CN117559858A - 一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机驱动相关技术领域，具体涉及一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法及***，包括：根据实际转速和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；计算dq坐标系下MTPA及MTPV运行时的电流轨迹；坐标系旋转得到d'q'坐标系，计算d'q'坐标系下MTPA及MTPV运行时的电流轨迹，得到特征电流；判断是否需要开启弱磁控制，开启时输出直轴电流补偿量；根据d'q'坐标系下MTPA运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断电机工作的弱磁区域；根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，驱动电机运转，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
Description
技术领域
本发明属于电机驱动相关技术领域，尤其涉及一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法及***。
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。
凸极偏置型永磁同步电机通过改变电机的磁路，使得其永磁转矩最大值对应的电流相位角与磁阻转矩最大值对应的电流相位角相接近(传统永磁同步电机的永磁转矩最大值对应的电流相位角与磁阻转矩最大值对应的电流相位角相差45°)，实现永磁转矩和磁阻转矩更充分的叠加，从而提升了电机的功率密度。同时凸极偏置型永磁同步电机所具有的特殊的转子拓扑结构，使得电机的交轴(q轴)、直轴(d轴)和电机的永磁磁链的相对位置发生改变，其直轴位置会和永磁磁链位置相差约45°电角度(传统永磁同步电机的直轴位置和永磁磁链位置相重合)，使得凸极偏置型永磁同步电机的数学模型与传统电机不同，因此需要设计不同的控制***。
另一方面，传统永磁同步电机的弱磁控制方法已经发展得较为成熟，通过注入直轴弱磁电流，实现了传统永磁同步电机调速范围的大幅拓宽。然而，凸极偏置型永磁同步电机特殊的数学模型，使得其电压极限椭圆、最大转矩电流比控制(MTPA)、最大转矩电压比控制(MTPV)等公式相较于传统永磁同步电机发生改变，导致适用于传统永磁同步电机的弱磁控制方法应用于凸极偏置型永磁同步电机时效果不佳。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法及***，充分考虑凸极偏置型永磁同步电机的不对称拓扑结构以及转矩叠加优势，实现凸极偏置型永磁同步电机的最大扭矩输出，并大幅拓宽凸极偏置型永磁同步电机的调速范围。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，采用如下技术方案：
一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，包括：
根据凸极偏置型永磁同步电机的实际转速和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的电磁转矩方程和电磁转矩给定值，计算dq坐标系下在最大转矩电流比控制运行时的电流轨迹和电机电流给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的定子电压方程，计算dq坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度得到新的d'q'坐标系，计算d'q'坐标系下的电流轨迹和电机电流给定值；
根据d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时通过PI控制器输出直轴电流补偿量，在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和为弱磁一区直轴电流给定值，并使其幅值上限不大于特征电流的幅值；
根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断电机工作的弱磁区域，判定电机工作在弱磁二区时通过PI控制器输出交轴电流补偿量；
弱磁一区运行时，电机交轴电流由电机电流极限圆给定；
弱磁二区运行时，电机直轴电流给定值为特征电流，电机交轴电流给定值为特征电流处的交轴电流与交轴电流补偿量之和；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流d'q'坐标系旋转对应角度得到原先的dq坐标系，同时得到dq坐标系下的电机电流给定值；
根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
作为进一步的技术限定，在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹近似为一条斜率为k的直线。
作为进一步的技术限定，所述坐标系旋转变换，是将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度θ得到新的d'q'坐标系，使得d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹垂直于横坐标轴(即d'坐标轴)，则dq坐标系下在最大转矩电流比控制运行时的电流给定值(id *、iq *)经过坐标系旋转变换后，在d'q'坐标系上可表示为(id' *、iq' *)，有：
作为进一步的技术限定，d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹与横坐标轴(即d'坐标轴)相交处的直轴电流为特征电流ic，且d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹与电流极限圆相交处的交轴电流为特征电流处的交轴电流icq。
