一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法和系统技术方案

一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法和系统，属于永磁电机技术领域，通过计算内嵌永磁同步电机的MTPA、弱磁和MTPV控制轨迹曲线，结合电机电压限、电流限和转矩曲线，由所述曲线得到电机交直轴电流的运行轨迹图，采用前馈反馈混合弱磁控制，根据反馈电压和限幅后的给定转矩由轨迹图查表，获得直交轴电流给定值，完成矢量控制中的弱磁控制。本发明专利技术解决现有弱磁控制中二维查表占用计算资源的问题，提出基于一维查表实现矢量控制混合弱磁，且保证稳定性，用于电机矢量控制，使电流在变化过程中转矩变化小，平滑过渡，本发明专利技术方法仅使用积分器调节直轴去磁电流，简化软件整定步骤，给定转矩与输出转矩一致性高，有利于提高转速环的带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法和系统
本专利技术属于永磁电机
，尤其是内嵌式永磁电机，为一种基于一维查表的内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法和系统。
技术介绍
永磁同步电机具有高功率密度、低转动惯量、高效率等特点，在高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服装置中得到广泛应用。其中，内嵌式永磁电机因利用磁阻转矩，可进一步提高电机的过载能力，拓宽调速范围。内嵌永磁电机的弱磁控制已成为矢量控制系统中必不可少的一环，得到了广泛研究，其主要分为以下三种方法：前馈弱磁控制（见参考文献[1~3]）；反馈弱磁控制（见参考文献[4~6]）；前馈反馈混合弱磁控制（见参考文献[7,8]）。前馈弱磁控制根据电机参数通过理论公式计算出电机的转速拐点以及不同工作点的给定电流，这种方法严重依赖于电机参数，且没有考虑电机的电磁饱和影响，对于饱和与直交轴耦合程度较高的内嵌永磁电机来说，电机输出性能不理想。反馈弱磁控制根据电压反馈判断电机控制是否该进入弱磁，通过PI调节直轴去磁电流的增加，同时对交轴电流限幅来实现弱磁控制，这种方法的优点是实现简单、不依赖于电机参数，但缺点是很难充分发挥电机在弱磁区的最大输出性能，更无法实现电机在高速MTPV区域的运行，尤其对于交轴电流的限幅，如采用最大转矩电流比MTPA查表得到的电流幅值作为总的电流限幅（见参考文献[4]），电机将无法在弱磁区输出最大性能，但如果采用电机最大允许电流幅值作为电流限幅，控制系统极容易发生饱和震荡，失去稳定性，弱磁PI的存在降低了系统的动态响应性能，破坏了给定转矩与输出转矩的一致性，降低了转速环带宽，其参数的整定也增加了软件调试的复杂性，且易使控制系统失去稳定（见参考文献[9]）。因此，有文献提出了前馈反馈相结合的混合弱磁控制方法，这种方法先通过对电机标定提前准备两个二维表格，即直交轴电流对应不同定子磁链和不同转矩的表格。在控制系统中，电压反馈通过PI来调节定子磁链幅值，此定子磁链与限幅后的给定转矩进入二维查表获得直交轴电流给定值，这种方法可以充分发挥电机在弱磁区域的性能，并能使电机运行在高速最大转矩电压比MTPV区域，实现低速MTPA到弱磁到高速MTPV的无缝过渡，但这种方法的缺点也很明显，每个中断周期需要做两次二维查表，占用较长的计算时间和内存空间，同时还包含一个PI调节器，继承了反馈弱磁控制PI的类似缺陷。在已公开的国内专利中，CN103404018B采用的是混合弱磁方法，根据反馈母线电压查表获得调整率，根据给定转矩和调整率查二维表获得直交轴电流给定值。CN103701384A和CN105450121A采用的是一种反馈弱磁方法，仍旧是根据反馈电压通过PI对直交轴电流给定值进行调整。CN104242766A根据反馈的电压电流对转矩进行估计，通过PI调整电压向量相角来实现弱磁。CN107046386A提供了一种弱磁标定方法，其采用的仍是反馈弱磁控制方法。在已公开的国外专利中，US20130009575A1采用了基于二维查表的混合弱磁方法，仍是基于磁链和给定转矩查表得到直交轴电流给定值。US20140203754A1采用了直接转矩控制的弱磁方法，根据电压反馈通过PI调节对定子磁链限幅实现弱磁和深度弱磁控制。US20170085199A1是一种混合反馈弱磁控制方法，其假设不同电流矢量可以通过线性过渡实现计算出两个系数，使用这两个系数和电压反馈PI的输出计算直交轴电流的补偿量。US8115437也是采用二维查表，通过当前凸极比和给定转矩查表获得直轴电流给定值，通过直轴电流给定值、给定转矩和凸极比计算交轴电流给定值。而凸极比又是另外一个二维表格，对应不同的磁链和不同的转矩。US6163128是针对表贴永磁电机的弱磁控制方法，其通过交轴电流的跟随误差来判断是否需要去磁。以上已公开的专利文献中，采用混合弱磁方法的大多使用了二维查表的方法，仅有US20170085199A1没有采用二维查表，然而其假设电流矢量线性过渡的前提条件，必然会造成转矩的在大范围内变化，且专利文献中没有明确说明在MTPA和弱磁区电流矢量给定值的获取。参考文献[1]Wide-SpeedOperationofInteriorPermanentMagnetSynchronousMotorswithHigh-PerformanceCurrentRegulator,1994[2]ALinearMaximumTorquePerAmpereControlforIPMSMDrivesOverFull-SpeedRange,2005[3]ExpansionofOperatingLimitsforPermanentMagnetMotorbyCurrentVectorControlConsideringInverterCapacity，1990[4]SpeedControlofInteriorPermanentMagnetSynchronousMotorDrivefortheFluxWeakeningOperation,1997[5]ANovelFluxWeakeningAlgorithmforSurfaceMountedPermanentMagnetSynchronousMachineswithInfiniteConstantPowerSpeedRatio,2007[6]ANewControlTechniqueforAchievingWideConstantPowerSpeedOperationwithInteriorPMAlternatorMachine,2001[7]NewFieldWeakeningTechniqueforHighSaliencyInteriorPermanentMagnetMotor,2003[8]TorqueFeedforwardControlTechniqueforPermanent-MagnetSynchronousMotors,2010[9]永磁同步电机弱磁失控机制及其应对策略研究，2011。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：内嵌永磁电机弱磁控制得到了广泛研究，但现有前馈反馈混合弱磁控制方案大多需要使用二维查表的方法，占用计算时间和内存空间，少数不需要二维查表的方案则需要一些特定前提条件，使用受到限制，且缺乏稳定性。本专利技术就此提出一种新的完全基于一维查表（或拟合曲线公式计算）的矢量控制混合弱磁方法，使电流在变化过程中转矩变化小，实现平滑过渡，此方法仅使用积分器调节直轴去磁电流，简化软件整定步骤，给定转矩与输出转矩一致性高，有利于提高转速环的带宽。本专利技术的技术方案为：一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，计算内嵌永磁同步电机的MTPA、弱磁和MTPV控制轨迹曲线，结合电机电压限、电流限和转矩曲线，由所述曲线得到电机交直轴电流的运行轨迹图，采用前馈反馈混合弱磁控制，根据反馈电压和限幅后的给定转矩调整去磁电流，并根据转矩曲线实时计算相应交轴电流给定值，完成矢量控制中的弱磁控制。进一步的，根据反馈电压和限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是计算内嵌永磁同步电机的MTPA、弱磁和MTPV控制轨迹曲线，结合电机电压限、电流限和转矩曲线，由所述曲线得到电机交直轴电流的运行轨迹图，采用前馈反馈混合弱磁控制，根据反馈电压和限幅后的给定转矩调整去磁电流，并根据转矩曲线实时计算相应交轴电流给定值，完成矢量控制中的弱磁控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是计算内嵌永磁同步电机的MTPA、弱磁和MTPV控制轨迹曲线，结合电机电压限、电流限和转矩曲线，由所述曲线得到电机交直轴电流的运行轨迹图，采用前馈反馈混合弱磁控制，根据反馈电压和限幅后的给定转矩调整去磁电流，并根据转矩曲线实时计算相应交轴电流给定值，完成矢量控制中的弱磁控制。


