一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法与流程

本发明是一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术：

由于具有高效率、高转矩密度、高功率密度等优点，近几年永磁同步电机(PMSM)备受关注。永磁同步电机使用永磁体建立磁场，永磁磁链是不可控的，因此，电机的反电动势和转速成正比。此外，电机驱动系统中母线电压通常为固定值，这使得永磁同步电机的转速范围是有限的。然而，在很多场合需要更宽的转速范围，例如电动汽车和轨道交通。为此，永磁同步电机驱动常使用弱磁控制来拓宽转速范围。

迄今为止，国内外学者提出了大量永磁同步电机的弱磁控制策略，但是，大多数弱磁方案都是针对内嵌式永磁同步电机的。和内嵌式永磁同步电机相比，表贴式永磁同步电机的弱磁能力有限。但是，由于简单的结构，表贴式永磁同步电机的造价更低。因此，如果有足够的弱磁能力，在很多应用场合表贴式永磁同步电机更为合适，例如伺服驱动系统。本文针对表贴式永磁同步电机提出了一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法。目前针对表贴式永磁同步电机的弱磁控制方法大致可以分为以下三类：

1.基于数学模型的永磁同步电机弱磁控制方法。

这一类方法直接通过精确的电机数学模型计算参考电流，可以实现快速的动态响应。这类方法具有理论性强的优点，但是，其缺点也很明显，通过电机数学模型计算参考电流对电机参数的精确性要求很高，其弱磁控制效果易受电机参数变化的影响。此外，这种方法引入了电机的数学模型，计算量较大，对控制器计算速度要求高。

2.基于q轴电流误差的永磁同步电机弱磁控制方法。

这一类方法首先计算出q轴电流误差，将d轴电流参考值按照和q轴电流误差成正比来给定。这类方法具有原理简单，计算量小的优点。其缺点是为了获得d轴电流参考值，q轴电流误差不能被消除，这造成了弱磁控制的不稳定性。

3.基于过调制的永磁同步电机弱磁控制方法。

这一类方法通过PI控制器确定电流参考值，PI控制器的输入是电压源逆变器输出的电压矢量和最大输出电压圆半径之差。这类方法具有原理简单，对电机参数精确性要求低的优点。但是该方法需要通过过调制策略来提高母线电压利用率，此外还需要设计低通滤波器。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的就是提出一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法，该方法适用于表贴式永磁同步电机，且简单易行，对硬件系统要求低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法，包括以下步骤：

通过磁场定向控制方法计算得到dq轴参考电压；

利用线调制策略求得最大线电压调制比；

通过减小d轴电流将最大线电压调制比调节到1来进行弱磁控制，将最大输出电压限制由圆形拓展到六边形，最大程度提高母线电压利用率，提高永磁同步电机转速范围。

进一步地，提供一种基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法，依次包含以下步骤：

第一步：用电流传感器分别测量电机的a相电流i_a、b相电流i_b和c相电流i_c，用电压传感器测量直流母线电压u_dc；

第二步：根据永磁同步电机的a相电流i_a、b相电流i_b、c相电流i_c和转子位置θ，通过式(1)计算得到d轴电流i_d和q轴电流i_q：

第三步：根据目标转速ω^*、实际转速ω、转速调节器比例系数k_p,ω和转速调节器积分系数k_i,ω，通过式(2)计算得到q轴电流初始参考值

第四步：根据电机最大电流I_max和d轴电流参考值通过式(3)计算得到q轴电流最大值i_{q_max}，其中，d轴电流参考值的初始值为0；再根据q轴电流初始参考值和q轴电流最大值i_{q_max}，通过式(4)计算得到q轴电流参考值

第五步：根据d轴电流i_d、q轴电流i_q，d轴电流参考值q轴电流参考值电流调节器比例系数k_p和电流调节器积分系数k_i，通过式(5)计算得到d轴电压参考值和q轴电压参考值其中，d轴电流参考值的初始值为0：

第六步：根据d轴电压参考值q轴电压参考值和转子位置θ，通过式(6)计算得到三相电压参考值，即a相电压参考值b相电压参考值和c相电压参考值再根据三相电压参考值，通过式(7)计算得到线电压参考值和

第七步：根据线电压参考值和母线电压u_dc，通过式(8)计算得到线电压调制比m_ac、m_bc和m_cc，其中，线电压调制比为线电压参考值和母线电压之比；其中，为a相引出线和b相引出线之间的电压的参考值；

第八步：根据线电压调制比m_ac、m_bc和m_cc，通过式(9)计算得到基于c相的最大线电压调制比m_max,c和基于c相的最小线电压调制比m_min,c；再根据m_max,c和m_min,c，通过式(10)计算得到最大线电压调制比m_max：

m_max＝m_max,c-m_min,c 式(10)

第九步：根据线调制比调节器比例系数k_p,m、线调制比调节器积分系数k_i,m和最大线电压调制比m_max，通过式(11)计算得到d轴电流初始参考值再根据d轴电流初始参考值和电机最大电流I_max，通过式(12)得到d轴电流参考值并将此处计算得到的d轴电流参考值作为下一个控制周期中第四步和第五步所用到的d轴电流参考值

其中，

第十步：根据基于c相的最大线电压调制比m_max,c和基于c相的最小线电压调制比m_min,c，通过式(13)计算得到c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}；再根据c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}，通过式(14)计算得到c相占空比δ_c：

