一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法与流程

本发明属于电机驱动控制技术领域，涉及一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速控制方法。

背景技术：

永磁同步电机中与电枢作用的磁场由永磁体产生，具有不可调节的特点。因此，永磁同步电机无法通过直接调节永磁体产生的磁场来实现扩速运行，需要弱磁控制算法来实现。

传统弱磁控制方法中，d轴与q轴电流给定值的分配很大程度上依赖电机的精确模型方程，如最大转矩电流比曲线、电压和电流极限方程等，而且弱磁程度调节多基于电压阈值。在动态过程中，不仅受到模型参数不准确的限制，而且基于稳态性能的电压、电流极限方程并不完全适用于暂态工况，因此难以实现高动态响应的弱磁控制。

在实际应用中，很多场合需要高动态的扩速性能，如螺旋桨推进的水下潜器紧急避险时，需要推进电机带动螺旋桨扩速运行达到可能的最大速度来进行加速或制动。传统矢量控制方法采用d轴电流为零控制策略，只能达到额定速度而不具备扩速能力。传统弱磁控制多针对稳态性能，在快速响应性上并不满足要求。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法。与传统弱磁控制针对以额定功率进行恒功率运行的目的不同，本发明的目的在于永磁同步电机高动态弱磁扩速，可快速达到额定能力之上的转速和功率，并根据散热条件可短时或长期维持扩速状态，可有效提高螺旋桨推进水下潜器、电动车辆等设备的紧急避险能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，包括如下步骤：

步骤一、在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块；

步骤二、弱磁功能模块持续地将给定转速ω^*和实际转速ω与给定转速阈值实际转速阈值ωth进行比较，当比较结果满足式(1)条件时，使能信号enable为1，同时使能d轴转速调节器，该调节器完成功能为根据ω^*与ω的误差给出d轴电流给定在不满足式(1)条件时，使能信号不启动，d轴电流给定为传统d轴电流为零的矢量控制；

步骤三：d轴和q轴电流给定分别给至d轴和q轴的电流调节器，调节器计算后给出d轴电压ud1与q轴电压uq1，随后通过保留d轴电压的合成电压限幅模块，ud1与uq1按照式(2)被处理为ud与uq：

ud＝ud1,

式中，umax为逆变器最大输出电压，以标幺值表示时umax为1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)使用转速给定和实际转速作为弱磁启动使能条件，方法结构简单，不涉及电机精确模型的参数和方程。

(2)扩速动态响应快，扩速时速度控制的动态性能与传统矢量控制的速度动态性能相近。

(3)在扩速时可输出更高的过载功率，可提高水下潜器或电动器车等应用的紧急避险和紧急制动性能。

(4)弱磁控制部分可与传统矢量控制无缝切换，适用于各种需要永磁同步电机高动态扩速场合。

附图说明

图1为本发明弱磁扩速方法的控制结构框图；

图2为保留d轴电压的合成电压限幅模块流程图；

图3为实施例1螺旋桨转速控制的传统矢量控制与本发明扩速控制结果，(a)传统矢量控制转速响应曲线，(b)本发明方法转速响应曲线，(c)传统矢量控制电流响应曲线，(d)本发明方法电流响应曲线，(e)传统矢量控制电压响应曲线，(f)本发明方法电压响应曲线；

图4为实施例2恒定负载转速控制的传统矢量控制与本发明扩速控制结果，(a)传统矢量控制转速响应曲线，(b)本发明方法转速响应曲线，(c)传统矢量控制电流响应曲线，(d)本发明方法电流响应曲线，(e)传统矢量控制电压响应曲线，(f)本发明方法电压响应曲线；

图5为实施例3本发明弱磁控制与传统矢量控制兼容性的控制结果，(a)本发明方法转速响应曲线，(b)本发明方法电流响应曲线，(c)本发明方法电压响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，所述方法在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置了弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块，其中：弱磁功能模块负责弱磁功能的启动和d轴电流给定大小的调节，以实现与传统矢量控制的无缝切换和弱磁扩速的控制；保留d轴电压的合成电压限幅模块的功能为在控制给出的d轴电压ud与q轴电压uq的合成电压大于逆变器最大输出电压umax，即时，将合成输出电压限制为umax并保留d轴电压，限制的原则为保证ud大小不变，减小uq的大小，目的是消除控制死区和控制异常。保留d轴电压的合成电压限幅模块与弱磁功能模块共同作用可消除暂态和稳态过程中控制死区、弱磁点附近振荡和控制异常。如图1所示，具体方法如下：

