一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统弱磁控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体设及一种基于电压切割法的开绕组永磁同步 电机系统弱磁控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球环境污染和能源危机的加剧，电动机正逐渐取代内燃机等传统燃料机械 在运输牵引中的地位，成为具有高效率高性能的新型驱动系统，促进了W电动汽车、船舶电 力推进、高速铁路为代表的电力牵引技术的蓬勃发展。
[0003] 永磁同步电机W其高功率密度、高功率因数W及高运行效率等优势得到了广泛应 用，该很大程度得益于转子永磁体无需电励磁。虽然永磁同步电机在基速W下具有极高的 功率因数和效率，但反电势随着转速升高而增加，由于受到逆变器输出容量的限制，必须通 过弱磁控制实现永磁同步电机的高速运行。目前弱磁控制主要包括前馈弱磁控制、反馈弱 磁控制W及混合弱磁控制等。其中，反馈弱磁控制W其鲁椿性强的优点为学者和工业界所 广泛关注。
[0004] 反馈弱磁控制方式将给定电压或经过脉宽调制前后的电压误差作为反馈量，通过 闭环控制，将逆变器的输出电压控制在限幅值W下，并将PI调节器的输出作为d轴电流给 定的修正量，反向增大减小定子磁链，实现电机高转速运行。许多学者通过研究不同 的反馈弱磁手段，提高逆变器直流母线电压利用率，从而进一步提高电机弱磁性能。文献 1("Speedcontrolofinteriorpermanentmagnetsynchronousmotordriveforthe fluxweakeningoperation"，KJang-Mok,SSeung-Ki.IEEETransactionsonIndustry Applications, 1997, 33(1) :43-48.)将电压限幅值设置为~尽K,,., /3，即要求逆变器的最大 输出电压不超过直流母线电压的V^/3倍，逆变器的电压调制始终在线性区内，其电压调制 比MI(modulationindex)为0? 907。文献2("VoltageFeedbackCurrentControlScheme forImprovedTransientPerformanceofPermanentMagnetSynchronousMachine Drives，，，KYong-Cheol,KSungmin,SSeung-Ki，IEEETransactionsonIndustrialElect ronics，2012, 59巧）：3373-3382.)则将给定电压与经过空间电压脉宽调制SVPWM电压六边 形限幅么后的电压的误差作为反馈量，对d轴电流进行修正，使得逆变器的输出电压能够 工作于过调制区，从而将电压调制比抬升至0.952。为了最大化电压调制比，实现方波运行， 文献 3("Six-St邱OperationofPMSMW;UhInstantaneousCurrentControl".YKwon，S Kim,SSul，IEEETransactionsonIndustryApplications, 2014,50(4):2614-2625.)将 电压限幅值设置为1. 3Vd。，远大于电压六边形的边长2Vdy3。当给定电压幅值在线性调制区 内时，采取线性调制。当给定电压幅值大于^/^K/,./3小于1.3Vd。时，采取过调制。而当给定 电压幅值大于1. 3Vd。时，离给定电压最近的有效矢量将被选择，从而实现六步调制，最大化 电压利用率。
[0005] 如图1所示，开绕组永磁同步电机系统是在传统单逆变器驱动电机控制系统基础 上，不改变原电机的本体电磁设计与机械结构，仅将常规=相定子绕组中点打开形成两端 开放式绕组，在绕组的另一端再串接一个逆变器（调节逆变器）而形成。考虑成本问题，部 分学者对一侧逆变器直流母线接电源另一侧仅接电容的有效电源条件混合驱动拓扑结构 进行了分析研究。然而，基于该结构的开绕组永磁同步电机弱磁控制目前均采用常规的电 压反馈方式，且电压利用率不高。如文献4("ExtensionoftheOperatingRegionofanIPM MotorUtilizingSeriesCompensation",DiPanet.al,IEEETransactionsonIndustry Applications, 2014, 50(1) :539-548)将主逆变器的给定电压作为反馈量，作为给 定量，对开绕组电机进行弱磁控制，其直流母线电压利用率仅为0.905。因此，亟需探索一种 能够提高直流母线电压利用率的新型弱磁控制方法，W实现开绕组电机的高速运行。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于电压切割法的开绕 组永磁同步电机系统弱磁控制方法，能够保持电容电压稳定，降低开关损耗得W减少，从而 使系统效率得W提高；当电机所需电压达到逆变器电压限制时，将有效电压矢量作用时间 作为反馈量，开关周期作为给定量，利用PI调节输出负向d轴电流给定，减小定子磁场，实 现开绕组电机的高速运行。
