一种永磁同步电机的弱磁控制方法及控制器与流程

本发明涉及永磁同步电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的弱磁控制方法及控制器。

背景技术：

在新能源电动汽车领域等要求宽调速范围的应用场合，为了节省成本，一般采用固定减速比的减速箱，车辆在其整个速度范围内的调速功能都是由永磁同步电机来实现的，该电机转速范围通常为0至n(2<n<3)倍的额定转速。由于永磁同步电机反电动势与电机转速成正比，随着电机转速的升高，电机反电动势将成比例的上升；同时，逆变器直流侧电压限制导致其交流输出电压有限，因此，一旦电机转速高到一定程度，就会出现电机反电势大于逆变器最大输出电压的情况；而逆变器最大输出电压与电机反电势的差值大小反映了逆变器的电流控制能力，且必须为正。当电机反电势大于逆变器最大输出电压时，逆变器电流将不能实现完全可控，从而导致电机失控，对驾驶员及乘客的人身生命安全造成极大隐患。

为了避免上述电机失控的情况发生，现有技术常用防止电流环饱和导致电机失控的弱磁控制方法，其中效果较好的方案为电流超前角控制法，即通过减小合成电流矢量与负d轴夹角进行弱磁，在减小合成电流矢量在d轴上的分量id的同时也会减小合成电流矢量在q轴上分量iq的绝对值，使得合成电压矢量在d轴上的分量ud和在q轴上的分量uq都会减小。

然而，由于id随着电流环饱和的深度加剧而减小，当id＝-idf时(idf为电机的特征电流，idf＝ψf/ld)，uq＝0；随着id的进一步减小，uq的绝对值将从0开始增大。因此，随着id的减小(id的绝对值增大)，虽然在电机最大电流的限制下，iq会减小，从而减小ud，使得最终的us可以减小；但违背了调节id减小uq的初衷，不能实现准确快速减小us的目的。也即，当id<-idf时，将会出现uq反向增加的现象，影响弱磁速度。

技术实现要素：

本发明提供一种永磁同步电机的弱磁控制方法及控制器，以解决现有技术中当id<-idf时uq反向增加的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种永磁同步电机的弱磁控制方法，应用于永磁同步电机的控制器，所述永磁同步电机的弱磁控制方法包括：

确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点；

计算得到永磁同步电机的特征电流idf；

判断所述特征电流idf是否小于所述永磁同步电机的最大电流is_max；

若所述特征电流idf小于所述最大电流is_max，则确定弱磁轨迹终点的坐标为(-idf，0)；

若所述特征电流idf大于等于所述最大电流is_max，则确定所述弱磁轨迹终点的坐标为(-is_max，0)；

根据电压环pi输出量，调节所述永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由所述弱磁轨迹起点向所述弱磁轨迹终点移动。

优选的，在所述确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点之前，还包括：

根据转速环输出值、最大转矩电流比算法的输出值或者标定电机得到的转矩电流对照表，得到d轴给定电流id_ref及q轴给定电流iq_ref。

优选的，所述计算得到永磁同步电机的特征电流idf，包括：

根据所述永磁同步电机的永磁磁链ψf及d轴电感ld，计算得到所述特征电流idf。

优选的，在所述根据电压环pi输出量，调节所述永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由所述弱磁轨迹起点向所述弱磁轨迹终点移动之前，还包括：

将设定值us_set与所述永磁同步电机的合成电压矢量的实际值us做差，得到的差值为us_set-us；所述设定值us_set小于等于逆变器可输出的最大电压矢量；

若所述差值大于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到所述电压环pi输出量为零；

若所述差值小于零，则由所述电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到所述电压环pi输出量为0至-1。

优选的，所述预设轨迹为：

连接所述弱磁轨迹起点与所述弱磁轨迹终点的直线；

或者，连接所述弱磁轨迹起点与所述弱磁轨迹终点的正弦函数曲线或者余弦函数曲线。

一种永磁同步电机的控制器，包括：

起点确定单元，用于确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点；

计算单元，用于计算得到永磁同步电机的特征电流idf；

判断单元，用于判断所述特征电流idf是否小于所述永磁同步电机的最大电流is_max；

终点确定单元，用于若所述特征电流idf小于所述最大电流is_max，则确定弱磁轨迹终点的坐标为(-idf，0)；若所述特征电流idf大于等于所述最大电流is_max，则确定所述弱磁轨迹终点的坐标为(-is_max，0)；

