一种适用于永磁同步电机控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电机控制系统，具体地说是一种适用于永磁同步电机控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.常规的永磁同步电机控制系统中，逆变器的直流母线电压恒定难以调节。这种控制系统存在几个问题：1、电机弱磁扩速能力差；2、电机运行在弱磁区时效率较低；3、低速轻载时控制器效率较低。


技术实现要素：

3.本发明为克服现有技术的不足，提供一种适用于永磁同步电机控制系统及其控制方法，在逆变器前级引入dc/dc变换器，该dc/dc变换器具有升压和降压功能，能够根据控制系统的指令控制其输出电压继而控制逆变器的母线电压。
4.为实现上述目的，设计一种适用于永磁同步电机控制系统，包括直流电源、dc/dc变换器、逆变器、永磁同步电机、控制电路，其特征在于：所述功率电路包括直流电源、dc/dc变换器、逆变器、永磁同步电机，所述直流电源与所述逆变器之间连接设有dc/dc变换器，所述逆变器的电气输出端与所述永磁同步电机的电气输入端连接；所述控制电路与所述功率电路连接；所述控制电路根据检测到的所述dc/dc变换器的电压及电流信息、所述逆变器的电流信息、所述永磁同步电机的位置信号分别向所述dc/dc变换器和所述逆变器中功率器件发送驱动信号以控制功率电路的工作状态继而控制永磁同步电机运行。
5.所述的直流电源的u+端连接dc/dc变换器的udc_in+端，直流电源的u-端连接dc/dc变换器的udc_in-端，dc/dc变换器的udc_out+端连接逆变器的uinv_in+端，dc/dc变换器的udc_out-端连接逆变器的uinv_in-端，逆变器的uinv_out1端、uinv_out2端、uinv_out3端分别与永磁同步电机的u1端、v1端、w1端连接。
6.所述的直流电源的u+端及u-端为直流电源的正极及负极；永磁同步电机的u1端、v1端、w1端分别为永磁同步电机每相绕组对应的与逆变器的电气接口。
7.一种适用于永磁同步电机控制系统的控制方法，具体流程如下：
8.s1：在电机控制系统中增加了调压控制，整个电机控制系统的控制分为调压控制、foc控制、弱磁控制；
9.s2：在foc控制模块中根据接收到的电机速度指令和实际速度采用mtpa算法得到d、q轴电流指令i
d1
和i
q1
；
10.s3：i
d1
与i
q1
和弱磁控制模块共同调制得到的d轴参考电流i
d*
和q轴参考电流i
q*
；
11.s4：i
d*
和i
q*
分别与电机实际的d、q轴电流id和iq调节得到电机的d轴电压ud和q轴电压uq，ud和uq经过park逆变换后输入到svpwm模块；
12.s5：svpwm模块结合dc/dc变换器的输出电压幅值u
dc1
、ud及uq继而控制永磁同步电机运行。
13.所述的dc/dc变换器具有电压调节功能，最小输出电压u
min
，最大输出电压u
max
。
14.所述的调压控制模块能够根据电机控制系统接收到的转速指令和电机实时转速控制dc/dc变换器的输出电压；所述的foc控制模块控制永磁同步电机运行。
15.所述的dc/dc变换器的输出电压不满足foc控制模块的电压要求时，弱磁控制模块能够及时调整永磁同步电机的id和iq，使得永磁同步电机进入弱磁区，提高永磁同步电机的输出能力。
16.所述的电机参数包括极对数p、直轴电感ld、交轴电感lq、相电阻rs和永磁磁链ψf；电机实际转速speed为对应的机械角速度ωm；其中，
17.d轴磁链：ψ
d1
＝ld·id1
+ψf；
18.q轴磁链：ψ
q1
＝lq·iq1
；
19.电机的电角速度:ωe＝p*ωm；
20.d轴电压：u
d1
＝dψd/dt-ωe·
ψq+rs·id1
；
21.q轴电压：u
q1
＝dψq/dt+ωe·
ψd+rs·iq1
；
22.电机电压矢量参考幅值：u1＝sqrt(u
d12
+u
q12
)。
23.所述的dc/dc变换器的电压指令u
dc1*
与电机参数、电机实际转速speed、d轴电流指令i
d1
和q轴电流指令i
q1
的计算公式为u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1·
sqrt(3)),u
max
]或者u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1),u
