一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法。所述控制方法包括以下步骤：速度外环控制器由比例积分控制器构成，生成q轴电流参考值；q轴内环控制器同样采用比例积分控制器，获得电机q轴电压参考值；d轴电流参考值由dq轴实时监测到的电压得到；随着速度的提升，电机运行所需电压迅速上升，考虑到实际应用中，电源电压难以进行改变，在速度达到极限的条件下，若想进一步提升速度，需采用弱磁控制。本发明专利技术能够使得电源逆变器仅提供电机运行所需有功功率，其余无功功率由电容逆变器提供，电机系统运行于单位功率因数状态，并采用弱磁控制的方法扩展的电机的调速范围，扩展电机运行的恒功率区，实现永磁电机的高性能控制。

A flux weakening control method of unit power factor for permanent magnet motor based on flying capacitor

The invention discloses a flux weakening control method of unit power factor of permanent magnet motor based on flying capacitor. The control method comprises the following steps: the outer speed loop controller is composed of a proportional integral controller to generate a q-axis current reference value; the inner q-axis loop controller also uses a proportional integral controller to obtain a q-axis voltage reference value of the motor; the d-axis current reference value is obtained from the voltage monitored in real time by the DQ axis; with the increase of the speed, the voltage required for the operation of the motor rises rapidly, considering the actual situation In application, it is difficult to change the power supply voltage. When the speed reaches the limit, if you want to further improve the speed, you need to use weak magnetic control. The invention can make the power inverter only provide the active power required by the motor operation, the rest of the reactive power is provided by the capacitor inverter, the motor system operates in the state of unit power factor, and adopts the method of weak magnetic control to expand the speed range of the motor, expand the constant power area of the motor operation, and realize the high-performance control of the permanent magnet motor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法
本专利技术涉及永磁电机领域，尤其涉及一种飞跨电容开绕组弱磁控制领域，具体是一种开绕组单位功率因数弱磁控制，有利于提高永磁电机功率因数，改善电机的控制性能。
技术介绍
随着电动汽车、风力发电、海浪发电等高新技术的快速发展，如何提升其中电机系统的可靠性和能量转换的效率已成为了这些领域中的热点问题。在此技术背景下，一种永磁游标电机，以其高的功率密度和结构简单的特点，被广泛认为在直接驱动系统中具有广阔的应用前景。但是，传统永磁电机的漏磁较大，功率因数较低，往往需要配备较大容量的逆变器，这无疑会增加系统的成本。因此，功率因数的提高对降低系统的无功功率和提高驱动系统的效率至关重要。另一方面，由于功率器件的电压容量和载流能力有限，单个两电平逆变器难以满足高压，大功率应用需求。相比传统两电平逆变器，多电平逆变器具有电磁噪声低，谐波电压小等优点，已成功应用于高压、大功率和高可靠性领域。作为多电平逆变器的一种，开绕组驱动系统将Y型定子绕组的中性点打开，六个绕组端子分别连接到两个标准两电平逆变器。如果开绕组驱动系统中的一个逆变器由飞跨电容供电，不仅结构简化，成本降低，并且恒功率调速范围可以超过单个逆变器的最大调速范围。矢量控制由于稳态性能好，鲁棒性强而被广泛使用。在矢量控制的基础上引入弱磁控制和单位功率因数控制，以获得较宽的调速范围，实现有功无功功率的解耦，减轻了电源的无功负担。空间矢量脉冲宽度调制型控制具有许多优点，例如，更好的直流电压利用率，更低的转矩脉动，并且更容易在数字驱动器中实现，因此更适用于高可靠性需求领域。
技术实现思路
本专利技术针对永磁电机功率因数低的问题，利用功率理论解耦电机所需功率流，全部无功功率由电容器组提供，使电机系统在单位功率因数状态下运行，从而获得更高电压利用率。并引入弱磁控制，实现电机的弱磁扩速，进一步提高电机的控制性能。通过空间矢量调制控制策略，减小转矩和磁链脉动，获得固定的开关频率，降低电磁噪声。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法，包括以下步骤：1)构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成，包括主逆变器与电容逆变器；2)采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流，并通过q轴电流调节器得到q轴参考电压，d轴电流参考值由弱磁模块得到；3)采集电容逆变器中电容器组的电压，与电容电压给定值ucap*比较，将差值送入电容PI控制器，得到电容充电参考电压ucpi；4)采用电流反馈解耦方式来减弱dq轴电流的耦合，并利用功率解耦理论对电机运行所需功率进行解耦，通过单位功率因数模块重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；5)将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用SVPWM技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上，实现飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制。进一步，步骤2中，d轴电流参考值由弱磁模块得到的具体实现过程为：首先该被控系统拓扑中，由于两个逆变器母线彼此电隔离，共模电压没有闭合回路，因此不会产生可能损坏功率器件与电机的零序电流，开绕组拓扑下电机所获得的电压矢量为：us＝uINV1-uINV2其中，us为电机获得的电压矢量，uINV1为电源逆变器的电压矢量，uINV2为电容逆变器`的电压矢量；两个逆变器共同产生的矢量分布共有64个电压矢量，因此相比于单逆变器拓扑，矢量选择自由度更高；对于表贴式永磁电机id＝0控制等价于最大转矩电流比控制，电机弱磁控制是通过产生负向的d轴电流，来削弱d轴的磁链以此来实现弱磁扩速，计算弱磁控制所需要的d轴电流，dq轴磁链的表达式如下：其中，ψd为d轴磁链，ψq为q轴磁链，Ld为d轴电感，id为测得的d轴电流，ψf为永磁磁链，Lq为q轴电感，iq为测得的q轴电流；在飞跨电容拓扑的弱磁控制中，为了使电机不超出调制区用电源电压udc作为是否进入弱磁控制的基准，作为电机端电压的最大值，在稳态忽略电机定子电阻压降并不考虑dq轴耦合的条件下dq轴电压表达式如下：其中，ud为d轴电压，uq为q轴电压，we为电角速度，因此可以计算出系统合成参考电压幅值为：进一步得到有功电压和无功电压与电角速度之间的关系：其中，uactive为电机所需的有功电压，ureactive为为电机所需的无功电压，为功率因数角，id*为d轴弱磁电流给定值；通过控制id*的负向增加,可以实现电机的弱磁运行,同时考虑到永磁电机功率因数较低，在同一速度下需要的无功电压大于有功电压，因此采用电容PI调节器将电容电压幅值维持在高于电源电压幅值上，同时可以看出，在不弱磁的情况下，速度的提升，需要的无功电压与有功电压同时增加。进一步，当大于等于的值时不进入弱磁控制，此时id*的值为零，当小于的值时进入弱磁控制，此时id*的值为负值，电机运行所需要的d轴弱磁电流给定值id*由与的差值经过比例积分控制器产生，其中，uMId'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的d轴参考电压，uMIq'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的q轴参考电压。进一步，步骤4的具体过程为：为了减轻比例积分控制器负担，同时减弱dq轴的耦合，具体计算方法如下：其中，udo为电流反馈解耦模块产生的d轴电压，uqo为电流反馈解耦模块产生的q轴电压，we为电角速度，Ld,Lq为dq轴电感，id，iq为测得的dq轴电流，ψf为永磁磁链；dq轴电流调节器产生的dq轴电压为ud'，uq'，送入功率解耦模块的电压为ud，uq，其计算方法如下：将所需功率解耦，提出功率解耦分配策略具体过程如下：由于两个逆变器母线隔离，不存在零序电流问题，根据功率解耦理论求出有功电压uactive与无功电压ureactive：其中，uactive为为电机所需的有功电压，ureactive为为电机所需的无功电压，为功率因数角；将dq轴坐标系下的参考电压矢量uactive进行分解，主逆变器的参考电压矢量计算方法如下：其中，uMId为主逆变器d轴参考电压，uMIq为主逆变器q轴参考电压,为电流矢量与α轴之间的夹角。进一步，步骤5中的两套逆变器的参考电压矢量的具体实现过程为：通过步骤3中计算得到的电容逆变器中电容器组的电压的实测值ucap与电容逆变器中电容器组的电压的参考值ucap*比较，并将电容逆变器中电容器组的电压比较误差经过比例积分控制器后，得到电容充电电压给定值ucpi，根据功率流动理论，该电压应通过主逆变器充入电容器组，因此可以得出考虑电容电压控制后主逆变器的参考电压矢量计算方法：其中，uMId'为考虑电容电压控制后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成，包括主逆变器与电容逆变器；/n2)采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流，并通过q轴电流调节器得到q轴参考电压，d轴电流参考值由弱磁模块得到；/n3)采集电容逆变器中电容器组的电压，与电容电压给定值u