作为进一步的技术限定，根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值|id' **|与特征电流的幅值|ic|的差值判断电机工作的弱磁区域，当|id' **|小于等于|ic|时电机工作在弱磁一区，当|id' **|大于|ic|时电机工作在弱磁二区。
进一步的，当|id' **|小于等于|ic|时电机工作在弱磁一区，将在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值id' *与直轴电流补偿量id'fw *之和id' **的幅值上限设为特征电流ic的幅值得到弱磁一区直轴电流给定值id' ***，则弱磁一区直轴电流给定值id' ***可表示为
弱磁一区交轴电流由电机电流极限圆给定，则弱磁一区交轴电流给定值iq' **可表示为其中i smax为电机极限电流，iq' *为在最大转矩电流比控制运行时的交轴电流给定值。
进一步的，当|id' **|大于|ic|时电机工作在弱磁二区，此时通过PI控制器输出交轴电流补偿量iq'fw *，弱磁二区直轴电流给定值等于特征电流，弱磁二区交轴电流给定值iq' ***为特征电流处的交轴电流icq与交轴电流补偿量iq'fw *之和。
进一步的，在全速范围内，d'q'坐标系下电机的交、直轴电流给定值iq **、id **可表示为
进一步的，通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流d'q'坐标系旋转对应角度-θ得到原先的dq坐标系，将iq' ***和id' ***变换为dq坐标系下的交、直轴电流给定值iq **、id **，即：
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***，采用如下技术方案：
一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***，包括：
电磁转矩给定模块，其被配置为获取凸极偏置型永磁同步电机的实时转速，结合电机的给定转速，得到电机电磁转矩的给定值；
最大转矩电流比控制模块，其被配置为根据电磁转矩方程结合电磁转矩给定值，计算电机在最大转矩电流比控制运行时的交、直轴电流给定值；
dq坐标系-d'q'坐标系变换模块，其被配置为将dq坐标系下的电流给定值变换为d'q'坐标系下的电流给定值；
最大转矩电压比控制模块，其被配置为根据定子电压方程，计算电机在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹，根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果和在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
直轴电流补偿模块，其被配置为根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时输出直轴电流补偿量，并根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果以及直轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁一区运行时的电流给定值；
交轴电流补偿模块，其被配置为根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断是否需要开启弱磁二区，开启时输出交轴电流补偿量，并根据直轴电流补偿模块的计算结果、特征电流处的交轴电流以及交轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁二区运行时的电流给定值；
d'q'坐标系-dq坐标系变换模块，其被配置为将d'q'坐标系下的电流给定值变换为dq坐标系下的电流给定值；
空间矢量脉宽调制模块，其被配置为根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，完成凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的弱磁控制***，始终考虑了凸极偏置型永磁同步电机特殊的拓扑结构，所采用的MTPA控制运行方式及弱磁控制运行方式都尽可能的实现了凸极偏置型永磁同步电机的最大扭矩输出；本发明利用坐标系旋转变换将dq坐标系下电机的电流轨迹旋转至d'q'坐标系，并根据d'q'坐标系下的直轴弱磁电流与特征电流，将电机运行分为弱磁一区控制及弱磁二区控制，实现了凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速；本发明采用的MTPV控制电流轨迹被近似为一条直线，并且在所提出的d'q'坐标系下为一垂直于横坐标轴(即d'坐标轴)的直线，降低了计算量，提升了***运行速度。
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是本发明实施例一中的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法的流程图；
图2是本发明实施例一中的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法的控制原理图；
图3(a)是本发明实施例一中的凸极偏置型永磁同步电机转子的拓扑结构示意图；
图3(b)是本发明实施例一中的凸极偏置型永磁同步电机的交轴(q轴)、直轴(d轴)和电机的永磁磁链的相对位置示意图；
图4(a)是本发明实施例一中的电机中永磁转矩及磁阻转矩随电流相位角的变化关系示意图；
图4(b)是传统永磁同步电机中各转矩分量随电流相位角的变化关系示意图；
