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述矩峰同位型电机的运转。

6.一种矩峰同位型电机弱磁控制***，其特征在于，包括：角速度处理模块、转速PI控制器、MTPA模块、弱磁修正模块、三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器、d轴/q轴电流PI控制器、两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器、SVPWM模块、逆变桥；

所述转速PI控制器接收设定目标转速值和所述角速度处理模块传来的电机转子转速值作为负反馈值进行计算形成电磁转矩给定值；

根据矩峰同位型电机的电磁转矩方程构建辅助函数，在满足MTPA条件下利用拉格朗日乘子引入所述辅助函数得到目标函数，

所述目标函数F表示为：

其中，λ为拉格朗日乘子，p为电机极对数，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_PM为永磁体产生的永磁磁链，T_e为电磁转矩；

所述MTPA模块根据转速PI控制器传来的电磁转矩给定值计算得到MTPA条件下电机交、直轴电流的给定值；

所述弱磁修正模块根据逆变器极限承受电压值与定子电压的差值判断是否需要开启弱磁，若开启则给所述MTPA模块发送信号，并修正MTPA模块输出的交、直轴给定电流值；

所述三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换器利用电角度将电机输入的三相电流值变换到两相旋转坐标系下，得到交、直轴实际电流值；

所述d轴/q轴电流PI控制器接收交、直轴电流实际值和所述MTPA模块传来的电机dq轴电流的给定值进行计算得到交、直轴电压给定值；

矩峰同位型电机的定子电压U_s方程为：

其中，ω_r为电机电角速度；

所示两相旋转坐标系-两相静止坐标系变换器利用电角度将所述交、直轴电压给定值变换到两相静止坐标系下，得到交、直轴电压值；

将交、直轴电压给定值由d-q坐标系变换到α-β坐标系下，得到u_α和u_β；

所述SVPWM模块根据u_α和u_β生成三相PWM信号；

所述逆变桥接收所述SVPWM模块的PWM信号生成三相电压值驱动电机运转；

在所述MTPA模块中，为保证永磁体处于助磁条件下，加入的约束条件为：

i_d+i_q>0

其中，i_q为交轴电流、i_d为直轴电流；或，为了保证弱磁性能，加入约束条件为：

i_d+i_q≤0

其中，i_q为交轴电流、i_d为直轴电流；

通过梯度下降法确定电机电压递减方向，进而确定电机恒转矩方向；通过电机电压极限椭圆与电机转矩双曲线切点的连线确定电机的MTPV方向；

电机MTPV方程可由下式表示

MTPV方向为上式的切线方向，即

MTPV方向即由(W_d，W_q)表示。