调节单元，用于根据电压环pi输出量，调节所述永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由所述弱磁轨迹起点向所述弱磁轨迹终点移动。

优选的，还包括：

给定单元，用于在所述起点确定单元确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点之前，根据转速环输出值、最大转矩电流比算法的输出值或者标定电机得到的转矩电流对照表，得到d轴给定电流id_ref及q轴给定电流iq_ref。

优选的，所述计算单元用于计算得到永磁同步电机的特征电流idf时，具体用于：

根据所述永磁同步电机的永磁磁链ψf及d轴电感ld，计算得到所述特征电流idf。

优选的，还包括：

电压环，用于在所述调节单元根据电压环pi输出量，调节所述永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由所述弱磁轨迹起点向所述弱磁轨迹终点移动之前，将设定值us_set与所述永磁同步电机的合成电压矢量的实际值us做差，得到的差值为us_set-us；若所述差值大于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到所述电压环pi输出量为零；若所述差值小于零，则由所述电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到所述电压环pi输出量为0至-1；所述设定值us_set小于等于逆变器可输出的最大电压矢量。

优选的，所述预设轨迹为：

连接所述弱磁轨迹起点与所述弱磁轨迹终点的直线；

或者，连接所述弱磁轨迹起点与所述弱磁轨迹终点的正弦函数曲线或者余弦函数曲线。

本发明提供的所述永磁同步电机的弱磁控制方法，通过比较永磁同步电机的特征电流idf与最大电流is_max，并根据电压环pi输出量，在idf<is_max时，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由(id_ref，iq_ref)向(-idf，0)移动，在idf>is_max时，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由(id_ref，iq_ref)向(-is_max，0)移动；而无论当前合成电流矢量在d轴上分量id的绝对值是否超越了特征电流idf，总会使合成电压矢量us朝着减小的方向变化，克服了现有技术中当id<-idf时uq反向增加的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的永磁同步电机的弱磁控制方法的流程图；

图2是本发明另一实施例提供的永磁同步电机的弱磁控制方法的流程图；

图3是本发明另一实施例提供的idf<is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图；

图4是本发明另一实施例提供的idf<is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图；

图5是本发明另一实施例提供的idf>is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图；

图6是本发明另一实施例提供的idf>is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图；

图7是本发明另一实施例提供的永磁同步电机的弱磁控制方法的控制框图；

图8是本发明另一实施例提供的斜线弱磁法进行弱磁控制的波形效果图；

图9是现有技术提供的电流超前角控制弱磁法的波形效果图；

图10是现有技术提供的内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统的弱磁电流矢量轨迹示意图；

图11是本发明另一实施例提供的永磁同步电机的控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种永磁同步电机的弱磁控制方法，以解决现有技术中当id<-idf时uq反向增加的问题。

关于永磁同步电机，稳态时且忽略电阻对电压的影响，永磁同步电机的电压方程为：

由公式(1)可以得到，随着电机转速的升高，在相同的id(当前合成电流矢量在d轴上的分量)和iq(当前合成电流矢量在q轴上的分量)下，ud(当前合成电压矢量在d轴上的分量)和uq(当前合成电压矢量在q轴上的分量)的绝对值都会增大。当电机转速上升到一定值后，如果d、q轴的两个电流参考值(即d轴给定电流id_ref和q轴给定电流iq_ref)的取值不合适，将会导致电机端合成电压矢量us幅值超过逆变器可输出的最大电压us_max，从而导致逆变器失去电流调节能力，造成电机失控，其中us幅值为：

即使d、q轴的两个电流参考值是根据提前标定的数据进行查表得到的，但在实际运行中，由于电机交直轴电感ld、lq及永磁磁链ψf，会随电机电流温度等因素而变化，使得在电机加减速过程中出现us超出预期值，依然存在失控风险。

另外，从公式(1)可以看出，稳态时，减小iq可以减小ud的绝对值；当uq>0时，即id>-idf时，减小id可减小uq；当uq<0时，即id<-idf时，增大id可减小uq。而且当id＝-idf，iq＝0时，us＝0，即电机端电压达到最小。

