一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法技术

本发明专利技术公开了一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，所述方法步骤如下：弱磁功能模块持续地将ω*和ω与

【技术实现步骤摘要】
一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法
本专利技术属于电机驱动控制
，涉及一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速控制方法。
技术介绍
永磁同步电机中与电枢作用的磁场由永磁体产生，具有不可调节的特点。因此，永磁同步电机无法通过直接调节永磁体产生的磁场来实现扩速运行，需要弱磁控制算法来实现。传统弱磁控制方法中，d轴与q轴电流给定值的分配很大程度上依赖电机的精确模型方程，如最大转矩电流比曲线、电压和电流极限方程等，而且弱磁程度调节多基于电压阈值。在动态过程中，不仅受到模型参数不准确的限制，而且基于稳态性能的电压、电流极限方程并不完全适用于暂态工况，因此难以实现高动态响应的弱磁控制。在实际应用中，很多场合需要高动态的扩速性能，如螺旋桨推进的水下潜器紧急避险时，需要推进电机带动螺旋桨扩速运行达到可能的最大速度来进行加速或制动。传统矢量控制方法采用d轴电流为零控制策略，只能达到额定速度而不具备扩速能力。传统弱磁控制多针对稳态性能，在快速响应性上并不满足要求。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法。与传统弱磁控制针对以额定功率进行恒功率运行的目的不同，本专利技术的目的在于永磁同步电机高动态弱磁扩速，可快速达到额定能力之上的转速和功率，并根据散热条件可短时或长期维持扩速状态，可有效提高螺旋桨推进水下潜器、电动车辆等设备的紧急避险能力。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，包括如下步骤：步骤一、在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块；步骤二、弱磁功能模块持续地将给定转速ω*和实际转速ω与给定转速阈值实际转速阈值ωth进行比较，当比较结果满足式(1)条件时，使能信号ENABLE为1，同时使能d轴转速调节器，该调节器完成功能为根据ω*与ω的误差给出d轴电流给定在不满足式(1)条件时，使能信号不启动，d轴电流给定为传统d轴电流为零的矢量控制；步骤三：d轴和q轴电流给定分别给至d轴和q轴的电流调节器，调节器计算后给出d轴电压ud1与q轴电压uq1，随后通过保留d轴电压的合成电压限幅模块，ud1与uq1按照式(2)被处理为ud与uq：ud＝ud1,式中，umax为逆变器最大输出电压，以标幺值表示时umax为1。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)使用转速给定和实际转速作为弱磁启动使能条件，方法结构简单，不涉及电机精确模型的参数和方程。(2)扩速动态响应快，扩速时速度控制的动态性能与传统矢量控制的速度动态性能相近。(3)在扩速时可输出更高的过载功率，可提高水下潜器或电动器车等应用的紧急避险和紧急制动性能。(4)弱磁控制部分可与传统矢量控制无缝切换，适用于各种需要永磁同步电机高动态扩速场合。附图说明图1为本专利技术弱磁扩速方法的控制结构框图；图2为保留d轴电压的合成电压限幅模块流程图；图3为实施例1螺旋桨转速控制的传统矢量控制与本专利技术扩速控制结果，(a)传统矢量控制转速响应曲线，(b)本专利技术方法转速响应曲线，(c)传统矢量控制电流响应曲线，(d)本专利技术方法电流响应曲线，(e)传统矢量控制电压响应曲线，(f)本专利技术方法电压响应曲线；图4为实施例2恒定负载转速控制的传统矢量控制与本专利技术扩速控制结果，(a)传统矢量控制转速响应曲线，(b)本专利技术方法转速响应曲线，(c)传统矢量控制电流响应曲线，(d)本专利技术方法电流响应曲线，(e)传统矢量控制电压响应曲线，(f)本专利技术方法电压响应曲线；图5为实施例3本专利技术弱磁控制与传统矢量控制兼容性的控制结果，(a)本专利技术方法转速响应曲线，(b)本专利技术方法电流响应曲线，(c)本专利技术方法电压响应曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，