一种基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法与流程

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法。

背景技术：

采用电压空间矢量调制(svpwm)技术控制永磁电机是将逆变器和电机视为一体，通过控制电压矢量获得圆形旋转磁场，以取得优良的控制效果。在矢量控制过程中，永磁电机控制系统中功率管的开关频率也叫控制频率，当微控制器中脉冲调制模块的周期寄存器中的值tbprd固定时，开关频率也随之确定，开关频率大小为其中tbclk是增强型微控制器的基准时钟周期。由于永磁电机矢量控制是对采样电流和位置处理后才产生功率管开关信号，那么f同时也是采样电流和位置的使用频率，即不管采样速度有多快，使用电流和位置的速度与f保持一致，所以，开关频率越高，电流和位置的利用次数越多，则对圆形旋转磁场的跟踪效果就越好，输出转矩越平稳；然而，开关频率高会导致开关损耗加大，功率模块温度升高，不利于其长期工作，且损耗大也降低了系统的效率，另外，在大电流条件下，功率管开关频率会受到开关特性的限制。综上所述，选取合理的开关频率应当综合考虑以上各项指标。

专利《一种基于恒定开关频率空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制装置》采用恒定开关频率的控制方法是目前最常用的方式，该方法可以使永磁电机正常运行且在中低速时能保证控制精度，但当永磁电机运行在中高速状态时，在一个电周期内，电流和位置的使用次数减少，控制精度降低，永磁电机转矩输出性能下降。

事实上，永磁电机矢量控制系统的功率管开关频率可以通过改变tbprd的值不断修改，以适应不同的电机转速，即当电机转速升高时，功率管开关频率随之升高，电流和位置的利用次数增多，这可以改善永磁电机的控制性能。但是开关频率的修改会影响到系统的控制参数，主要是转速环pi控制器比例因子ksp、积分因子ksi和电流环pi控制器比例因子kcp、积分因子kci；除此之外，在通过提高开关频率改善系统控制性能的过程中，应考虑到功率管的上限开关频率fmax会受到电流的限制，不能无限制的增加，否则会造成功率管被烧毁等不安全后果。根据永磁电机转速改变开关频率并计算相应的控制参数对提升永磁调速电机的控制性能有重要的意义。

技术实现要素：

在基于矢量控制的永磁电机高速运行过程中，为增加一个电周期内电流和位置的使用次数，以实现对圆形旋转磁场的良好跟踪效果，提升永磁调速电机的控制精度和转矩输出性能的同时能够确保功率管安全运行，本发明提出一种基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法。

一种基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将电机调速范围从0～nmax分成中低速段和中高速段，分别为[0,nmax/2]和(nmax/2，nmax]，其中nmax是永磁电机的空载最高转速；

步骤2：分段计算开关频率：当电机工作在中低速段，采用固定开关频率f0＝5khz；当电机工作在中高速段，实时开关频率大小由公式计算得到，其中m是保证永磁电机良好控制性能的一个电周期内电流和位置的使用次数，n0是电机的实时转速，p是永磁电机极对数；

步骤3：根据功率管的工作特性限制开关频率：如果步骤2计算出的fr≤fmax，fr取实时计算值，如果fr＞fmax，令fr＝fmax，其中fmax是功率管在大工作电流时的开关频率上限，该值与功率管的型号有关，由生产厂家提供；

步骤4：根据开关频率计算微控制器脉宽调制模块周期寄存器的值tbprd和实时控制参数ksp、ksi、kcp和kci：当电机工作在中低速段时，tbprd是定值，大小为实时控制参数为ksp＝ksp0、ksi＝ksi0、kcp＝kcp0、kci＝kci0；当电机工作在中高速段，实时控制参数分别由计算得到，其中，ksp、ksi分别为转速环pi控制器的比例因子和积分因子，kcp、kci分别为电流环pi控制器的比例因子和积分因子，ksp0、ksi0、kcp0和kci0是当开关频率是f0时保证系统正常运行的控制参数ksp、ksi、kcp和kci的初始值，tbclk是微控制器的基准时钟周期。

本发明的有益效果是：综合考虑了开关频率与电机控制性能和功率管开关特性之间的关系，将电机调速范围分成中低速段和中高速段，在中低速段采用恒定开关频率，在中高速段根据电机转速实时计算开关频率与相应的控制参数，并通过改变微控制器脉宽调制模块周期寄存器的值tbprd实现了变开关频率的电机控制，可以增加电机高速段一个电周期内电流和位置的使用次数，实现对圆形磁场的良好跟踪效果，提升永磁调速电机的控制精度和转矩输出性能。

