一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法及系统与流程

本发明涉及电机控制，尤其涉及一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法及系统。

背景技术：

1、永磁同步电机被广泛应用于许多工业领域，如汽车、航天航空、机器人、风力发电和家用电器等；在永磁同步电机的控制方案中，弱磁控制是一种有效的控制方法，可以提高永磁同步电机转速范围和效率，降低成本，减少能源消耗；弱磁控制的主要原理是在永磁同步电机的运行过程中，通过主动施加与永磁体磁场方向相反的电磁场，抵消永磁电机反电动势，从而提升电机高速工作范围。通过有效的弱磁控制方法，提升电机输出相电压幅值，从而减小相电流大小，提升控制器效率，减少能耗。

2、中国专利一种永磁同步电机无级深度弱磁方法及系统(公开号为cn111800044a，申请日为2020-07-20)通过高速控制策略，提高深度弱磁的稳定性，减少动态调节中的扭矩损失；利用补偿电压查表后的电流进行电压前馈控制，随着转速的升高，系统稳定性升高，在高速弱磁时可以快速稳定动态响应，避免了扭矩的损失；充分发挥永磁同步电机的特性，确保电机稳定运行在深度弱磁区，动态响应快，鲁棒性强，简单易操作。然而，该方案存在一些不足之处，如：反馈电压点只从电流输出端引回，没有将前馈电压考虑进来，理论上无法正确得到电压反馈值；电压反馈没有滤波环节，电压抖动和对应的调节过程会比较剧烈；通过影响查表电流来调节电压属于外环调节，调节速度上会比较慢，动态调节效果无法保障；并且该方案无法适用电流环控制工况下的电压饱和失控风险，应用范围相对较窄。

3、中国专利一种永磁同步电机深度弱磁控制方法及控制装置(公开号为cn106411215a，申请日为2016-10-27)通过对d轴电流进行动态限制，可以有效削弱永磁同步电机深度弱磁控制中的电流震荡，同时，对最大负向d轴电流进行低通滤波处理，还可以实现一般弱磁向深度弱磁的平滑过渡。然而，该方案控制环路没有考虑扭矩控制目标和电机特征点电流，在d轴电流超出电机特征电流后，继续负向增大d轴电流，则q轴输出电压降到负数且负向增大，无法继续弱磁，此时实际效果为反向增磁，不利于电压稳定。

4、综上所述，需要一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法及系统来解决现有技术中所存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法及系统，旨在解决现有技术在d轴电流超出电机特征电流后，继续负向增大d轴电流，q轴输出电压降到负数且负向增大，无法继续弱磁，不利于电压稳定问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法，包括以下步骤：

3、步骤一，将母线电压udc、力矩指令trq和电机机械转速spd输入电流查表模块获得d、q轴电流指令值id_0和iq_0；

4、步骤二，将步骤一中获得的d、q轴电流指令值id_0和iq_0输入电压闭环模块，同时将目标相电压udc*m、电机机械转速spd和反馈相电压输入电压闭环模块，给出调整后的d轴电流指令值和q轴电流指令值，d轴电流指令值和q轴电流指令值用于控制系统主动退电压饱和；

5、步骤三，将步骤二中获取的d、q轴电流指令值分别进行电流pi和电压前馈处理，并将处理后的结果输入至sum求和模块；

6、步骤四，sum求和模块输出的当前相电压，一路作为反馈值输入至电压闭环模块，另一路作为输入值输入至电压限幅模块，电压限幅模块对输入值进行强制限幅处理后输出vd、vq对电机进行控制。本发明与中国专利一种永磁同步电机无级深度弱磁方法及系统、一种永磁同步电机深度弱磁控制方法及控制装置相比，方案具体通过电压闭环模块输入d、q轴电流指令值id_0、iq_0，目标相电压udc*m，电机机械转速spd和反馈相电压，使得调整后的d、q轴电流指令值能够使控制系统主动退电压饱和，平滑了系统扰动输入，电流调整量频次小，系统稳定性较高，在电压闭环后端使用电压限制功能，在动态调整过程中保证输出电压始终保持在理论上限范围内。

7、进一步的，在所述步骤一中，电压闭环模块给出调整后的d轴电流指令值和q轴电流指令值的方法包括以下步骤：

8、步骤a1、通过电压闭环模块设定永磁同步电机的目标相电压udc*m；

9、步骤a2、通过电流调整边界计算模块对d、q轴电流调节量进行限制，并将限制参数输入电压闭环pi模块，同时，需要对当前相电压进行滤波处理后给到电压闭环模块；

10、步骤a3、通过电压闭环pi模块实时计算当前相电压与目标相电压udc*m的偏差，并进行pi闭环调节给到电流调节模块；

11、步骤a4、通过电流调节模块重新给出调整后的d、q轴电流指令值id_ref和iq_ref。

12、进一步的，所述电流调整边界计算模块通过比较电流输入值id_0和id_max相对关系对d、q轴电流调节量进行限制。

13、进一步的，在步骤a2中，对所述电流调整边界计算模块对d、q轴电流调节量进行限制的方法包括以下步骤：

14、输入电机机械转速spd得到最大弱磁电流id_max；

15、电流调整边界计算模块输出量deltid_limt和deltiq_limt的调整规则如下：

16、当|id_0|<|id_max|时，则d轴电流调整量为负数，d轴电流的调整下限输出deltid_limt<0，上限为0，q轴电流调整上限为0，下限deltiq_limt＝0；