[0007] -种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统弱磁控制方法，包括如下步骤：
[000引 （1)采集系统中主逆变器的直流母线电压V<!。、调节逆变器的直流母线电压V。。。、电 机的S相定子电流ig~i。和转子位置角0t，进而计算出电机的转速《 ;
[000引 似利用转子位置角0,对立相定子电流ia~i进行Park变换，得到d-q旋转坐 标系下的定子电流矢量Idq，并计算定子电流矢量Idq相对于d轴的夹角0;对S相定子电 流ig~i。进行Clark变换，得到a-p静止坐标系下的定子电流矢量I。0，并计算定子电 流矢量lap相对于a轴的夹角0i;
[0010] (3)根据给定的电机转速和实际的电机转速W，确定电机对应d轴和q轴的 电流参考量i/和i
[0011] (4)根据定子电流矢量IdqW及电流参考量i巧日i确定电机对应d轴和q轴的 电压参考量V/和V。％进而利用夹角0对电压参考量V；郝Vqt进行坐标变换，得到电机的 有功电压参考量和无功电压参考量Vuattiw%
[0012] (5)使给定的电容电压参考量Vtapt减去直流母线电压V进而对相减结果进行PI 调节从得到电容充电电压参考量Veiaetiw%
[001引 做根据有功电压参考量Vattiy/、电容充电电压参考量Veiatuw郝夹角01，利用 电压切割法确定主逆变器的有效电压矢量及其作用时间TyW及主逆变器的输出电压矢量 VmIa日；
[0014] (7)利用有效电压矢量的作用时间Ty通过最佳零矢量选择算法，确定主逆变器的 S相开关信号Si。~S1。；
[001引（8)根据有功电压参考量Vgttiw%无功电压参考量Vuattiw%电容充电电压参考量 输出电压矢量Vae和夹角01，确定调节逆变器的调制电压矢量Vciae，进而通过SVPWM技术得到调节逆变器的S相开关信号S2。~S2。；
[0016](9)利用S相开关信号Sh~S1。和S2。~S2。经驱动后分别对主逆变器和调节逆变 器中的功率开关器件进行开关控制；
[0017] 当所述的作用时间L大于主逆变器中功率开关器件的开关周期T,时，通过对电机 进行弱磁控制使其进入弱磁运行状态。
[0018] 所述的步骤（3)中确定电机对应d轴和q轴的电流参考量i/和i。％具体过程如 下：
[0019]首先，使给定的电机转速去实际的电机转速《得到转速误差A?，进而对 转速误差A?进行PI调节得到电流参考幅值I/;
[0020] 然后，根据最大转矩电流比原理通过W下算式计算出电流参考幅值C的MTPA(最 大转矩电流比）角丫MTPA;
[0021]
【主权项】
1. 一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统弱磁控制方法，包括如下步骤： (1) 采集系统中主逆变器的直流母线电压Vd。、调节逆变器的直流母线电压Vmp、电机的 三相定子电流i a~i。和转子位置角Θ !·，进而计算出电机的转速ω ; (2) 利用转子位置角Θ ^对三相定子电流i a~i。进行Park变换，得到d-q旋转坐标 系下的定子电流矢量Id(i，并计算定子电流矢量I dti相对于d轴的夹角β ;对三相定子电流 ia~i。进行Clark变换，得到α-β静止坐标系下的定子电流矢量Icip，并计算定子电流矢 量1。 (3相对于〇轴的夹角01; (3) 根据给定的电机转速ω#和实际的电机转速ω，确定电机对应d轴和q轴的电流 参考量i/和i (4) 根据定子电流矢量Idq以及电流参考量i /和i ，确定电机对应d轴和q轴的电压 参考量V/和V:，进而利用夹角β对电压参考量V/和V/进行坐标变换，得到电机的有功 电压参考量Vartiv/和无功电压参考量 V _tij; (5) 使给定的电容电压参考量V。：减去直流母线电压V ΜΡ，进而对相减结果进行PI调 节从得到电容充电电压参考量Vaarfiv/; (6) 根据有功电压参考量Vac;tiv/、电容充电电压参考量Vaartiv/和夹角Θ i，利用电压切 割法确定主逆变器的有效电压矢量及其作用时间！；以及主逆变器的输出电压矢量V MIa e; (7) 利用有效电压矢量的作用时间Tx通过最佳零矢量选择算法，确定主逆变器的三