步骤一，弱磁控制的使能。在弱磁功能未使能时，电机为id＝0传统矢量控制，弱磁功能模块持续地将给定转速ω^*和实际转速ω与给定转速阈值实际转速阈值ωth进行比较，当比较结果满足式(1)条件时，使能信号enable为1，同时使能d轴转速调节器，完成功能为根据ω^*与ω的误差给出d轴电流给定(该调节器可采用但不限于传统pid控制器、变增益pid控制器、重复控制器等，其特殊的一点在于，本应用中误差为正时，输出量变化方向为负，可通过输出量加负号，或误差量取负，或控制器参数为负等简单处理来实现)；在不满足式(1)条件时，使能信号不启动，d轴电流给定为传统d轴电流为零的矢量控制。

步骤二，d轴和q轴电流给定分别给至d轴和q轴的电流调节器，调节器计算后给出d轴电压ud1与q轴电压uq1。随后，通过保留d轴电压的合成电压限幅模块，ud1与uq1被处理为ud与uq，处理方法如式(2)所示，其流程图如图2所示。式中umax为逆变器最大输出电压，以标幺值表示时umax为1。

ud＝ud1,

实施例1：水下潜器推进螺旋桨的扩速控制效果

本实施例1给出了一台永磁同步电机驱动水下螺旋桨负载的弱磁扩速效果。图3给出了传统矢量控制与本发明方法的控制效果，传统矢量控制转速、电流、电压响应分别如图3(a)、(c)、(e)所示，本发明方法的转速、电流、电压响应分别如图3(b)、(d)、(f)所示。在转速给定为800rpm时，传统矢量控制在逆变器电压u达到最大时电机转速仅为670rpm，本发明方法的最大转速可达给定转速800rpm，而且响应时间在2s以内。传统矢量控制转速环到达670rpm响应时间为0.7s左右，本发明方法的弱磁扩速方法在600rpm时激活，在0.7s达到715rpm，转速动态响应优于传统矢量控制。虽然在螺旋桨增速带来的负载转矩大幅增加会影响加速时间，但本发明的弱磁控制方法到达800rpm时响应时间小于2s，扩速时速度控制的动态性能与传统矢量控制的速度动态性能相近。

根据螺旋桨特性，其输出功率与转速三次方成正比，在传统矢量控制方法下，该螺旋桨最大仅能输出2038w功率，而使用本发明的方法，螺旋桨可以输出4142w功率。对于本实施例中螺旋桨驱动的水下潜器，本发明的方法可实现高动态扩速，在2s内达到矢量控制两倍以上的输出功率，以产生快速响应的大推力，提高潜器的紧急避险和紧急制动性能。

在本实施例中，本发明方法所设置的弱磁功能模块使能阈值为ωth＝600，给定转速ω^*＝800为弱磁区转速且满足当实际控制过程中实际转速ω超过600rpm时(t＝0.4s)，满足ω＞ωth，此时弱磁使能信号enable条件满足，电机弱磁功能enable使能，同时激活d轴转速调节器，d轴电流给定由转换为由转速调节器给定。本实施例中d轴转速调节器gc(s)为传统pi控制器，其特殊的一点在于，本应用中误差输入量为正时，输出量变化方向为负，可通过输出量加负号，或误差量取负，或控制器参数为负等简单处理来实现。由图3(b)、(d)可以看出，在0.4s后弱磁功能被激活，id在4ms内由0a下降到-29a，快速进入弱磁运行状态，弱磁功能模块可有效工作。

