一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法技术

本发明专利技术涉及弱磁技术领域，具体的说是一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法。本发明专利技术所述弱磁控制方法分为电流指令生成环节和电压相角调节环节。电流指令生成环节计算生成了d轴电流指令值

A flux weakening control method of permanent magnet motor based on voltage phase angle feedforward compensation

The invention relates to the field of field weakening technology, in particular to a field weakening control method of permanent magnet motor based on voltage phase angle feedforward compensation. The field weakening control method of the invention is divided into a current command generation link and a voltage phase angle regulation link. The current command generator calculates and generates the d-axis current command value

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法
本专利技术涉及弱磁
，具体说是一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法。
技术介绍
弱磁控制最早是在19世纪80年代中期由Brigette和Thomas.M.Jahns等人进行了早期的探索。Brigette对于弱磁的分析还是基于d-q矢量平面进行的，Thomas.M.Jahns则利用id-iq平面和等转矩曲线得到了MTPA曲线，同时提出用id的稳态误差减小iq的弱磁控制策略。这一阶段的主要成果虽然实现了MTPA控制，但弱磁控制理论尚未形成。在90年代初，随着矢量控制开始广泛应用，弱磁控制理论也逐渐完整。Morimoto给出了永磁同步电机完整的弱磁电流轨迹，同时将永磁同步电机的工作区域划分为三个区域。Morimoto的工作奠定了弱磁控制的理论基础，且同时适用于SPM以及IPM。基于弱磁控制理论，众多学者提出了很多具体的弱磁控制策略。传统的弱磁控制方法如公式法、查表法、梯度下降法、负直轴电流补偿法等方法在对交直轴电流指令重新规划后仍然保留了两个电流调节器。随着转速升高，受直流母线电压限制，两个电流调节器输出电压会出现幅值饱和与交叉耦合的问题。在弱磁工况下，电机的电压幅值受限为固定值，只能通过对电压相角进行调节从而满足电机运行要求。电压相角控制中，交直轴电压由电压幅值与电压相角计算而来，从本质上消除了双电流调节器控制方法存在的调节器冲突和饱和问题。最初的电压相角控制取消了电流调节器，电压相角指令由转矩指令或转速环给定，此时电流轨迹无法规划，难以避免不稳定点，同时电流动态响应较慢。后续电压相角控制中引入电流调节器。以内置式永磁同步电机为例，电压相角控制原理说明如下。定义η为电机电压矢量与d轴正方向的夹角，即电压相角，则弱磁工况下电机d、q轴电压方程可表示为：其中，usmax为电机电压限幅值；结合永磁同步电机d、q轴电压方程和转矩方程可推导出转矩与电压相角之间的关系，如式(2)所示：电压相角η的范围在牵引与制动工况下分别为：(π/2,π]和[0,π/2)。在空载情况下电压相角η为π/2。转矩与电压相角关系曲线如图1所示。图1中分别绘制了额定转速FsN、1.1FsN以及1.2FsN下转矩Te与电压相角η的变化关系曲线。转矩与电压相角η呈单调递增关系，可以对电压相角η进行控制从而控制输出转矩。为实现快速的电流动态响应速度，弱磁控制仍应该保留一个电流调节器。d、q轴电流与电压相角η间的关系以及导数关系分别如式(3)、式(4)所示：由式(4)可以看到，在牵引或者制动状态下，无论是d轴还是q轴电流都与电压相角η之间存在单调关系，因此可以考虑利用d轴或者q轴电流调节器来对电压相角进行调节。但是d轴电流在牵引和制动状态下与电压相角之间的单调关系是不一致的，而q轴电流则不存在该问题，无需考虑牵引和制动工况的变化。因此，选择单q轴电流调节器调节电压相角来控制转矩具有牵引与制动的一致性。申请号为201710409028.4的中国专利技术专利中公开了一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法。该专利中所采用的控制策略采用单d轴电流调节器去对d轴电压进行调节，q轴电压由电压限幅值和调节出来的d轴电压计算而来，该控制策略解决了双电流调节器相互冲突的问题，且可深度弱磁，但单d轴电流环控制策略无法保证牵引与制动工况调节的一致性，在实际应用中仍然受到制约。
技术实现思路
本专利技术在分析了基于双电流调节器的弱磁方案的调节器冲突和饱和问题以及现有的电压相角控制方案动态响应差，无法保证牵引与制动工况的一致性的基础上，提出了一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法。该控制方法采用单q轴电流调节器，从本质上解决了双电流调节器相互冲突的问题，同时保持了牵引与制动工况的一致性；由于对电压相角加入了前馈补偿，能够确实提升系统的动态性能以及鲁棒性。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种永磁电机弱磁控制方法，采用了如下的弱磁控制策略：1)利用电机d轴电流指令值和q轴电流指令值，根据电压公式计算d轴前馈电压值和q轴前馈电压值；2)根据d轴前馈电压值和q轴前馈电压值计算前馈电压矢量幅值；根据前馈电压矢量幅值与输出电压限幅的差值，通过电压控制器对d轴电流指令值进行调节；3)根据q轴电流指令值与q轴电流实际值的差值，通过电流控制器对电压相角进行调节，实现对电机转矩的控制。一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法，具体包括以下步骤：步骤1，在电流指令生成环节中，首先通过MTPA关系计算出初步d轴电流指令值其次通过电压外环调节出弱磁电流Δid从而得到期望的d轴电流指令值所述弱磁电流Δid的初始值为零，此后在每个计算周期通过电压外环进行更新。步骤2，根据步骤1所得到的d轴电流指令值以及系统给定转矩指令值Te*经转矩公式计算得到q轴电流指令值步骤3，利用步骤1中得到的d轴电流指令值和步骤2中得到的q轴电流指令值根据电压公式计算得到电机的d轴前馈电压值与q轴前馈电压值步骤4，根据步骤3中得到的d轴前馈电压值与q轴前馈电值压计算前馈电压矢量幅值步骤5，进行电压外环调节，计算电压限幅值us,max与前馈电压矢量幅值的误差，根据该误差设计电压PI控制器，所述电压PI控制器的输出为弱磁电流Δid，并将该值返回至步骤1中，用于下一周期d轴电流指令值的计算；步骤6，利用步骤3中得到的d轴前馈电压值与q轴前馈电压值计算得到电压相角前馈值η0；步骤7，根据q轴电流指令值与q轴电流实际值iq的误差设计电流PI控制器，该电流PI控制器的输出与步骤6中得到的电压相角前馈值η0相加得到电压相角值η；步骤8，根据步骤7中的电压相角值η和电压限幅值us,max即可计算得到d轴电压指令值和q轴电压指令值步骤9，将两相旋转坐标系下的d轴电压指令值和q轴电压指令值经过反帕克变换和反克拉克变换后得到的三相静止坐标系下的参考电压值送至调制环节，输出PWM波经由逆变器后作用于永磁同步电机使其能在弱磁工况下正常运行。在上述技术方案的基础上，步骤2中，所述转矩公式为：式(5)中，Te*为转矩指令值；Np为电机极对数，Ld为电机直轴电感，Lq为电机交轴电感，ψf为永磁体磁链，为d轴电流指令值。在上述技术方案的基础上，步骤3中，所述电压公式为：式(6)中，因在弱磁区电机的转速较高，因此可忽略定子绕组电阻上的压降；其中ω为电机的定子角频率，Ld为电机直轴电感，Lq为电机交轴电感，ψf为永磁体磁链，为d轴电流指令值，为q轴电流指令值。在上述技术方案的基础上，步骤4中，所述前馈电压矢量幅值计算公式为：式(7)中，为d轴前馈电压值，为q轴前馈电值压。在上述技术方案的基础上，步骤6中，电压相角前馈值η0的计算公式为：式(8)中，为d轴前馈电压值，为q轴前馈电值压。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，采用了如下的弱磁控制策略：/n1)利用电机d轴电流指令值和q轴电流指令值，根据电压公式计算d轴前馈电压值和q轴前馈电压值；/n2)根据d轴前馈电压值和q轴前馈电压值计算前馈电压矢量幅值；根据前馈电压矢量幅值与输出电压限幅的差值，通过电压控制器对d轴电流指令值进行调节；/n3)根据q轴电流指令值与q轴电流实际值的差值，通过电流控制器对电压相角进行调节，实现对电机转矩的控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，采用了如下的弱磁控制策略：
1)利用电机d轴电流指令值和q轴电流指令值，根据电压公式计算d轴前馈电压值和q轴前馈电压值；
2)根据d轴前馈电压值和q轴前馈电压值计算前馈电压矢量幅值；根据前馈电压矢量幅值与输出电压限幅的差值，通过电压控制器对d轴电流指令值进行调节；
3)根据q轴电流指令值与q轴电流实际值的差值，通过电流控制器对电压相角进行调节，实现对电机转矩的控制。