图5是本发明实施例一中的电机各电气量时空统一矢量示意图；
图6是本发明实施例一中的dq坐标系下的MTPA轨迹、MTPV轨迹、电流极限圆、电压极限椭圆等电流轨迹示意图；
图7是本发明实施例一中的坐标系旋转变换示意图；
图8是本发明实施例一中的电机dq轴电流仿真散点图；
图9是本发明实施例一中给定电机转速为5000rpm的转速仿真波形示意图；
图10是本发明实施例一中给定电机转速为5000rpm的转矩仿真波形示意图；
图11是采用传统方法进行弱磁控制时，电机转速达到极限时的转速仿真波形示意图；
图12是采用传统方法进行弱磁控制时，电机转速达到极限时的转矩仿真波形示意图；
图13是本发明实施例二中的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
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
本发明实施例一介绍了一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法。
如图1所示的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，包括：
根据凸极偏置型永磁同步电机的实际转速和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的电磁转矩方程和电磁转矩给定值，计算dq坐标系下在最大转矩电流比控制运行时的电流轨迹和电机电流给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的定子电压方程，计算dq坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度得到新的d'q'坐标系，计算d'q'坐标系下的电流轨迹和电机电流给定值；
根据d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时通过PI控制器输出直轴电流补偿量，在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和为弱磁一区直轴电流给定值，并使其幅值上限不大于特征电流的幅值；
根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断电机工作的弱磁区域，判定电机工作在弱磁二区时通过PI控制器输出交轴电流补偿量；
弱磁一区运行时，电机交轴电流由电机电流极限圆给定；
弱磁二区运行时，电机直轴电流给定值为特征电流，电机交轴电流给定值为特征电流处的交轴电流与交轴电流补偿量之和；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流d'q'坐标系旋转对应角度得到原先的dq坐标系，同时得到dq坐标系下的电机电流给定值；
根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动凸极偏置型永磁同步电机的运转，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
本实施例以凸极偏置型永磁同步电机为例进行说明，如图2所示，包括：凸极偏置型永磁同步电机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、dq坐标系-d'q'坐标系变换器13、直轴电流补偿模块14、直轴电流补偿PI控制器15、极限电流限幅模块16、交轴电流补偿模块17、交轴电流补偿PI控制器18、特征电流限幅模块19、d'q'坐标系-dq坐标系变换器20。
在本实施例中，通过设置在凸极偏置型永磁同步电机1的转子轴上的光电编码器9，测量凸极偏置型永磁同步电机1的转子机械位置角θm，并送入角速度处理模块10；角速度处理模块10，根据光电编码器9测量的转子位置角θm，微分计算得到转速ωr；转速PI控制器11，根据角速度处理模块计算的转速ωr，以及给定的目标转速ωr *，计算得到电磁转矩给定值Te *；MTPA模块12，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id *、iq *；dq坐标系-d'q'坐标系变换器13，利用坐标系旋转变换，将dq坐标系下的符合MTPA条件的电机d、q轴电流给定值转换为d'q'坐标系下的符合MTPA条件的电机d'、q'轴电流给定值id' *、iq' *；直轴电流补偿模块14，根据逆变器极限电压Usmax与定子电压给定值Us的差值ΔU判断是否需要开启弱磁；直轴电流补偿PI控制器15，根据直轴电流补偿模块14得到的ΔU进行计算得到直轴电流补偿量id'fw *；极限电流限幅模块16，将iq' *的幅值限制在电流极限圆内得到iq' **；交轴电流补偿模块17，根据id' *与id'fw *之和id' **的幅值与特征电流ic的幅值之差Δid'判断是否需要补偿交轴电流；交轴电流补偿PI控制器18，根据交轴电流补偿模块17得到的Δid'进行计算得到交轴电流补偿量iq'fw *；特征电流限幅模块19，将id' **的幅值限制在特征电流的幅值范围内得到id' ***；d'q'坐标系-dq坐标系变换器20，利用坐标系旋转变换，将iq' **与iq'fw *之和iq' ***与id' ***转换为dq坐标系下的交、直轴电流给定值iq **、id **；ABC-dq变换器4，用于利用电角度θe，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id和iq；d轴电流PI控制器6，根据前述电机d轴电流的给定值id **以及d轴电流实际值id，计算得到d轴电压给定值ud *；q轴电流PI控制器5，根据前述电机q轴电流的给定值iq **以及q轴电流实际值iq，计算得到q轴电压给定值uq *；dq-αβ变换器7，利用电角度θe，将电压给定值ud *、uq *由d-q坐标系变换到α-β坐标系下，得到uα和uβ；SVPWM模块8，基于电压给定uα和uβ得到三相的PWM信号，并送入逆变桥模块；逆变桥模块3，连接直流电源2与凸极偏置型永磁同步电机1，根据前述三相PWM信号生成三相电压值，驱动电机运转。