max
]，其中，k1》1，通常1.05《k1《1.5。
[0024]
所述的公式u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1·
sqrt(3)),u
max
]适用于星形绕组型的连接方式；所述的公式u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1),u
max
]适用于三角形绕组的连接方式。
[0025]
所述的弱磁控制模块中电机电压矢量幅值：u＝sqrt(u
d2
+u
q2
)；逆变器母线电压与永磁同步电机电压差值为：δu＝u
dc1
/sqrt(3)-u或者δu＝u
dc1-u，若δu≥0，所述弱磁控制模块输出d、q轴电流修正值i
ds
和i
qs
为零；若δu《0，所述弱磁控制模块工作，其输出d、q轴电流修正值i
ds
和i
qs
非零。
[0026]
所述的电压差值为δu＝u
dc1
/sqrt(3)-u适用于星形绕组型的连接方式；所述的电压差值为δu＝u
dc1-u适用于三角形绕组的连接方式。
[0027]
本发明同现有技术相比，提供一种适用于永磁同步电机控制系统及其控制方法，在逆变器前级引入dc/dc变换器，该dc/dc变换器具有升压和降压功能，能够根据控制系统的指令控制其输出电压继而控制逆变器的母线电压。
附图说明
[0028]
图1为传统的电机控制系统连接示意图。
[0029]
图2为传统的电机控制系统电路连接示意图。
[0030]
图3为传统的电机控制系统控制逻辑框图。
[0031]
图4为本发明的系统连接示意图。
[0032]
图5为本发明的电路连接示意图。
[0033]
图6为本发明的控制逻辑框图。
[0034]
图7为本发明和传统的电机控制系统逆变器输入电压于电机需求电压曲线图。
[0035]
图8为本发明和传统的电机控制系统电机转矩-转速曲线对比图。
具体实施方式
[0036]
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
[0037]
如图1至图3所示，常规的电机控制系统中，电源直接或间接和逆变器连接，逆变器和被控电机电气连接，逆变器的输入电压不可控。随着电机转速升高，电机进入弱磁区，相电流存在不产生转矩的id，导致高速弱磁时输出转矩下降，效率较低。低速轻载时，电机相电流很小。逆变器端电压不变，功率器件开关损耗相对较高，导致系统效率低下。如果系统电源为蓄电池，放电时间过长或母线电流过大，输出电压显著下降，导致电机输出性能显著下降。
[0038]
如图4至图6所示，本发明的一种适用于永磁同步电机控制系统，包括直流电源、dc/dc变换器、逆变器、永磁同步电机、控制电路，其特征在于：所述功率电路包括直流电源、dc/dc变换器、逆变器、永磁同步电机，所述直流电源与所述逆变器之间连接设有dc/dc变换器，所述逆变器的电气输出端与所述永磁同步电机的电气输入端连接；所述控制电路与所述功率电路连接；所述控制电路根据检测到的所述dc/dc变换器的电压及电流信息、所述逆变器的电流信息、所述永磁同步电机的位置信号分别向所述dc/dc变换器和所述逆变器中功率器件发送驱动信号以控制功率电路的工作状态继而控制永磁同步电机运行。
[0039]
直流电源的u+端连接dc/dc变换器的udc_in+端，直流电源的u-端连接dc/dc变换器的udc_in-端，dc/dc变换器的udc_out+端连接逆变器的uinv_in+端，dc/dc变换器的udc_out-端连接逆变器的uinv_in-端，逆变器的uinv_out1端、uinv_out2端、uinv_out3端分别与永磁同步电机的u1端、v1端、w1端连接。
[0040]
直流电源的u+端及u-端为直流电源的正极及负极；永磁同步电机的u1端、v1端、w1端分别为永磁同步电机每相绕组对应的与逆变器的电气接口。
[0041]
一种适用于永磁同步电机控制系统的控制方法，具体流程如下：
[0042]
s1：在电机控制系统中增加了调压控制，整个电机控制系统的控制分为调压控制、foc控制、弱磁控制；
[0043]
s2：在foc控制模块中根据接收到的电机速度指令和实际速度采用mtpa算法得到d、q轴电流指令i
d1
和i
q1
；
[0044]
s3：i
d1
与i
q1
和弱磁控制模块共同调制得到的d轴参考电流i