因此，本发明提供的该永磁同步电机的弱磁控制方法，应用于永磁同步电机的控制器，具体的，参见图1，该永磁同步电机的弱磁控制方法包括：

s101、确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点；

s102、计算得到永磁同步电机的特征电流idf；

优选的，根据永磁同步电机的永磁磁链ψf及d轴电感ld，计算得到特征电流idf＝ψf/ld。其计算过程与现有技术相同，此处不再赘述。

s103、判断特征电流idf是否小于永磁同步电机的最大电流is_max；

图3为idf<is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，图4为idf<is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，图5为idf>is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，图6为idf>is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图。为了使us朝着减小的方向变化，需要根据idf<is_max或idf>is_max的不同情况，设置不同弱磁轨迹终点的坐标。

若特征电流idf小于最大电流is_max，则执行步骤s104；若特征电流idf大于等于最大电流is_max，则执行步骤s105；

s104、确定弱磁轨迹终点的坐标为(-idf，0)；

s105、确定弱磁轨迹终点的坐标为(-is_max，0)；

s106、根据电压环pi输出量，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由弱磁轨迹起点向弱磁轨迹终点移动。

优选的，该预设轨迹，不仅可以为连接弱磁轨迹起点与弱磁轨迹终点的直线，比如图3至图6所示的由弱磁轨迹起点向弱磁轨迹终点所做的一条斜线，此斜线即为斜线弱磁法中进行弱磁调节的预设轨迹，在调节过程中合成电流矢量的顶点将在此斜线上移动；或者，该预设轨迹，还可以为连接弱磁轨迹起点与弱磁轨迹终点的正弦函数曲线或者余弦函数曲线。

在具体的实际应用中，该预设轨迹还可以视其具体由于环境而定，此处仅为一种示例，并不一定限定于此，能够实现使us朝着减小的方向变化的预设轨迹均在本申请的保护范围内。

具体的，参见图3所示idf<is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，其中，电流极限圆与d轴的交点为永磁同步电机的最大电流is_max；is1、is2为调节之前的两个合成电流矢量，is1′、is2′为采用斜线弱磁法调节之后的对应合成电流矢量，虚线为斜线弱磁法中进行弱磁调节的预设轨迹，其箭头代表调节方向。ωr1和ωr2为电机转子角速度，且ωr1<ωr2，电压极限在dq坐标系上为同心的椭圆，椭圆中心坐标为(-idf，0)，随着转速的升高椭圆将逐渐缩小；只有合成电流矢量位于椭圆内部，该永磁同步电机的电流才可控。

假设弱磁前合成电流矢量is1(其在d轴上的分量大于-idf)对应的实际us已超出电流可控范围，则按当前合成电流矢量is1的顶点向电机特征电流点(-idf，0)做一条斜线，以电压环pi输出量调节合成电流矢量的顶点在此斜线上移动，进入ωr2对应的电压椭圆，此时合成电流矢量变为is1′，其实际us会降到电流可控范围，保证了实际电流可控。并且，当调节到极限时，即到达弱磁轨迹终点时，us＝0。同理，当弱磁前合成电流矢量is2(当前合成电流矢量在d轴上的分量小于-idf)对应的实际us已超出设定值时，也是由当前合成电流矢量is2的顶点向(-idf，0)做一条斜线，并沿着此斜线进行弱磁。

图4为idf<is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，其弱磁过程同图3所示的电动状态相同，只是电流矢量整体位于第三象限，此处不再赘述。

图5为idf>is_max时电动状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，其中，电流极限圆与d轴的交点为永磁同步电机的最大电流is_max；is为调节之前的合成电流矢量，is′为采用斜线弱磁法调节之后的对应合成电流矢量，虚线为斜线弱磁法中进行弱磁调节的预设轨迹，其箭头代表调节方向。ωr1和ωr2为电机转子角速度，且ωr1<ωr2，电压极限在dq坐标系上为同心的椭圆，椭圆中心坐标为(-idf，0)，随着转速的升高椭圆将逐渐缩小；只有电流矢量位于椭圆内部，该永磁同步电机的电流才可控。