本实施例凸极偏置型永磁同步电机转子拓扑结构如图3(a)所示，该电机的凸极与永磁体相连；每个极上dq轴定向位置如图3(b)所示，转子永磁磁链的方向与位置位于dq轴的角平分线处(即直轴位置会和永磁磁链位置相差约45°电角度)。
凸极偏置型永磁同步电机特有的拓扑结构使得永磁转矩Tpm与磁阻转矩Tre最大值在相同电流相位角处叠加得到总转矩Tem，如图4(a)所示，相较于传统凸极式永磁电机(如图4(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5所示电机空间矢量图，其中is为定子电流空间矢量，id、iq分别为is的交直轴分量，且有id 2+iq 2≤ismax 2，ismax为电机极限电流(电机电流极限圆如图6所示)，ψpm为永磁体产生的永磁磁链，永磁磁链偏移角为45°，ψ0为is产生的磁链，ψs为ψ0与ψpm的合成磁链。
则凸极偏置型永磁同步电机的电磁转矩方程为：
其中，p为电机极对数，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，Te为电磁转矩。
忽略定子电阻，由于凸极偏置型永磁同步电机的永磁磁链ψpm超前d轴45°，其稳态下电机d轴电压ud和q轴电压uq可表示为：
故有
U为凸极偏置型永磁同步电机定子电压。
本实施例所提供的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，包括：
根据测量的凸极偏置型永磁同步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；
根据凸极偏置型永磁同步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辅助函数得到目标函数，求解目标函数的极值点，通过给定电磁转矩给定值，得到dq坐标系下的MTPA控制电流轨迹(如图6所示)及符合MTPA条件的交、直轴电流给定值；
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Te下的最小值，为求得在该条件下的iq与id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iq与id的关系为上述函数F的极值点，即：
舍去增根，解得：
由于逆变器极限电压Usmax的限制，根据凸极偏置型永磁同步电机的定子电压方程(3)，可求得电机的电压限制方程：
即：
其中，Usmax为逆变器极限电压。
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/>
电压极限椭圆与电机转矩双曲线切点的连线即为MTPV轨迹，电机的MTPV方程可由下式表示：
由(1)、(3)、(9)可得：
即：
所得MTPV轨迹如图6所示，该轨迹可近似为一条斜率为k的直线y＝kx+C(C为常数)，有θ＝-90°+arctan(k)；
通过坐标系旋转变换(如图7所示)，将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度θ得到新的d'q'坐标系，使得凸极偏置型永磁同步电机的d'q'坐标系下的MTPV控制电流轨迹垂直于横坐标轴(即d'坐标轴)；
则dq坐标系下在MTPA运行时的电流给定值(id *、iq *)经过坐标系旋转变换后，在d'q'坐标系上可表示为(id' *、iq' *)，有：
通过坐标系旋转变换后的d'q'坐标系下的MTPV控制电流轨迹与横坐标轴(即d'坐标轴)相交处的直轴电流为特征电流ic，通过坐标系旋转变换后的d'q'坐标系下的MTPV控制电流轨迹与d'q'坐标系下的电流极限圆相交处的交轴电流为icq；
如图7所示，电机dq坐标系下的电流极限圆及电压极限椭圆均可通过坐标系旋转变换得到d'q'坐标系下的电流极限圆及电压极限椭圆；
如图7所示，电机dq坐标系下的MTPA控制电流轨迹与符合MTPA条件的交、直轴电流给定值及MTPV控制电流轨迹与符合MTPV条件的交、直轴电流给定值均可通过坐标系旋转变换得到d'q'坐标系下的MTPA控制电流轨迹与符合MTPA条件的交、直轴电流给定值及MTPV控制电流轨迹与符合MTPV条件的交、直轴电流给定值；
根据逆变器极限电压Usmax与定子电压给定值Us的差值ΔU判断是否需要开启弱磁控制，有：
其中，Udc为直流母线电压，ud *为d轴电压给定值，uq *为q轴电压给定值。
则ΔU为：
ΔU＝Usmax-Us (14)
当ΔU<0时，即开启弱磁，通过PI控制器，以ΔU作为输入，输出直轴电流补偿量id'fw *；
d'q'坐标系下的符合MTPA条件的直轴电流给定值id' *、与直轴电流补偿量id'fw *之和id' **的幅值被限制在特征电流ic的幅值之内，从而得到d'q'坐标系下的弱磁控制时的直轴电流给定值id' ***，有：
本实施例的弱磁控制分为弱磁一区及弱磁二区。当直轴电流补偿量id'fw *与d'q'坐标系下的符合MTPA条件的直轴电流给定值id' *之和id' **的幅值小于等于特征电流ic的幅值时为弱磁一区，此时，弱磁控制时(弱磁一区)的d'q'坐标系下的交轴电流给定值通过电机d'q'坐标系下的电流极限圆给定，即iq' *被限制在电流极限圆范围内，得到iq' **，有：
当id' **的幅值大于特征电流ic的幅值时为弱磁二区，此时，id' **的幅值超出特征电流ic的幅值的部分Δid'通过PI控制器得到交轴电流补偿量iq'fw *，交轴电流补偿量iq'fw *与d'q'坐标系下的MTPV控制电流轨迹与d'q'坐标系下的电流极限圆相交处的交轴电流icq之和即为弱磁控制时(弱磁二区)的d'q'坐标系下的交轴电流给定值，则有：
则在全速范围内，d'q'坐标系下电机的交、直轴电流给定值iq **、id **可表示为：