【技术特征摘要】
1.一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成，包括主逆变器与电容逆变器；
2)采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流，并通过q轴电流调节器得到q轴参考电压，d轴电流参考值由弱磁模块得到；
3)采集电容逆变器中电容器组的电压，与电容电压给定值ucap*比较，将差值送入电容PI控制器，得到电容充电参考电压ucpi；
4)采用电流反馈解耦方式来减弱dq轴电流的耦合，并利用功率解耦理论对电机运行所需功率进行解耦，通过单位功率因数模块重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；
5)将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用SVPWM技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上，实现飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制。


2.根据权利要求1所述的基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法，其特征在于，步骤2中，d轴电流参考值由弱磁模块得到的具体实现过程为：
首先该被控系统拓扑中，由于两个逆变器母线彼此电隔离，共模电压没有闭合回路，因此不会产生可能损坏功率器件与电机的零序电流，开绕组拓扑下电机所获得的电压矢量为：
us＝uINV1-uINV2
其中，us为电机获得的电压矢量，uINV1为电源逆变器的电压矢量，uINV2为电容逆变器`的电压矢量；
两个逆变器共同产生的矢量分布共有64个电压矢量，因此相比于单逆变器拓扑，矢量选择自由度更高；
对于表贴式永磁电机id＝0控制等价于最大转矩电流比控制，电机弱磁控制是通过产生负向的d轴电流，来削弱d轴的磁链以此来实现弱磁扩速，计算弱磁控制所需要的d轴电流，dq轴磁链的表达式如下：



其中，ψd为d轴磁链，ψq为q轴磁链，Ld为d轴电感，id为测得的d轴电流，ψf为永磁磁链，Lq为q轴电感，iq为测得的q轴电流；
在飞跨电容拓扑的弱磁控制中，为了使电机不超出调制区用电源电压udc作为是否进入弱磁控制的基准，作为电机端电压的最大值，在稳态忽略电机定子电阻压降并不考虑dq轴耦合的条件下dq轴电压表达式如下：



其中，ud为d轴电压，uq为q轴电压，we为电角速度，因此可以计算出系统合成参考电压幅值为：



进一步得到有功电压和无功电压与电角速度之间的关系：



其中，uactive为电机所需的有功电压，ureactive为为电机所需的无功电压，为功率因数角，id*为d轴弱磁电流给定值；
通过控制id*的负向增加,可以实现电机的弱磁运行,同时考虑到永磁电机功率因数较低，在同一速度下需要的无功电压大于有功...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，宋鑫鑫，成瑀，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32