假设弱磁前电流矢量is对应的实际us已超出电流可控范围，则按当前合成电流矢量的顶点向电机特征电流点(-is_max，0)做一条斜线，以电压环pi输出量调节合成电流矢量的顶点在此斜线上移动，进入ωr2对应的电压椭圆，此时合成电流矢量变为is′，其实际us会降到电流可控范围，保证了实际电流可控。

图6为idf>is_max时发电状态下的弱磁电流矢量轨迹示意图，弱磁过程同图5所示的电动状态相同，只是电流矢量整体位于第三象限，此处不再赘述。

从上述斜线弱磁法的原理可以看出，其不必区分当前合成电流矢量在d轴上分量id的绝对值是否超越了-idf，即无论当前合成电流矢量位于什么位置，按本上述斜线弱磁法调节电流矢量总会使us朝着减小的方向变化，克服了现有技术中电流超前角等方法在过了特征电流之后，id调节反向使uq负向增加的缺陷，其相对于传统弱磁方法调节更准确、快速、易实现，且对各种电机兼容更好，有效防止电机失控。

本发明另一实施例还提供了另外一种永磁同步电机的弱磁控制方法，在上述实施例及图1的基础之上，参见图2，该永磁同步电机的弱磁控制方法包括：

s201、根据转速环输出值、最大转矩电流比算法的输出值或者标定电机得到的转矩电流对照表，得到d轴给定电流id_ref及q轴给定电流iq_ref；

s202、确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点；

s203、计算得到永磁同步电机的特征电流idf；

s204、判断特征电流idf是否小于永磁同步电机的最大电流is_max；

若特征电流idf小于最大电流is_max，则执行步骤s205；若特征电流idf大于等于最大电流is_max，则执行步骤s206；

s205、确定弱磁轨迹终点的坐标为(-idf，0)；

s206、确定弱磁轨迹终点的坐标为(-is_max，0)；

s207、将设定值us_set与永磁同步电机的合成电压矢量的实际值us做差，得到的差值为us_set-us；

其中，设定值us_set小于等于逆变器可输出的最大电压矢量；

s208、若差值大于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到电压环pi输出量为零；若差值小于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到电压环pi输出量为0至-1；

s209、根据电压环pi输出量，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由弱磁轨迹起点向弱磁轨迹终点移动。

参见图7，d、q轴总电压经过计算得到的电机端的合成矢量电压us小于设定值us_set(可以取逆变器可输出的最大电压矢量us_max)时，电压环pi输出量为0，并不执行本弱磁控制方法的各个步骤，不对给定电流进行调节，即给定电流矢量一直位于弱磁轨迹起点，并不沿预设轨迹向弱磁轨迹终点移动。

当合成矢量电压us大于设定值us_set时，电压环起作用，合成电流矢量的调节程度由电压环pi控制器输出决定，该电压环pi控制器输出限幅为0至-1，且其输出越靠近-1，合成电流矢量的顶点距弱磁轨迹终点就越近；其输出等于-1时，合成电流矢量的顶点到达弱磁轨迹终点。通过相应的弱磁控制，将id_ref和iq_ref调节为id*和iq*，与反馈回来并进行clarkpark变换的实际id和iq做差，分别经过各自的pi控制器之后，与解耦分量vd_ff与vq_ff进行叠加，叠加后的信号不仅用于上述电压闭环控制，还经过park变换后，通过svpwm的调制方式控制永磁同步电机(pmsm，permanentmagnetsynchronousmotor)前端逆变器中的各个开关管；最终能够有效控制实际us稳定在设定值us_set以下，始终保证电流完全可控。

在具体的实际测试过程中，可以以一台4对极、额定转速1200rpm、峰值转速4000rpm、峰值功率100kw、特征电流302a、最大电流375a的永磁同步电机为例，在电动汽车上进行测试。测试过程中电动汽车运行于高速状态，电机进入弱磁区，且频繁进行突加速突减速测试，利用上位机记录弱磁过程电机实际us标幺值。

图8为按本实施例中的斜线弱磁法进行弱磁控制的结果，横轴代表时间轴，纵轴代表us瞬时值，其中us为标幺值，且将设定值us_set设置为1，由图8可以得到，在突加速或突减速时，本方法可以很好控制us不超过设定值us_set。而对比图9所示传统弱磁方法中效果较好的电流超前角控制弱磁法的结果，发现电流超前角控制弱磁法在突加速或突减速时，会超出设定值us_set，达到1.07，不能准确快速控制us不超出设定值us_set。