17、当|id_0|≥|id_max|时，d轴电流上限为0，下限deltid_limt＝0，q轴电流调整上限仍为0，调整下限deltiq_limt<0，deltiq_limt<0为q轴电流向绝对值减少的方向调节。

18、进一步的，在所述步骤a2中，通过计算滤波模块平滑处理当前相电压反馈输入的方法包括以下步骤：

19、将sum求和模块给出的当前相电压vd_sum、vq_sum输入相电压计算模块sqrt中，相电压计算模块sqrt计算vd2+vq2输出vdq；

20、将vdq输入相电压低通滤波模块lpf中，低通滤波模块lpf平滑电压反馈输入,给出vdq_filt到电压闭环pi模块。

21、进一步的，所述当前相电压输入vd为d轴电流pi输出vd_pi和d轴电压前馈vd_ff之和，当前相电压输入vq为q轴电流pi输出vq_pi和q轴电压前馈vq_ff之和。

22、进一步的，所述电压闭环pi模块实时监控当前相电压与目标相电压udc*m的偏差进行pi闭环调节,pi闭环调节为负方向单向限幅，负方向单向限幅调整上限为0，下限小于0，q轴调整量为负数，并向绝对值减小的方向调节。

23、进一步的，所述pi闭环调节的方法包括以下步骤：

24、将目标相电压udc*m和低通滤波模块lpf给出的vdq_filt输入电压闭环pi，电压闭环pi给出的delt_is和电流调整限幅计算模块给出的deltid_limt、deltiq_limt共同输入电流调整计算模块，电流调整计算模块给出delt_id、delt_iq至电流调节模块。

25、进一步的，所述电流调节模块重新给出调整后的d、q轴电流指令值的方法包括以下步骤：

26、将电流指令值id_0输入d轴电流重构模块和原电流平方和模块，同时，将d轴电流调整量delt_id输入d轴电流重构模块，电流指令值iq_0输入电流平方和模块；

27、d轴电流重构模块将电流指令值id_0和d轴电流调整量delt_id之和输出为调整后的d轴电流指令值id_ref，电流平方和模块计算电流指令值id_0和iq_0的平方和is2，记作is2＝id_02+iq_02；

28、将调整后的d轴电流指令值id_ref和原电流指令值is2、q轴电流调整量delt_iq输入q轴电流重构模块，q轴电流跟随d轴电流调整进行联动调节给出调整后的iq_ref，所述q轴电流重构的方法包括以下步骤：

29、记录iq_0的符号标志a＝sign(iq_0)，如果iq_0>0，则a＝1，如果iq_0<0，则a＝-1,否则a＝0；

30、q轴数值计算，如果is2<id_ref2，iq_ref则iq_ref＝0；否则，令iq_ref＝is2-id_ref2+delt_iq，如果iq_ref<0，则修正iq_ref＝0，否则令iq_ref＝a*|iq_ref|。

31、一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制系统，用于执行如前述的一种永磁同步电机电压闭环弱磁控制方法，包括电流查表模块、电压闭环模块、电流pi模块、前馈处理模块、sum求和模块以及电压限幅模块；

32、所述电流查表模块接收母线电压udc、力矩指令trq和电机机械转速spd，输出d轴电流指令值id_0和q轴电流指令值iq_0至电压闭环模块，

33、所述电压闭环模块接收d轴电流指令值id_0和q轴电流指令值iq_0以及目标相电压udc*m、电机机械转速spd和反馈相电压，输出调整后的d轴电流指令值和q轴电流指令值；

34、电流pi模块，接收d轴电流指令值以及q轴电流指令值后输出pi处理后的参数输入至sum求和模块；

35、前馈处理模块,接收d轴电流指令值以及q轴电流指令值后输出前馈处理后的参数输入至sum求和模块；

36、sum求和模块，对电流pi模块输出量和电压前馈模块输出量进行求和运算，得到限幅前的相电压值，当前相电压作为反馈值输入至电压闭环模块，当前相电压作为输入值输入至电压限幅模块；

37、电压限幅模块根据输入的反馈相电压值进行强制限幅处理后输出对电机进行控制的目标值vd和vq。

38、本发明的实质性效果：

39、1、本发明中，通过电压闭环模块输入d、q轴电流指令值id_0、iq_0，目标相电压udc*m，电机机械转速spd和反馈相电压，使得调整后的d、q轴电流指令值能够使控制系统主动退电压饱和，平滑了系统扰动输入，电流调整量频次变小，系统稳定性较高，调节速度变快，不依赖具体电机参数和复杂的电机学公式方法即可实现，通用性较高，在电压闭环后端使用电压限制功能，在动态调整过程中保证输出电压始终保持在理论上限范围内。

40、2、本发明中，电压闭环模块运行在嵌入式芯片内核，执行时间是us级别，可以快速识别电压误差并进行pi调节可快速将系统调稳，并且通过增量式电压pi调节，无积分累积饱和问题，退电压饱和速度快，提高了调节速度。

41、3、本发明中，通过电压前馈使电流pi调节输出占比偏小，即达到同样的电压输出，电流pi每次调整量不大，并且通过低通滤波器和适当的截止频率，对相电压进行滤波，平滑了系统扰动输入，电流调整量频次小，系统稳定性更高，电流波动小，可实现性和推广性强，具有一定的使用价值和推广价值。