一种基于改进过调制提升交流电机转矩输出能力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及交流电机矢量控制技术，尤其是设及一种基于改进过调制提升交流电 机转矩输出能力的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在电动汽车和轨道交通等领域，由于控制方法的局限性，交流电机在弱磁区 面临着转矩输出小和直流侧电压利用率低的问题。目前，为了解决该类问题的方法主要有 两类；一类是对电机结构进行优化设计；另一类是从控制手段上研究弱磁控制策略。第一 类方法，通过改变电机的结构来获得转矩的提升，该种途径需要使用更高级的工艺和技术， 成本会增加很多。第二类方法，是实现弱磁区域tq轴下的定子电流的协调分配，W充分 发挥电机在弱磁运行时的最大转矩输出能力，而不需要增加成本。该类方法可W分为基于 精确电机数学模型的解析计算方法、附加控制闭环的优化方法和基于SVPWM的过调制方法 等。
[0003] (1)基于精确电机数学模型的解析计算方法
[0004] 精确电机数学模型的解析计算方法是指根据电压、电流约束方程W及电机数学模 型，W转矩最大化或效率最大化为目标，通过解析计算或者实验估计方法来获得电流分配 指令。该类方法可W解决转矩下降的问题，但是其受参数的影响较大，并不能得到很好的控 制效果。
[0005] (2)附加控制闭环的优化方法
[0006] 通过给定直流母线电压与实际端电压的电压差值通过PI调节器输出电机反馈控 制量，当转速超过额定转速时，电机端电压达到饱和，端电压超过实际电压时，输出反馈信 号，产生去磁电流，对弱磁区的定子电流进行重新分配。该类控制方法最大优势在于对电机 参数没有依赖性，具有很好鲁椿性，响应无稳态误差，但是不能最大程度的利用直流母线电 压，产生最大的转矩。
[0007] 做过调制方法
[0008] 为了最大程度的利用直流母线电压，提高弱磁区域电机转矩输出能力，采用过调 制技术来扩展永磁同步电机运行区域。虽然，过调制算法会产生一定的转矩脉动，但是，该 种控制方法是目前解决该些问题最好的方法。然而，在控制过程中，受到电流调节器饱和的 影响，电流的响应速度较慢。
[0009] SVPWM原理中，S相两电平电压式逆变器根据桥臂开关的不同组合，共输出八中 状态的电压，分别对应空间复平面内六个长度为2/3叫。的基本电压矢量和两个零电压矢量 扣<1。为直流电压），六个基本电压矢量构成正六边形，并分为六个扇区。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于改进过调 制提升交流电机转矩输出能力的方法，通过优化电压矢量及改进过调制方法，实现交流电 机弱磁区输出转矩的提化具有母线电压利用率高、输出转矩提升大和电流响应速度快等 优点。
[0011] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0012] 一种基于改进过调制提升交流电机转矩输出能力的方法包括：
[001引步骤S1 ;MTPA+弱磁控制器根据电机电磁转矩T/获得dq轴电流指令i/、i。％采集 逆变器=相输出电流i。、ib、i。和交流电机转子旋转角度0t经坐标变换后得到dq轴电流 分量id、iq;
[0014] 步骤52;电流口1调节器根据1/、1。\14、1。输出(19轴电压矢量。4、叫；
[0015] 步骤S3 ;判断交流电机是否运行在非弱磁区，若是，Ud、U。经坐标变换后得到a0 轴电压矢量U。、Up，若否，Ud、U。经过电压优化方法获得dq轴优化电压矢量Uh、U。。，Ud。、U。。 经坐标变换后得到U。、Up;
[001引步骤S4 ;根据U。、Up大小划分为不同调制区，由U。、Up输出修正后的dq轴电压 矢量U/、U。*;
[0017] 步骤S5 ;U/、Uqt圣坐标变换后进行空间电压矢量调制，产生开关动作信号来控制 逆变器中IGBT的通断。
[0018] 所述电压优化方法获得的dq轴优化电压矢量Uh、U。。满足W下公式：
[001引Ujn]=Ud[n]+-AU/[n-U
[0020] Uqn[n] =Uq[n] +AUq*[n-：L]
[0021] 式中，
[0022] Ud[n]、Uq[n]为当前控制周期电压矢量的交直轴分量；
[002引 Uh[n]、Uq"[n]为当前控制周期优化电压矢量的交直轴分量；
[0024]AU/[n-U和AUq*[n-U为前一控制周期中电压参考矢量和优化电压矢量之间的 电压差。
[0025] 所述步骤S3中根据信号Uk的值来判断交流电机是否运行在非弱磁区，当电机参 考电压矢量U大于或等于时，Uk为1，交流电机运行在弱磁区，而当电机参考电压矢 量叫、于1/>尽0',,时，&为0，交流电机运行在非弱磁区，其中，Ud。为直流母线电压的幅值， U表示为U。、Up合成矢量的幅值。
[0026] 所述步骤S4具体为；根据电压矢量U。、Up与由基本电压矢量构成的正六边形之 间位置的不同，将电机运行区域划分为四个调制区间，分别在各自区间进行调制，输出修正 后的dq轴电压矢量Ud*、U。*，包括：