综上，通过合理确定弱磁轨迹起点与弱磁轨迹终点，并规划预设轨迹，最终能够确保合成电压矢量us稳定在设定值us_set以下，通过对该设定值us_set的设置，能够确保合成电压矢量us小于等于逆变器可输出的最大电压矢量udp_max，使逆变器始终具有调节电流能力，不会造成电机失控。具有调节准确、快速、易实现且兼容好的优点。

值得说明的是，现有技术中还存在一种内嵌式永磁同步电机线性弱磁控制系统，参见图10，其将弱磁控制分为：线性弱磁控制一区(o点到a点的线段)、线性弱磁控制二区(a点到b点的线段)和线性弱磁控制三区(b点到c点的线段)。当转速控制范围为零到a点的转速时，其工作在弱磁控制一区；当转速控制范围为a点的转速到b点的转速时，其工作在弱磁控制二区；当转速控制范围为b点的转速到内嵌式永磁同步电机的最高转速时，其工作在弱磁控制三区。其中，o点为dq坐标系的坐标原点，a点为最大转矩输出点，b点为由电压极限椭圆中心所作垂直于直轴电流的直线与电流极限圆交点，c点为电压极限椭圆中心点。该系统是根据检测转速决定控制永磁同步电机工作于具体的哪一线性弱磁区，其原理上属于电压开环控制，当电机参数(如ld、lq、ψf等)都为理想值且不变化的情况下可以较好地控制电机，但实际情况下电机参数会发生变化，使得其不能准确控制us，仍然存在失控风险，且其只适用于最大电流大于特征电流的电机，并且按该控制方法，最大电流大于特征电流的电机的d轴电流幅值必须小于或等于特征电流，限制了电机高速时的最大转矩输出。

而本实施例提供的该永磁同步电机的弱磁控制方法，采用上述电压闭环控制，能够避免受电机参数的影响；并且，通过合理设定弱磁轨迹起点与终点，并规划预设轨迹，使电机us稳定在设定值us_set以下，有效防止了电机在高速时因电流环饱和导致失控的现象发生；另外，如图3至图6所示，其对最大电流大于或小于特征电流的电机都适用，不会限制电机高速时的最大转矩输出。

本发明另一实施例还提供了一种永磁同步电机的控制器，参见图11，包括：

起点确定单元101，用于确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点；

计算单元102，用于计算得到永磁同步电机的特征电流idf；

判断单元103，用于判断特征电流idf是否小于永磁同步电机的最大电流is_max；

终点确定单元104，用于若特征电流idf小于最大电流is_max，则确定弱磁轨迹终点的坐标为(-idf，0)；若特征电流idf大于等于最大电流is_max，则确定弱磁轨迹终点的坐标为(-is_max，0)；

调节单元105，用于根据电压环pi输出量，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由弱磁轨迹起点向弱磁轨迹终点移动。

优选的，计算单元102用于计算得到永磁同步电机的特征电流idf时，具体用于：

根据永磁同步电机的永磁磁链ψf及d轴电感ld，计算得到特征电流idf。

优选的，该永磁同步电机的控制器，参见图11，在图10的基础上，还包括：

给定单元106，用于在起点确定单元101确定d、q轴给定电流坐标(id_ref，iq_ref)为弱磁轨迹起点之前，根据转速环输出值、最大转矩电流比算法的输出值或者标定电机得到的转矩电流对照表，得到d轴给定电流id_ref及q轴给定电流iq_ref。

电压环107，用于在调节单元105根据电压环pi输出量，调节永磁同步电机的合成电流矢量的顶点沿着预设轨迹由弱磁轨迹起点向弱磁轨迹终点移动之前，将设定值us_set与永磁同步电机的合成电压矢量的实际值us做差，得到的差值为us_set-us；若差值大于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到电压环pi输出量为零；若差值小于零，则由电压环pi控制器根据差值进行放大后，得到电压环pi输出量为0至-1。

优选的，该预设轨迹为：

连接弱磁轨迹起点与弱磁轨迹终点的直线；

或者，连接弱磁轨迹起点与弱磁轨迹终点的正弦函数曲线或者余弦函数曲线。

具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。