d*
和q轴参考电流i
q*
；
[0045]
s4：i
d*
和i
q*
分别与电机实际的d、q轴电流id和iq调节得到电机的d轴电压ud和q轴电压uq，ud和uq经过park逆变换后输入到svpwm模块；
[0046]
s5：svpwm模块结合dc/dc变换器的输出电压幅值u
dc1
、ud及uq继而控制永磁同步电机运行。
[0047]
dc/dc变换器具有电压调节功能，最小输出电压u
min
，最大输出电压u
max
。
[0048]
调压控制模块能够根据电机控制系统接收到的转速指令和电机实时转速控制dc/dc变换器的输出电压；所述的foc控制模块控制永磁同步电机运行。
[0049]
dc/dc变换器的输出电压不满足foc控制模块的电压要求时，弱磁控制模块能够及时调整永磁同步电机的id和iq，使得永磁同步电机进入弱磁区，提高永磁同步电机的输出能力。
[0050]
电机参数包括极对数p、直轴电感ld、交轴电感lq、相电阻rs和永磁磁链ψf；
[0051]
电机实际转速speed为对应的机械角速度ωm；其中，
[0052]
d轴磁链：ψ
d1
＝ld·id1
+ψf；
[0053]
q轴磁链：ψ
q1
＝lq·iq1
；
[0054]
电机的电角速度:ωe＝p*ωm；
[0055]
d轴电压：u
d1
＝dψd/dt-ωe·
ψq+rs·id1
；
[0056]
q轴电压：u
q1
＝dψq/dt+ωe·
ψd+rs·iq1
；
[0057]
电机电压矢量参考幅值：u1＝sqrt(u
d12
+u
q12
)。
[0058]
dc/dc变换器的电压指令u
dc1*
与电机参数、电机实际转速speed、d轴电流指令i
d1
和q轴电流指令i
q1
的计算公式为u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1·
sqrt(3)),u
max
]或者u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1),u
max
]，其中，k1》1，通常1.05《k1《1.5。
[0059]
公式u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1·
sqrt(3)),u
max
]适用于星形绕组型的连接方式；所述的公式u
dc1*
＝min[max(u
min
,k1·
u1),u
max
]适用于三角形绕组的连接方式。
[0060]
弱磁控制模块中电机电压矢量幅值：u＝sqrt(u
d2
+u
q2
)；逆变器母线电压与永磁同步电机电压差值为：δu＝u
dc1
/sqrt(3)-u或者δu＝u
dc1-u，若δu≥0，所述弱磁控制模块输出d、q轴电流修正值i
ds
和i
qs
为零；若δu《0，所述弱磁控制模块工作，其输出d、q轴电流修正值i
ds
和i
qs
非零。
[0061]
电压差值为δu＝u
dc1
/sqrt(3)-u适用于星形绕组型的连接方式；所述的电压差值为δu＝u
dc1-u适用于三角形绕组的连接方式。
[0062]
foc模块的d轴参考电流i
d*
由d轴电流指令i
d1
和d轴电流修正值i
ds
决定；foc模块的q轴参考电流i
q*
由q轴电流指令i
q1
和q轴电流修正值i
qs
决定。
[0063]
永磁同步电机有位置传感器，位置传感器反馈电机转子位置。
[0064]
永磁同步电机没有位置传感器，电机转子位置由软件计算得到。
[0065]
dc/dc变化器的输入电压u
in
、输出电压u
dc1
和所述电机的相电流被采样，用于控制系统。
[0066]
本发明在直流电源和逆变器之间加入了具有调压功能的dc/dc变换器。与传统的电机控制系统相比，本发明多了一级调压控制模块，该模块能够根据系统的输入转速、估算的i
d1
和i
q1
自动调节dc/dc变换器的输出电压，确保系统工作在最佳区间。低速轻载时，dc/dc变换器降压工作，有利于减小逆变器的开关损耗提高系统效率。高速重载时，dc/dc变换器升压工作，电机无需弱磁或更小的弱磁电流即可工作，电机的效率和高速转矩显著增加，性能提升。dc/dc变换器输出电压(即逆变器输入电压)如图7所示，电机性能变化如图8所示。
[0067]
本次申请的专利适用于永磁同步电机控制系统，特别适用于转速范围很宽的应用领域。电机转速范围很宽，理论上所有的永磁同步电机控制系统都可以采用本发明。