一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，主要控制对象为永磁同步电机。首先根据永磁同步电机矢量运行时的约束条件，建立电压和电流极限圆方程。同时，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，求解出使输出转矩最大时的直轴电流方程。同时建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制，针对双电流调节器弱磁时存在高速耦合的问题，设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，来提高电机的带载能力和工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法
本申请涉及电机控制
，特别涉及一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法。
技术介绍
目前，永磁同步电机由于节能环保广泛应用于轨道交通、风力发电以及电动汽车等新能源领域，在这些应用场合中，往往需要将电机在高速下运行，但是受到变流器直流端电压的限制，使得电机无法继续升高转速，此时就需要采用弱磁控制来提高转速，拓宽永磁同步电机的速度范围，提高电机在高速运行的稳定性和安全性。传统的永磁同步电机弱磁控制是以磁场定向为基础，采用两个电流调节器，分别控制定子电流的直轴分量id和定子电流的交轴分量iq，传统弱磁控制的实现方式是在由id和iq构成的坐标平面上规划电机的定子电流轨迹，但是随着电机转速的提高，电压极限椭圆逐渐收缩，弱磁区域逐渐变小。同时，电机高速运行时，两个电流调节器id和iq耦合情况变的严重，使电机运行变的不稳定性，影响电机的性能和效率。为解决双电流调节器弱磁控制在高速耦合加剧的问题，采用单电流调节器弱磁控制，不再考虑双电流调节器的耦合问题，而是只控制直轴电流id，实现弱磁。同时通过改变交轴电压解决直接给定交轴电压弱磁控制时带载能力和效率下降的问题。变交轴电压单电流控制器弱磁方法，结合两者的优点，消除了双电流调节器高速耦合的影响，同时提高了电机的效率和带载能力。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，通过改变交轴电压的给定值来解决直接给定交轴电压弱磁控制时电机输出转矩下降、带负载能力下降的问题。另外在进行弱磁控制时采用单电流调节器，仅控制直轴电流，避免了双电流调节器高速耦合严重的情况。变交轴电压弱磁主要控制的是交轴电压，交轴电压的给定方法有很多，通过电机参数线拟合交轴电压指令，受电机参数影响大，鲁棒性较差，另一种方法通过查表法给定交轴电压，不易于实现。本专利技术针对交轴电压的给定提供了一种新的方法，引入比例系数，将直流侧电压极限值与直轴电压的平方差开根，然后与比例系数的乘积作为交轴电压的给定值。可以调节交轴电压的变化范围，控制结构简单，易于实现。为了达到上述专利技术目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，包括以下步骤：步骤S10：建立约束条件，根据永磁同步电机矢量控制运行的约束条件建立电压和电流极限圆方程；步骤S20：在恒转矩区建立最大转矩电流比方程，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，根据拉格朗日定理，求解使输出转矩最大时的直轴电流id方程；步骤S30：建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制；步骤S40：设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，其中比例系数K为常数，取值范围为K∈[01]，新的交轴电压给定值由直流侧的电压极限值与直轴电压给定值的偏差平方根与比例系数K的乘积共同决定。进一步的，所述步骤S10的具体过程如下：根据永磁同步电机矢量控制运行的条件，建立电压和定子电流的约束方程，永磁同步电机的输入电压不能超过逆变器输出电压，因此永磁同步电机交直轴电压满足下式：式中，ud为定子电压直轴分量，uq为定子电压交轴分量，usmax为变流器直流端电压的最大值。进一步的，所述的在两相dq旋转坐标系下的交直轴电压方程为：式中，Rs为定子电阻，Ld、Lq分别是两相dq旋转坐标系下d轴和q轴的自感，id、iq分别是直轴电流和交轴电流，ψf为永磁体的磁链，ωr为转子电角速度；将(2)式带入(1)式可得：当电机高速运行时，可以忽略定子电阻的影响。进一步的，所述的电压极限椭圆函数表达式为：根据式(4)所示的电压椭圆方程，可知椭圆的长半轴a＝usmax/(ωrLd)，短半轴的长度b＝usmax/(ωrLq)，电压极限椭圆的中心点坐标为(-ψf/Ld，0)。进一步的，所述步骤S20具体过程如下：首先确立定子电流矢量幅值和电磁转矩方程：其中，is为定子电流，id为定子电流直轴分量，iq为定子电流交轴分量；进一步地，所述的电磁转矩方程为：其中，Te为电磁转矩，pn为永磁同步电机磁极对数，ψf为永磁体磁链，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流；根据式(5)和(6)构建拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数。进一步的，所构造的拉格朗日函数表达形式为：其中，λ为拉格朗日常数，H为所建立的拉格朗日方程；根据拉格朗日极值定理，对直轴电流id、交轴电流iq以及拉格朗日常数λ分别求偏导，对式(7)各项求偏导数并令等号右边为零，得到：进一步的，根据式(8)可推出所述的直轴电流的二次方程为：对式(9)求解可得电机在恒转矩区采用最大转矩电流比控制时，使输出转矩最大，同时使定子电流最小所对应的直轴电流方程。进一步的，所述的直轴电流方程为：由式(10)式可以得到直轴电流给定值，通过直轴电流给定值与反馈值的偏差，经过PI调节器输出直轴电压ud，而交轴电流给定值由转速环经PI调节器给出，交轴电流给定值与反馈值的偏差经PI调节器后得到交轴电压uq，通过反PARK变换得到两相静止坐标系下的电压uα和uβ，将uα和uβ输入到空间电压矢量调制SVPWM中构成闭环控制。进一步的，所述步骤S30的具体过程如下：建立永磁同步电机采用变交轴电压单电流调节器弱磁控制时的切换条件，通过交直轴电压给定值和的合成矢量幅值us与输出电压的最大值usmax进行比较，进而判断出电机是否进行弱磁控制；当定子电压幅值us小于逆变器输出最大电压usmax时，即：其中，为直轴电压给定值，为交轴电压给定值，usmax为变流器直流端电压；此时，电机转速在基速以下，采取最大转矩电流比控制，使输出转矩保持最大；当定子电压幅值us大于逆变器输出最大电压usmax时，即：此时，电机转速在基数以上，需要进一步通过弱磁升速，采用变交轴电压单电流调节器弱磁，通过比较定子电压幅值和逆变器输出电压的大小来切换控制方式，实现高效率的弱磁控制。进一步的，所述步骤S40的具体过程如下：为使电机运行于最优工作点，交直轴电压必须满足电压极限椭圆轨迹方程才行，另外通过引入比例系数K，来更好调整交直轴电压给定值的变化幅度，以适应不同的工况需求，同时能够提高系统的鲁棒性和动态性能，因此，变交轴电压单电流调节器弱磁控制中的交轴电压给定值通过下式给出：当电机正转时所述新的交轴电压给定算法为：当电机反转时所述新的交轴电压给定算法为：其中，为交轴电压给定值，为直轴电压给定值，usmax为变流器直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S10：建立约束条件，根据永磁同步电机矢量控制运行的约束条件建立电压和电流极限圆方程；/n步骤S20：在恒转矩区建立最大转矩电流比方程，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，根据拉格朗日定理，求解使输出转矩最大时的直轴电流i