其中，iq' *为d'q'坐标系下的符合MTPA条件的交轴电流给定值。
则可通过坐标系旋转变换，将iq' ***和id' ***变换为dq坐标系下的交、直轴电流给定值iq **、id **，即：
本实施例的电机d、q轴电流仿真散点如图8所示，图9和图10给出了本实施例的给定电机转速为5000rpm的转速及转矩仿真波形，图11和图12给出了采用传统方法进行弱磁控制时，电机转速达到极限时的转速及转矩仿真波形，本实施例中Udc取60V。
如图11和图12所示，采用传统方法(只通入直轴弱磁电流)进行弱磁控制时，电机转速的极限约为1500rpm，当给定转速超过该极限时，电机会失控；如图9和图10所示，本实施例提供的弱磁控制方法可以使电机平稳地达到5000rpm的给定速度，同时如图8所示，本实施例中，电机实现了MTPA运行、弱磁一区及弱磁二区(MTPV运行)的运行，因此能够实现弱磁控制***运行时，电机转矩输出的最大化。需要注意的是，本实施例的电机给定速度为5000rpm并非意味着本实施例提供的弱磁控制方法的电机运行速度范围最大为5000rpm，而仅为了说明本实施例的弱磁控制具体工作方式，实际上若忽略电机风摩损耗等因素影响，本实施例的电机运行速度范围在理论上可以达到无穷大，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
本实施例中所介绍的控制方法不仅适用于三相电机，亦可推广至任意相数的凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制。
实施例二
本发明实施例二介绍了一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***。
如图13所示的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***，包括：
电磁转矩给定模块，其被配置为获取凸极偏置型永磁同步电机的实时转速，结合电机的给定转速，得到电机电磁转矩的给定值；
最大转矩电流比控制模块，其被配置为根据电磁转矩方程结合电磁转矩给定值，计算电机在最大转矩电流比控制运行时的交、直轴电流给定值；
dq坐标系-d'q'坐标系变换模块，其被配置为将dq坐标系下的电流给定值变换为d'q'坐标系下的电流给定值；
最大转矩电压比控制模块，其被配置为根据定子电压方程，计算电机在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹，根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果和在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
直轴电流补偿模块，其被配置为根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时输出直轴电流补偿量，并根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果以及直轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁一区运行时的电流给定值；
交轴电流补偿模块，其被配置为根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断是否需要开启弱磁二区，开启时输出交轴电流补偿量，并根据直轴电流补偿模块的计算结果、特征电流处的交轴电流以及交轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁二区运行时的电流给定值；
d'q'坐标系-dq坐标系变换模块，其被配置为将d'q'坐标系下的电流给定值变换为dq坐标系下的电流给定值；
空间矢量脉宽调制模块，其被配置为根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动凸极偏置型永磁同步电机的运转，完成凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
详细步骤与实施例一提供的凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，包括：
根据凸极偏置型永磁同步电机的实际转速和给定的目标转速，确定电磁转矩给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的电磁转矩方程和电磁转矩给定值，计算dq坐标系下在最大转矩电流比控制运行时的电流轨迹和电机电流给定值；
根据凸极偏置型永磁同步电机的定子电压方程，计算dq坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度得到新的d'q'坐标系，计算d'q'坐标系下的电流轨迹和电机电流给定值；
根据d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时通过PI控制器输出直轴电流补偿量，在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和为弱磁一区直轴电流给定值，并使其幅值上限不大于特征电流的幅值；
根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断电机工作的弱磁区域，判定电机工作在弱磁二区时通过PI控制器输出交轴电流补偿量；
弱磁一区运行时，电机交轴电流由电机电流极限圆给定；
弱磁二区运行时，电机直轴电流给定值为特征电流，电机交轴电流给定值为特征电流处的交轴电流与交轴电流补偿量之和；
通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流d'q'坐标系旋转对应角度得到原先的dq坐标系，同时得到dq坐标系下的电机电流给定值；
