凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制方法及系统

本发明属于电机驱动相关，尤其涉及一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、凸极偏置型永磁同步电机的转子具有非对称的拓扑结构，通过改变磁路使得电机的磁阻转矩和永磁转矩的最大值接近在同一电流相位角下叠加，实现电机转矩密度的提升。然而非对称的转子拓扑结构使得这种新型电机的交轴(q轴)、直轴(d轴)和电机的永磁磁链的相对位置发生改变，其直轴位置会和永磁磁链位置相差约45°(传统永磁同步电机的直轴位置和永磁磁链位置相重合)，因此需要设计适配于凸极偏置型永磁同步电机的新型控制系统。

3、另一方面，目前传统永磁同步电机的超前角弱磁控制方法已经发展得较为成熟，该方法通过控制电机电流的超前角与定子电流幅值以控制电机的运行，并通过在弱磁区增大电机电流的超前角实现了电机调速范围的拓宽。然而，凸极偏置型永磁同步电机特殊的数学模型，使得其最大转矩电流比控制(mtpa)、最大转矩电压比控制(mtpv)等电流轨迹不同于传统永磁同步电机，从而导致适用于传统永磁同步电机的超前角弱磁控制方法应用于凸极偏置型永磁同步电机时调速范围较小、性能不理想。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制方法及系统，充分考虑凸极偏置型永磁同步电机的不对称拓扑结构以及转矩叠加优势，实现凸极偏置型永磁同步电机的最大扭矩输出，并大幅拓宽凸极偏置型永磁同步电机的调速范围。

2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制方法，采用如下技术方案：

3、一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制方法，包括：

4、根据凸极偏置型永磁同步电机的实际转速和给定的目标转速，确定定子电流幅值给定值；

5、根据凸极偏置型永磁同步电机的电磁转矩方程，计算在最大转矩电流比控制运行时的电流轨迹和超前角；

6、在最大转矩电流比控制运行时，电机电流通过定子电流幅值给定值与在最大转矩电流比控制运行时的超前角给定；

7、根据凸极偏置型永磁同步电机的定子电压方程，计算在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹，确定电机从弱磁一区进入弱磁二区时的切换角；

8、根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时通过pi控制器输出超前角补偿量，在最大转矩电流比控制运行时的超前角与超前角补偿量之和为弱磁一区超前角，并使其上限不大于切换角；

9、根据在最大转矩电流比控制运行时的超前角与超前角补偿量之和与切换角的差值判断电机工作的弱磁区域，判定电机工作在弱磁二区时通过pi控制器输出弱磁二区电流补偿量；

10、弱磁一区运行时，电机电流通过定子电流幅值给定值与弱磁一区超前角给定；

11、弱磁二区运行时，电机电流通过定子电流幅值给定值、切换角以及弱磁二区电流补偿量给定；

12、根据电机电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。

13、作为进一步的技术限定，在最大转矩电流比控制运行时的电流轨迹近似为一条通过原点的直线，且定义其与q轴的夹角为在最大转矩电流比控制运行时的超前角β。

14、作为进一步的技术限定，在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹近似为一条斜率为k的直线，且其与电机电流极限圆相交于一点x，定义过点x和坐标系原点o的直线xo与q轴的夹角为切换角βc。

15、作为进一步的技术限定，将在最大转矩电流比控制运行时的超前角β与超前角补偿量δβ之和的上限设为切换角βc得到弱磁一区超前角β*，则弱磁一区超前角β*可表示为

16、

17、进一步的，根据在最大转矩电流比控制运行时的超前角β与超前角补偿量δβ之和(β+δβ)和切换角βc的差值判断电机工作的弱磁区域，当在最大转矩电流比控制运行时的超前角β与超前角补偿量δβ之和(β+δβ)小于等于切换角βc时电机工作在弱磁一区。

18、当在最大转矩电流比控制运行时的超前角β与超前角补偿量δβ之和(β+δβ)大于切换角βc时电机工作在弱磁二区。

19、进一步的，当在最大转矩电流比控制运行时的超前角β与超前角补偿量δβ之和(β+δβ)大于切换角βc时电机工作在弱磁二区，此时通过pi控制器输出电流补偿量δi，则可根据在最大转矩电压比控制运行时的轨迹的斜率k得到弱磁二区的交、直轴电流补偿量δiq、δid：

20、

21、进一步的，在全速范围内，电机的交、直轴电流给定值iq**、id**可表示为

22、其中is*为定子电流幅值给定值。

23、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制系统，采用如下技术方案：

24、一种凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制系统，包括：

25、定子电流幅值给定模块，其被配置为获取凸极偏置型永磁同步电机的实时转速，结合电机的给定转速，得到电机定子电流幅值的给定值；

26、最大转矩电流比控制模块，其被配置为根据电磁转矩方程，计算凸极偏置型永磁同步电机在最大转矩电流比控制运行时的电机电流超前角，结合定子电流幅值给定值，计算电机在最大转矩电流比控制运行时的交、直轴电流给定值；

27、切换角模块，其被配置为根据定子电压方程，计算凸极偏置型永磁同步电机在最大转矩电压比控制运行时的电流轨迹，计算电机从弱磁一区进入弱磁二区时的切换角；

28、超前角补偿模块，其被配置为根据逆变器极限电压与定子电压给定值的差值判断是否需要开启弱磁控制，开启时输出超前角补偿量，并根据最大转矩电流比控制模块的计算结果以及超前角补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁一区运行时的交、直轴电流给定值；

29、电流补偿模块，其被配置为根据超前角补偿模块以及切换角模块的计算结果判断是否需要开启弱磁二区，开启时输出弱磁二区电流补偿量，并根据超前角补偿模块、切换角模块的计算结果以及电流补偿量，计算凸极偏置型永磁同步电机在弱磁二区运行时的交、直轴电流给定值；

30、空间矢量脉宽调制模块，其被配置为根据电机电流的交、直轴电流给定值和获取的电流实际值，生成空间矢量脉宽调制信号，用以驱动所述凸极偏置型永磁同步电机的运转，完成凸极偏置型永磁同步电机的超前角弱磁控制，实现凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速。

31、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

32、本发明提出的弱磁控制系统，始终考虑了凸极偏置型永磁同步电机特殊的拓扑结构，所采用的mtpa控制运行方式及弱磁控制运行方式都尽可能的实现了凸极偏置型永磁同步电机的最大扭矩输出；本发明基于切换角判断电机弱磁运行的工作模式，将电机弱磁运行分为弱磁一区控制及弱磁二区控制，实现了凸极偏置型永磁同步电机的全速范围的弱磁调速；本发明采用的mtpa电流轨迹被近似为一条直线，在mtpa运行时直接通过mtpa电流轨迹与q轴的夹角以及定子电流幅值给定值输出mtpa运行时电机交、直轴电流给定值，降低了计算量，提升了系统运行速度；本发明采用的mtpv电流轨迹被近似为一条直线，在弱磁二区控制时直接通过mtpv电流轨迹的斜率以及电流补偿量补偿弱磁电流，降低了计算量，提升了系统运行速度。

33、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。