第十一步：根据线电压调制比m_ac、m_bc和c相占空比δ_c，通过式(15)计算得到a相占空比δ_a和b相占空比δ_b：

第十二步：将电机的三相占空比(δ_a，δ_b，δ_c)和三角波进行比较得到开关信号(s_a，s_b，s_c)，进而控制逆变器驱动电机。

有益效果：该基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制方法通过磁场定向控制方法计算得到dq轴参考电压，利用线调制策略求得最大线电压调制比，通过减小d轴电流将最大线电压调制比调节到1来进行弱磁控制，将最大输出电压限制由圆形拓展到六边形，最大程度提高母线电压利用率，简单易行。具体到本发明的技术方案，具有如下优点：

1.与现有的基于数学模型的永磁同步电机弱磁控制方法相比，本发明方法不需要电机数学模型，也不需要精确的电机参数，计算量小，鲁棒性高。

2.与现有的基于q轴电流误差的永磁同步电机弱磁控制方法相比，本发明方法根据线电压调制比进行弱磁，与q轴电流误差无关，稳定性高。

3.与现有的基于过调制的永磁同步电机弱磁控制方法相比，本发明方法不需要过调制，也不需要低通滤波器，简单易行。

附图说明

图1是基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制结构示意图。

图2是电压轨迹示意图。

图3a至图3f是实验结果示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。

本发明的实施例的驱动系统包括：直流电压源、逆变电路、永磁同步电机、驱动电路、电压采样电路、电流采样电路、中央处理器。直流电压源给逆变电路提供直流母线电压，电压采样电路测量直流母线电压，电流采样电路测量电机三相电流。

本实施例中表贴式永磁同步电机的参数为：额定相电压U_N＝220V，极对数p_n＝4，定子相电阻R_s＝0.625Ω，直轴电感L_d＝8.5mH，交轴电感L_q＝8.5mH，永磁磁链ψ_f＝0.442Wb。具体实验条件为：母线电压200V，开关频率20kHz，负载转矩5Nm。

如图1所示，实施例包含的具体步骤如下：

第一步：用电流传感器分别测量电机的a相电流i_a、b相电流i_b和c相电流i_c，用电压传感器测量直流母线电压u_dc；

第二步：根据永磁同步电机的a相电流i_a、b相电流i_b、c相电流i_c和转子位置θ，通过式(1)计算得到d轴电流i_d和q轴电流i_q：

第三步：根据目标转速ω^*、实际转速ω、转速调节器比例系数k_p,ω和转速调节器积分系数k_i,ω，通过式(2)计算得到q轴电流初始参考值

第四步：根据电机最大电流I_max和d轴电流参考值通过式(3)计算得到q轴电流最大值i_{q_max}，其中，d轴电流参考值的初始值为0；再根据q轴电流初始参考值和q轴电流最大值i_{q_max}，通过式(4)计算得到q轴电流参考值

第五步：根据d轴电流i_d、q轴电流i_q，d轴电流参考值q轴电流参考值电流调节器比例系数k_p和电流调节器积分系数k_i，通过式(5)计算得到d轴电压参考值和q轴电压参考值其中，d轴电流参考值的初始值为0：

第六步：根据d轴电压参考值q轴电压参考值和转子位置θ，通过式(6)计算得到三相电压参考值，即a相电压参考值b相电压参考值和c相电压参考值再根据三相电压参考值，通过式(7)计算得到线电压参考值和

第七步：根据线电压参考值和母线电压u_dc，通过式(8)计算得到线电压调制比m_ac、m_bc和m_cc，其中，线电压调制比为线电压参考值和母线电压之比；其中，为a相引出线和b相引出线之间的电压的参考值；

第八步：根据线电压调制比m_ac、m_bc和m_cc，通过式(9)计算得到基于c相的最大线电压调制比m_max,c和基于c相的最小线电压调制比m_min,c；再根据m_max,c和m_min,c，通过式(10)计算得到最大线电压调制比m_max：

m_max＝m_max,c-m_min,c 式(10)

第九步：根据线调制比调节器比例系数k_p,m、线调制比调节器积分系数k_i,m和最大线电压调制比m_max，通过式(11)计算得到d轴电流初始参考值再根据d轴电流初始参考值和电机最大电流I_max，通过式(12)得到d轴电流参考值并将此处计算得到的d轴电流参考值作为下一个控制周期中第四步和第五步所用到的d轴电流参考值

其中，

第十步：根据基于c相的最大线电压调制比m_max,c和基于c相的最小线电压调制比m_min,c，通过式(13)计算得到c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}；再根据c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}，通过式(14)计算得到c相占空比δ_c：

第十一步：根据线电压调制比m_ac、m_bc和c相占空比δ_c，通过式(15)计算得到a相占空比δ_a和b相占空比δ_b：

第十二步：将电机的三相占空比(δ_a，δ_b，δ_c)和三角波进行比较得到开关信号(s_a，s_b，s_c)，进而控制逆变器驱动电机。

本发明通过减小d轴电流将最大线电压调制比调节到1来进行弱磁控制，将最大输出电压限制由圆形拓展到六边形(如图2所示)，可以最大程度提高母线电压利用率，减小铜耗。实验中母线电压为200V，参考转速设置为800r/min，实验结果如图3所示，包括转速、三相电流、dq轴电流、最大线调制比、电压轨迹，控制效果良好，实现了基于线电压调制的永磁同步电机弱磁控制。其中，电压轨迹为六边形，与理论相符。

总之，本发明的技术方案首先通过磁场定向控制方法计算得到dq轴参考电压，利用线调制策略求得最大线电压调制比，通过减小d轴电流将最大线电压调制比调节到1来进行弱磁控制，将最大输出电压限制由圆形拓展到六边形，最大程度提高母线电压利用率，提高永磁同步电机转速范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。