一种避免永磁同步电机弱磁失控的方法与流程

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种避免永磁同步电机弱磁失控的方法。

背景技术：

永磁同步电机效率高、弱磁调速范围宽，被广泛应用于电动汽车领域。

基于电压闭环的负id补偿法弱磁控制技术可以使永磁同步电机实现宽转速范围调速运行。该方法的基本原理是：在电流调节器需要的输出电压接近或超过控制器电压输出能力极限的情况下，负向增大d轴电流，试图将电流调节器需要的输出电压限制在控制器电压输出能力极限以内。但是该方法具有下列局限性：

1)无法实现MTPV控制

假设图1中当前转速为ω₂，电流位于B点，此时转速继续升高。由于电流极限圆进一步缩小，B点落在电流极限圆外，此时电流调节器需要的输出电压已经超过控制器电压输出能力极限，弱磁调节器将负向增大d轴电流，工作点反而距离电流极限圆更远。在这种情况下，不仅输出转矩能力大幅下降，实际电流也无法跟踪给定电流，导致电流调节器饱和，电流失控。

2)深度弱磁稳定性较差

进一步分析1)中的问题可以发现，传统负id补偿法弱磁调节器的问题在于，深度弱磁时电压负反馈调节的稳定性逐渐劣化。例如：假设图1中当前转速为ω₂，q轴电流从0开始增加，工作点沿着电压极限圆逐渐接近D点。在此过程中，负向增大d轴电流对减小输出电压的作用越来越小，动态特性逐渐恶化。而在跨过D点之后，弱磁调节的方向从指向电压极限圆内部逐渐过渡到指向电压极限圆外部，弱磁调节器从负反馈变成正反馈，无法继续保持稳定。D点与C点对应着相同的d轴电流，其值为-ψf/Ld，为电机短路电流。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种避免永磁同步电机弱磁失控的方法。

该方法包括以下步骤：

步骤1，q轴给定电流经过MTPA特性计算得到直接d轴电流直接d轴电流与d轴弱磁电流Δi_d相加得到d轴给定电流

步骤2，对q轴给定电流和d轴给定电流进行dq轴电流协同调整和dq轴电流协同限幅，然后分别对q轴给定电流和d轴给定电流进行电流闭环控制后，经过PI(比例积分)调节器输出q轴电压u_d和q轴电压u_q；

步骤3，根据公式得到输出总电压；

步骤4，用最大输出电压限值u_max减去输出总电压后，通过PI调节器得到d轴弱磁电流Δi_d。

步骤2中所述的对q轴给定电流和d轴给定电流进行dq轴电流协同调整具体为：首先设置一个小于短路电流的阈值E，在d轴给定电流小于阈值E时，计算两者的差值；然后根据下式计算调整后的q轴给定电流

式中K为正数(实际应用中一般不大于10)。

步骤2中所述的对q轴给定电流和d轴给定电流进行dq轴电流协同限幅具体为：在电机电流相平面图中，用一条依次通过代表电机三相短路时工况点C、电机MTPV曲线与代表转速ω₂的电压极限圆的交点B、电机MTPV曲线与代表转速ω₁的电压极限圆的交点F的折线近似描述电机的MTPV特性；当电机工作点位于该折线左侧的时候，进入MTPV限幅状态；该状态下，禁止q轴给定电流继续增加，并根据q轴电流指令与C、B、F点的折线计算d轴电流的限幅值。

与现有技术相比，本发明提高了基于电压闭环的弱磁控制器的稳定性，并通过对dq轴电流的协同限幅实现近似MTPV控制。

附图说明

图1是永磁同步电机电流相平面图；

图2是传统负id补偿法弱磁控制原理框图；

图3是改进后的负id补偿法弱磁控制原理框图；

图4是带有近似MTPV折线的电流相平面图；

图5、图6是协同调整及协同限幅原理框图；

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提出了一种应对负id补偿法弱磁控制器饱和失控现象的控制策略。提高了基于电压闭环的弱磁控制器的稳定性，并通过对dq轴电流的协同限幅实现近似MTPV控制。

1、永磁同步电机电流分配约束条件

忽略定子电阻，永磁同步电机的稳态电压方程为

u_d＝-ωL_qi_q (1)

u_q＝ωL_di_d+ωψ_f (2)