所述方法在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置了弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块，其中：弱磁功能模块负责弱磁功能的启动和d轴电流给定大小的调节，以实现与传统矢量控制的无缝切换和弱磁扩速的控制；保留d轴电压的合成电压限幅模块的功能为在控制给出的d轴电压ud与q轴电压uq的合成电压大于逆变器最大输出电压umax，即时，将合成输出电压限制为umax并保留d轴电压，限制的原则为保证ud大小不变，减小uq的大小，目的是消除控制死区和控制异常。保留d轴电压的合成电压限幅模块与弱磁功能模块共同作用可消除暂态和稳态过程中控制死区、弱磁点附近振荡和控制异常。如图1所示，具体方法如下：步骤一，弱磁控制的使能。在弱磁功能未使能时，电机为id＝0传统矢量控制，弱磁功能模块持续地将给定转速ω*和实际转速ω与给定转速阈值实际转速阈值ωth进行比较，当比较结果满足式(1)条件时，使能信号ENABLE为1，同时使能d轴转速调节器，完成功能为根据ω*与ω的误差给出d轴电流给定(该调节器可采用但不限于传统PID控制器、变增益PID控制器、重复控制器等，其特殊的一点在于，本应用中误差为正时，输出量变化方向为负，可通过输出量加负号，或误差量取负，或控制器参数为负等简单处理来实现)；在不满足式(1)条件时，使能信号不启动，d轴电流给定为传统d轴电流为零的矢量控制。步骤二，d轴和q轴电流给定分别给至d轴和q轴的电流调节器，调节器计算后给出d轴电压ud1与q轴电压uq1。随后，通过保留d轴电压的合成电压限幅模块，ud1与uq1被处理为ud与uq，处理方法如式(2)所示，其流程图如图2所示。式中umax为逆变器最大输出电压，以标幺值表示时umax为1。ud＝ud1,实施例1：水下潜器推进螺旋桨的扩速控制效果本实施例1给出了一台永磁同步电机驱动水下螺旋桨负载的弱磁扩速效果。图3给出了传统矢量控制与本专利技术方法的控制效果，传统矢量控制转速、电流、电压响应分别如图3(a)、(c)、(e)所示，本专利技术方法的转速、电流、电压响应分别如图3(b)、(d)、(f)所示。在转速给定为800rpm时，传统矢量控制在逆变器电压u达到最大时电机转速仅为670rpm，本专利技术方法的最大转速可达给定转速800rpm，而且响应时间在2s以内。传统矢量控制转速环到达670rpm响应时间为0.7s左右，本专利技术方法的弱磁扩速方法在600rpm时激活，在0.7s达到715rpm，转速动态响应优于传统矢量控制。虽然在螺旋桨增速带来的负载转矩大幅增加会影响加速时间，但本专利技术的弱磁控制方法到达800rpm时响应时间小于2s，扩速时速度控制的动态性能与传统矢量控制的速度动态性能相近。根据螺旋桨特性，其输出功率与转速三次方成正比，在传统矢量控制方法下，该螺旋桨最大仅能输出2038W功率，而使用本专利技术的方法，螺旋桨可以输出4142W功率。对于本实施例中螺旋桨驱动的水下潜器，本专利技术的方法可实现高动态扩速，在2s内达到矢量控制两倍以上的输出功率，以产生快速响应的大推力，提高潜器的紧急避险和紧急制动性能。在本实施例中，本专利技术方法所设置的弱磁功能模块使能阈值为ωth＝600，给定转速ω*＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，其特征在于所述方法步骤如下：步骤一、在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块；步骤二、弱磁功能模块持续地将给定转速ω

【技术特征摘要】
1.一种高动态响应的永磁同步电机弱磁扩速方法，其特征在于所述方法步骤如下：步骤一、在永磁同步电机d轴电流等于零的传统矢量控制方法的基础上设置弱磁功能模块和保留d轴电压的合成电压限幅模块；步骤二、弱磁功能模块持续地将给定转速ω*和实际转速ω与给定转速阈值实际转速阈值ωth进行比较，当比较结果满足式(1)条件时，使能信号ENABLE为1，同时使能d轴转速调节器，该调节器完成功能为根据ω*与ω的误差给出d轴电流给定在不满足式(1)条件时，使能信号不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝超，胡建辉，王骞，江善林，赵猛，李勇，尚静，刘承军，赵博，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23