2.一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，在电流指令生成环节中，首先通过MTPA关系计算出初步d轴电流指令值其次通过电压外环调节出弱磁电流Δid从而得到期望的d轴电流指令值所述弱磁电流Δid的初始值为零，此后在每个计算周期通过电压外环进行更新；
步骤2，根据步骤1所得到的d轴电流指令值以及转矩指令值经转矩公式计算得到q轴电流指令值
步骤3，利用步骤1中得到的d轴电流指令值和步骤2中得到的q轴电流指令值根据电压公式计算得到电机的d轴前馈电压值与q轴前馈电压值
步骤4，根据步骤3中得到的d轴前馈电压值与q轴前馈电值压计算前馈电压矢量幅值
步骤5，进行电压外环调节，计算电压限幅值us,max与前馈电压矢量幅值的误差，根据该误差设计电压PI控制器，所述电压PI控制器的输出为弱磁电流Δid，并将该值返回至步骤1中，用于下一周期中d轴电流指令值的计算；
步骤6，利用步骤3中得到的d轴前馈电压值与q轴前馈电压值计算得到电压相角前馈值η0；
步骤7，根据q轴电流指令值与q轴电流实际值iq的误差设计电流PI控制器，该电流PI控制器的输出与步骤6中得到的电压相角前馈值η0相加得到电压相角值η；
步骤8，根据步骤7中的电压相角值η和电压限幅值us,max计算得到d轴电压指令值和q轴电压指令值
步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琛琛，张梓绥，周明磊，游小杰，王彬，詹哲军，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11