2.根据权利要求1所述的一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是根据反馈电压和限幅后的给定转矩由轨迹图查表获得直交轴电流给定值具体为：
1）根据给定转矩查MTPA表，得到MTPA轨迹上的直交轴电流IdRef0，IqRef0,并使给定直交轴电流IdRef，IqRef初始化为IdRef0，IqRef0；
2）设定弱磁判断条件，转速wn，当转速小于wn时不进行弱磁，直接输出给定直交轴电流IdRef=IdRef0，IqRef=IqRef0，当转速大于wn且满足弱磁条件，进行步骤3）；
3）根据给定转矩查MTPV表，得到MPTV轨迹上的直交轴电流IdRef1，IqRef1；
4）计算反馈电压幅值和最大可用电压；
5）计算直轴电流变化量deltaId=，为变化量系数；
6）更新给定直轴电流IdRef’=IdRef+deltaId；
7）判断更新后的给定直轴电流IdRef’，如大于IdRef0，则将给定直轴电流IdRef’重新赋值为IdRef0，如不大于IdRef0则判断IdRef'是否小于IdRef1，如小于则将给定直轴电流IdRef’赋值为IdRef1，如不小于则维持IdRef’=IdRef+deltaId；
8）根据步骤7）得到的给定直轴电流计算得到对应的给定交轴电流，输出给定直交轴电流。


3.根据权利要求2所述的一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是使用在线计算电流PI参数的方法，根据得到的给定交轴电流实时计算交轴电感，调整电流PI参数。


4.根据权利要求2所述的一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是使用在线计算电流PI参数的方法，根据得到的给定交轴电流实时计算交轴电感，调整电压前馈的补偿值。


5.根据权利要求2所述的一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是步骤5）中，对于直轴电流在每个中断周期的调整变化量由三种方法确定：
a）根据当前转速确定变化量的大小；
b）根据电压差或电压比例确定变化量的大小；
c）以一个固定值来调整。


6.根据权利要求2所述的一种内嵌永磁同步电机的矢量控制及弱磁方法，其特征是步骤8）中，计算交轴给定电流具体为：
设经过限幅的转矩给定为，由MTPA查表得和，由MTPV查表得和，弱磁发生时电流矢量逐渐从运行点过渡到(，)，退出弱磁时由(，)过渡到，由...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子健，陈彦鹏，王东，钱巍，
申请(专利权)人：南京埃斯顿自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32