图3(f)给出了本发明方法在控制过程中的电压，电压值以标幺值表示，最大值为1，包括d轴电压ud、q轴电压uq，合成电压合成电压最大为1，表明了逆变器所能输出的最大电压。超过1的合成电压不仅无法实现，而且会影响控制的稳定性。对比图3(e)，本发明方法的合成电压限幅模块可有效保证弱磁所需d轴电压量，并能保证最大的合成电压不超过1，即输出电压始终有效。

实施例2：恒定负载的扩速效果

本实施例给出了一台永磁同步电机在恒定负载下的弱磁扩速效果。图4给出了传统矢量控制与本发明方法的控制效果，传统矢量控制转速、电流、电压响应分别如图4(a)、(c)、(e)所示，本发明方法的转速、电流、电压响应分别如图4(b)、(d)、(f)所示。在转速给定为1200rpm时，传统矢量控制在逆变器电压u达到最大时电机转速仅为720rpm，本发明方法的实际转速可达到给定转速1200rpm，而且响应时间在2s以内。本发明方法的弱磁控制使能阈值为ωth＝600，给定转速ω^*＝800为弱磁区转速且满足当实际控制过程中转速超过600rpm时(t＝0.4s)，满足ω＞ωth，此时弱磁使能信号enable条件满足，电机弱磁功能enable使能，同时激活d轴转速调节器，d轴电流给定由转换为由转速调节器给定。本发明的方法可由传统矢量控制无缝切换至弱磁控制，扩速时速度控制的动态性能与传统矢量控制的速度动态性能相近。

由图4(b)、(d)可以看出，在0.4s左右弱磁功能被激活，id在2ms内由0a下降到-26a，快速进入弱磁运行状态，弱磁功能模块可有效工作。

图4(f)给出了本发明方法在控制过程中的电压，电压值以标幺值表示，最大值为1，包括d轴电压ud，q轴电压uq，合成电压合成电压最大为1，表明了逆变器所能输出的最大电压，超过1的合成电压不仅无法实现，而且会影响控制的稳定性。从图4(e)可以看出，本发明方法的合成电压限幅模块可有效保证弱磁所需d轴电压量，并能保证最大的合成电压不超过1，即输出电压始终有效。

综上，本发明的方法以转速给定和转速反馈阈值作为弱磁控制使能的条件，弱磁功能使能后，d轴电流与q轴电流给定均由相应速度调节器进行调节，使用保留d轴电压的合成电压值限幅来保证扩速时实现弱磁功能d轴电压值。因此，本发明的方法可实现与传统矢量控制速度环性能相近的高动态弱磁扩速控制，在控制过程中没有出现振荡，并能与传统矢量控制无缝切换。

实施例3：非弱磁区弱磁控制与传统矢量控制的兼容性

本发明的方法通过给定转速和实际转速的阈值比较条件来启动弱磁控制，当转速阈值的设置存在一定裕量的条件下，存在非弱磁区启动弱磁控制的情况，需要弱磁控制能兼容传统矢量控制，以避免振荡和控制异常。

本实施例给出了本发明方法的弱磁控制对非弱磁区运行时对传统矢量控制的兼容性。在采用传统矢量控制时，逆变器电压u达到最大的情况下电机转速可达720rpm，其转速、电流、电压响应如图4(a)、(c)、(e)所示。

本实施例给出的弱磁控制使能阈值为ωth＝600，给定转速ω^*＝630为非弱磁区转速且满足当实际控制过程中转速超过600rpm时，满足ω＞ωth，此时弱磁使能信号enable条件满足，电机弱磁功能enable使能(t≈0.6s)，同时激活d轴转速调节器，d轴电流给定由转换为由转速调节器给定，其转速、电流、电压响应如图5(a)、(b)、(c)所示。由图5(a)、(b)、(c)可以看出，虽然弱磁控制在0.6s时刻之后一直处在激活状态，但d轴电流在0.6s时刻下降，经短暂调整后在0.8s时刻重新回复到0，达到与传统id＝0相同的控制效果。在转速响应上，除了0.4％的超调量之外，在弱磁功能激活时本方法与传统矢量控制动态响应基本相同，说明本发明的弱磁控制方法在激活的状态下也可以根据情况自动调节，在非弱磁区可自动达到与传统矢量控制相同的效果，与传统矢量控制有着很好的兼容性。