附图说明

图1是本发明的一种基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

永磁电机矢量控制是磁场定向控制方法的一种，其关键技术是结合采样位置对三相采样电流进行坐标变化，结合电压空间矢量调制(svpwm)技术获得功率管控制信号，从而实现对圆形旋转磁场的跟踪，因此，在一个电周期内，当采样电流和位置的使用次数越多，控制效果会越好。增加采样电流和位置使用次数的一个重要途径是改变功率管的开关频率，即改变微控制器的脉宽调制模块周期寄存器的值tbprd，且转速越高，tbprd越大，但是功率管开关频率受到大工作电流的限制，不能因为追求高性能控制而一直增大开关频率，只需要保证每个电周期内使用一定次数(m次)的采样电流和位置即可；同时，系统的控制参数，包括转速环pi控制器比例因子ksp、积分因子ksi和电流环pi控制器比例因子kcp、积分因子kci会随着开关频率的改变而不同。基于变开关频率的永磁电机控制参数计算方法基本流程如图1所示，本实施例所分析的永磁电机极对数p＝3，永磁电机最高转速nmax＝8000rpm，保证电机控制性能的一个电周期内所需要的电流和位置的使用次数m＝25。具体计算过程如下：

第一步：将电机调速范围分成中低速段和高速段

当永磁电机处于中低速工作状态时，选择一个较低的恒定开关频率就可以保证电机的控制精度和转矩输出特性，所以，本发明提出的变开关频率矢量控制方法具有以下特点：只有当电机运行在中高速时，开关频率才会随转速实时变化，这里对中低速和中高速范围进行划分：中低速范围是[0,nmax/2]＝[0,4000]，中高速范围是(nmax/2,nmax]＝(4000,8000]；

第二步：分段计算开关频率

当永磁电机工作在第一步确定的中低速范围时，采用固定开关频率f0＝5khz，一个电周期采样电流和位置使用次数等于m，能够保证电机具有良好的控制性能；当电机工作在中高速段，若仍采用固定开关频率f0＝5khz，一个电周期内位置和电流的使用次数小于m，电机控制性能下降，为保证一个电周期内采样电流和位置的利用次数为m＝25，使得发出的电压矢量对圆形磁场具有良好的跟踪效果，此时，按计算开关频率，以n0＝7000rpm为例，开关频率为fr＝8.75khz；

第三步：根据功率管的工作特性限制开关频率

功率管开关频率受到电路设计、加工工艺以及电流等因素的限制，不能一直增大，在实际应用中，大电流对开关频率的影响最为明显，如果永磁电机工作电流比较大，开关频率超过一定阈值就会导致功率管损坏，本发明就是基于此对开关频率最大值进行限制。本实施例中，永磁电机工作电流有效值irms＝45a，根据功率模块生产厂家的建议，开关频率的上限fmax＝10khz，如果第二步计算出的开关频率fr高于该值，令fr＝fmax＝10000，那么tbprd的最小值也会被限制为tbprd_min＝1875；

第四步：计算微控制器脉宽调制模块周期寄存器的值tbprd和实时控制参数ksp、ksi、kcp和kci

在电机控制过程中，第二步计算得到的开关频率需要通过实时改变tbprd的值来实现，另外，永磁电机矢量控制系统中的转速外环pi控制器和转速内环pi控制器都是在微控制器内通过编程实现的，是离散控制器，所以它们的控制参数ksp、ksi、kcp和kci是随着控制频率变化的，其中，当在f0＝5khz时，保证系统正常运行的初始控制参数值为ksp0＝15，ksi0＝0.15，kcp0＝0.01，kci0＝0.000075。

当永磁电机工作在中低速范围时，本实施例中，微控制器脉宽调制模块基准时钟周期配置为此时，控制参数大小为ksp＝ksp0＝15，ksi＝ksi0＝0.15，kcp＝kcp0＝0.01和kci＝kci0＝0.000075。

当电机工作在中高速段(n0＞4000)时，tbprd随着转速变化而不断改变，大小为以n0＝7000rpm为例，开关频率为fr＝8.75khz，则大于1875，不需要限制；当控制频率改变为fr后，当前积分因子(ksi和kci)和初始参数间具有以下关系：另外，当前比例因子与积分因子的比值和初始参数间的比例应保持一致，故本实施例中，当电机转速为7000rpm，控制参数为ksp＝8.6，ksi＝0.086，kcp＝0.0057，kci＝0.000043。