式中：u_d,u_q为d轴和q轴电机端电压；i_d,i_q为d轴和q轴定子电流；L_d,L_q为d轴和q轴电感；ψ_f为转子永磁磁链。

电机的工作状态受逆变器输出最大电流i_{s max}、电压u_max限制如下：

式中：u_dc为直流母线电压。

将式(1)、(2)带入式(4)得：

可知，特定母线电压与转速下，电机能够实现的dq电流分配情况是有限的。

图1在电流相平面图中描述了电机工作的约束条件：电压、电流极限圆；电机的特殊工作特性曲线：MTPA(最大转矩电流比)与MTPV(最大转矩电压比曲线)。ω₁与ω₂分别表示两个电压极限椭圆对应的转速，T1、T2表示电机输出的转矩。图1中点A为MTPA曲线与电机电流圆的交点；B点为电机MTPV曲线与代表转速ω₂的电压极限圆的交点；C点代表电机三相短路时的工况；D点为与横轴垂直且过C点的直线与代表转速ω₂的电压极限圆的交点。考虑到电流的利用效率，特定母线电压与转速下，电动工况下合理的dq电流分配范围在MTPA特性曲线的左侧，电压极限圆与电流极限圆的公共范围内。

2、传统负id补偿法弱磁控制的局限性

图2是传统负id补偿法弱磁控制原理框图。

图中q轴给定电流经过MTPA特性计算得到直接d轴电流直接d轴电流与d轴弱磁电流Δi_d相加得到d轴给定电流对q轴给定电流和d轴给定电流进行电流闭环控制后，经过PI调节器输出q轴电压u_d和q轴电压u_q；用最大输出电压限值u_max减去输出总电压后，通过PI调节器得到d轴弱磁电流Δi_d

该方法的基本原理是：在电流调节器需要的输出电压接近或超过控制器电压输出能力极限的情况下，负向增大d轴电流，试图将电流调节器需要的输出电压限制在控制器电压输出能力极限以内。

传统负id补偿法弱磁控制方法具有下列局限性：

1)无法实现MTPV控制

假设图1中当前转速为ω₂，电流位于B点，此时转速继续升高。由于电流极限圆进一步缩小，B点落在电流极限圆外，此时电流调节器需要的输出电压已经超过控制器电压输出能力极限，弱磁调节器将负向增大d轴电流，工作点反而距离电流极限圆更远。在这种情况下，不仅输出转矩能力大幅下降，实际电流也无法跟踪给定电流，导致电流调节器饱和，电流失控。

2)深度弱磁稳定性较差

进一步分析1)中的问题可以发现，传统负id补偿法弱磁调节器的问题在于，深度弱磁时电压负反馈调节的稳定性逐渐劣化。例如：假设图1中当前转速为ω₂，q轴电流从0开始增加，工作点沿着电压极限圆逐渐接近D点。在此过程中，负向增大d轴电流对减小输出电压的作用越来越小，动态特性逐渐恶化。而在跨过D点之后，弱磁调节的方向从指向电压极限圆内部逐渐过渡到指向电压极限圆外部，弱磁调节器从负反馈变成正反馈，无法继续保持稳定。D点与C点对应着相同的d轴电流，其值为-ψf/Ld，为电机短路电流。

3、本发明对传统负id补偿法弱磁控制的局部改进

针对传统负id补偿法的上述缺点，本发明提出下列改进方法：通过对dq轴电流的协同调整，增强深度弱磁工况下的稳定性；通过对dq轴电流的协同限幅，实现近似最大转矩电压比MTPV控制，如图3所示。

1)对dq轴电流的协同调整方法：

对弱磁调节器输出的d轴电流，设置一个小于短路电流的值E，在d轴给定电流小于该值时，计算d轴给定电流与E差值的绝对值，并在q轴给定电流的绝对值中减去K*|E-i_d^*|，K为正数(实际应用中一般不大于10)。上述过程可以理解为：在工作点达到E点左侧时，通过主动干预q轴电流，使弱磁调节的方向偏向电压极限圆内部，以维持弱磁调节的负反馈特性。如图5所示。

2)对dq轴电流的协同限幅方法：

如图4所示，在电流相平面图中，用一条通过C、B、F点的折线近似描述电机的MTPV特性。当工作点位于该折线左侧的时候，进入MTPV限幅状态。该状态下，禁止q轴电流指令继续增加，并根据q轴电流指令与C、B、F点的折线计算d轴电流指令的限幅值。如图6所示。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。