[0027] (1)恒定转矩区：当0 < 〇' < 时，采用传统SVPWM调制方法进行调制；
[002引 似过调制一区：当1/^^1/3。^^/<2/3/7,/,时，采用最小相位跟随过调制方法进行 调制；
[002引 做过调制二区：当2/3G'a.<(./<4/3^(./,/,时，采用幅值跟随过调制方法进行调 制；
[0030] (4)六拍运行区；当[/>4/3^/^レ',/,.时，采用六拍运行控制方法进行调制；
[0031] 其中，Ud。为直流母线电压的幅值，U为电机参考电压矢量的大小，表示为U"、Up合 成矢量的幅值。
[0032] 所述最小相位跟随过调制方法为；保持U的相角不变来截取U，使其末端位于正六 边形边界上，形成新的电压矢量为护，即用U*来替代原矢量U，U*对应U/、U。*合成矢量。
[0033] 所述幅值跟随过调制方法为：将U在由基本电压矢量构成的正六边形上进行投影 修正，形成新的参考空间电压矢量护，即用U*来替代U，U*对应U/、U。*合成矢量；
[0034] 当新合成的电压矢量位于正六边形边界的延长线上时，用最靠近护的基本电压矢 量心替代Ut作为新的电压矢量，U对应U/、U。*^成矢量。
[00巧]所述六拍运行控制方法为；随着电压矢量U的旋转，用最靠近U的基本电压矢量Ui>替原来的U，U1语行轨迹在正六边形的每个顶点都停留1/6周期，U对应U/、u。*^成 矢量。
[0036] 与现有技术相比，本发明适用于电动汽车和轨道交通等W交流电机为控制核屯、的 领域，具有W下优点：
[0037] 1)当电机运行在弱磁区时，在电流PI调节器输出的电压值的基础上，根据电压优 化方法计算得到优化后的电压矢量。再通过化/2s变换，将二相同步旋转坐标系下的电压 转换到二相静止坐标系下，经过本文改进的过调制及六拍运行算法，拓展电压矢量的运行 区域，提高母线电压利用率，实现电机转矩的提高，电流响应速度快。
[003引 2)本发明的控制方法可W方便的叠加在交流电机矢量控制算法中，直接实现弱磁 区输出转矩的提升。
[0039] 3)本发明采用的控制策略能够在弱磁区提升转矩的输出能力，对解决交流电机在 弱磁区面临的转矩输出小问题提供了理论指导和实际意义。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明方法应用于交流电机矢量控制系统框图；
[0041] 图2为电压优化方法框图；
[0042] 图3为电压优化方法中矢量合成示意图；
[0043] 图4为过调制方法示意图；
[0044] 其中，（4a)为最小相位误差过调制方法示意图，（4b)为幅值跟随过调制方法示意 图，（4c)为幅值跟随过调制方法中夹角处修正示意图，（4d)为六拍运行控制方法示意图；
[0045] 图5为本发明方法与传统SVPWM控制方法的输出特性曲线对比图；
[0046] 其中，巧a)为两种控制策略下的转矩与转速平均变化曲线，巧b)为两种控制策略 下的功率与转速平均变化曲线。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例W本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0048]图1是交流电机矢量控制系统图，其中永磁同步电机控制系统的核屯、算法为矢量 控制，逆变器输出的=相电流驱动电机的旋转，本发明一种基于改进过调制提升交流电机 转矩输出能力的方法是在矢量控制基础上，加入电压优化和过调制及六拍运行状态算法环 节，实现在弱磁区输出转矩的提升。具体包括：
[004引步骤S1 ;MTPA+弱磁控制器根据电机电磁转矩T/获得dq轴电流指令i/、i。％采集 逆变器=相输出电流i。、ib、i。和交流电机转子旋转角度0t经坐标变换后得到dq轴电流 分量id、i。。其中，Ud。、U。。、U/、U/反馈回MTPA+弱磁控制器，用于电机的弱磁时产生弱磁 增量。其中，MTPA+弱磁控制器采用MTPA(MaximumTorquePerAmpere,最大转矩电流比） 控制方法。
[0050]步骤S2 ;电流PI调节器根据i/、i。％id、i。输出dq轴电压矢量Ud、U。。
[0051] 步骤S3 ;根据信号Uk的值来判断交流电机是否运行在非弱磁区，当电机参考电压 矢量U小于时，Uk为0,交流电机运行在非弱磁区，Ud、U。经坐标变换后得到a0轴 电压矢量U。、Up，当电机参考电压矢量U大于或等于.时，Uk为1，交流电机运行在弱 磁区，叫、U。经过电压优化方法获得dq轴优化电压矢量Uh、U。。，Uh、U。。经坐标变换后得到U。、Up,其中，叫。为直流母线电压的幅值，U表示为U。、Up合成矢量的幅值。如图2所示， yl.、-2+/计算框表示求两数平方和根，Ud、U。的平方和的根即为参考电压矢量U，U。、Up与 叫、U。合成矢量的幅值的值相等，Z为延迟一周期，Uk根据不同计算的结果，用于判断是否 进入弱磁区域。
[0052] 电压优化方法的作用是当电机工作在六拍运行状态时，提高电流的动态响应速 度。图2是电压矢量优化算法框图，根据框