根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
2.如权利要求1中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹近似为一条斜率为k的直线。
3.如权利要求1中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，所述坐标系旋转变换，是将凸极偏置型永磁同步电机的电流dq坐标系旋转一定角度θ得到新的d'q'坐标系，使得d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹垂直于横坐标轴(即d'坐标轴)，则dq坐标系下在最大转矩电流比控制运行时的电流给定值(id *、iq *)经过坐标系旋转变换后，在d'q'坐标系上可表示为(id' *、iq' *)，有：
4.如权利要求1中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹与横坐标轴(即d'坐标轴)相交处的直轴电流为特征电流ic，且d'q'坐标系下在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹与电流极限圆相交处的交轴电流为特征电流处的交轴电流icq。
5.如权利要求1中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值|id' **|与特征电流的幅值|ic|的差值判断电机工作的弱磁区域，当|id' **|小于等于|ic|时电机工作在弱磁一区，当|id' **|大于|ic|时电机工作在弱磁二区。
6.如权利要求5中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，当|id' **|小于等于|ic|时电机工作在弱磁一区，将在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值id' *与直轴电流补偿量id'fw *之和id' **的幅值上限设为特征电流ic的幅值得到弱磁一区直轴电流给定值id' ***，则弱磁一区直轴电流给定值id' ***可表示为
弱磁一区交轴电流由电机电流极限圆给定，则弱磁一区交轴电流给定值iq' **可表示为其中i smax为电机极限电流，iq' *为在最大转矩电流比控制运行时的交轴电流给定值。
7.如权利要求6中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，当|id' **|大于|ic|时电机工作在弱磁二区，此时通过PI控制器输出交轴电流补偿量iq'fw *，弱磁二区直轴电流给定值等于特征电流，弱磁二区交轴电流给定值iq' ***为特征电流处的交轴电流icq与交轴电流补偿量iq'fw *之和。
8.如权利要求7中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，在全速范围内，d'q'坐标系下电机的交、直轴电流给定值iq **、id **可表示为
9.如权利要求8中所述的一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制方法，其特征在于，通过坐标系旋转变换，将凸极偏置型永磁同步电机的电流d'q'坐标系旋转对应角度-θ得到原先的dq坐标系，将iq' ***和id' ***变换为dq坐标系下的交、直轴电流给定值iq **、id **，即：
10.一种凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制***，包括：
电磁转矩给定模块，其被配置为获取凸极偏置型永磁同步电机的实时转速，结合电机的给定转速，得到电机电磁转矩的给定值；
最大转矩电流比控制模块，其被配置为根据电磁转矩方程结合电磁转矩给定值，计算电机在最大转矩电流比控制运行时的交、直轴电流给定值；
dq坐标系-d'q'坐标系变换模块，其被配置为将dq坐标系下的电流给定值变换为d'q'坐标系下的电流给定值；
最大转矩电压比控制模块，其被配置为根据定子电压方程，计算电机在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹，根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果和在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹得到特征电流和特征电流处的交轴电流；
直轴电流补偿模块，其被配置为根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时输出直轴电流补偿量，并根据dq坐标系-d'q'坐标系变换模块的计算结果以及直轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁一区运行时的电流给定值；
交轴电流补偿模块，其被配置为根据在最大转矩电流比控制运行时的直轴电流给定值与直轴电流补偿量之和的幅值与特征电流的幅值的差值判断是否需要开启弱磁二区，开启时输出交轴电流补偿量，并根据直轴电流补偿模块的计算结果、特征电流处的交轴电流以及交轴电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁二区运行时的电流给定值；
d'q'坐标系-dq坐标系变换模块，其被配置为将d'q'坐标系下的电流给定值变换为dq坐标系下的电流给定值；
空间矢量脉宽调制模块，其被配置为根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，完成凸极偏置型永磁同步电机的弱磁控制，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。
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