【技术特征摘要】
1.一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10：建立约束条件，根据永磁同步电机矢量控制运行的约束条件建立电压和电流极限圆方程；
步骤S20：在恒转矩区建立最大转矩电流比方程，利用定子电流方程和电磁转矩方程构造拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，根据拉格朗日定理，求解使输出转矩最大时的直轴电流id方程；
步骤S30：建立电机最大转矩电流比和弱磁控制的切换条件，在恒转矩区采用最大电流比控制，在恒功率区进行弱磁控制；
步骤S40：设计一种弱磁控制中新型的交轴电压给定条件，通过引入比例系数K，重新建立弱磁控制中交轴电压给定值的函数方程，其中比例系数K为常数，取值范围为K∈[01]，新的交轴电压给定值由直流侧的电压极限值与直轴电压给定值的偏差平方根与比例系数K的乘积共同决定。


2.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S10的具体过程如下：
根据永磁同步电机矢量控制运行的条件，建立电压和定子电流的约束方程，永磁同步电机的输入电压不能超过逆变器输出电压，因此永磁同步电机交直轴电压满足下式：



式中，ud为定子电压直轴分量，uq为定子电压交轴分量，usmax为变流器直流端电压的最大值，在两相dq旋转坐标系下的交直轴电压方程为：



式中，Rs为定子电阻，Ld、Lq分别是两相dq旋转坐标系下d轴和q轴的自感，id、iq分别是直轴电流和交轴电流，ψf为永磁体的磁链，ωr为转子电角速度；
将(2)式带入(1)式可得：



当电机高速运行时，可以忽略定子电阻的影响，从而得到电压极限椭圆函数表达式：



根据式(4)所示的电压椭圆方程，可知椭圆的长半轴a＝usmax/(ωrLd)，短半轴的长度b＝usmax/(ωrLq)，电压极限椭圆的中心点坐标为(-ψf/Ld，0)。


3.根据权利要求1所述的一种新型变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，其特征在于，所述步骤S20具体过程如下：
首先确立定子电流矢量幅值和电磁转矩方程：



其中，is为定子电流，id为定子电流直轴分量，iq为定子电流交轴分量；
电磁转矩方程为：



其中，Te为电磁转矩，pn为永磁同步电机磁极对数，ψf为永磁体磁链，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流；
根据式(5)和(6)构建拉格朗日函数，将电磁转矩方程作为辅助函数，其表达形式如下：



其中，λ为拉格朗日常数，H为所建立的拉格朗日方程；
根据拉格朗日极值定理，对直轴电流id、交轴电流iq以及拉格朗日常数λ分别求偏导，对式(7)各项求偏导数并令等号右边为零，得到：



根据式(8)可进一步推出直轴电流的二次方程，可得：



对式(9)求解可得电机在恒转矩区...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗剑，闫永辉，郭永馨，董建功，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31