一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法。本发明专利技术通过导入永磁同步电机额定参数，结合电机安全运行区和最大转矩电流比(MTPA)控制，计算驱动器电流极限和直流母线电压极限，并分配最优交直轴电流指令。若交轴参考电流小于交轴电流极限，则基于MTPA控制轨迹计算最优的交轴电流和直轴电流控制指令；否则进入弱磁运行区域，保证电机运行于安全运行边界内。本发明专利技术将永磁同步电机与驱动器视为一个整体，通过优化匹配电机与驱动器的参数，实现最佳的MTPA轨迹控制，有效扩大MTPA的安全运行边界，在不增大驱动器容量的前提下实现永磁同步电机最大转矩输出能力的提升，最大限度地发挥伺服驱动逆变器的能力和MTPA控制的优势。挥伺服驱动逆变器的能力和MTPA控制的优势。挥伺服驱动逆变器的能力和MTPA控制的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法


[0001]本专利技术属于电机控制
，具体为一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法。

技术介绍

[0002]随着稀土永磁材料的不断开发与相关制造技术的进步，永磁同步电机的性能得到了极大提升，并且因其机械结构简单、重量轻、体积小、易于维护、效率高等优点，在各种工矿企业的变频调速、伺服控制等驱动系统中得到了广泛的应用。根据永磁体在转子上安装方式的不同，永磁同步电机主要存在表贴式和内置式永磁两种结构。相比于表贴式，内置式永磁同步电机(IPMSM)的永磁体嵌入在转子中，在高速运行时机械鲁棒性更高，此外，IPMSM具有不对称的电感，即存在直轴电感L
d
≠交轴电感L
q
，使得IPMSM可以产生有用的磁阻转矩。在IPMSM中，磁阻转矩与d轴电流和q轴电流的乘积成正比，而永磁体产生的转矩仅与q轴电流成正比，因此当电流总幅值恒定时，不同的定子电流矢量角将产生大小不同的转矩，其中必然存在一个定子电流矢量角产生的转矩最大。研究人员已经提出了令IPMSM一直运行在定子电流最优矢量角的方法，即所谓的最大转矩电流比(MTPA)控制。现在MTPA控制已是IPMSM常用的控制方法之一，MTPA控制有利于提高逆变器效率，降低伺服驱动系统的能量损耗。但MTPA控制与永磁同步电机驱动系统的参数存在紧密的关系并长期被人们所被忽视，有必要革新基于MTPA控制的永磁同步电机驱动系统，实现转矩增强的目的。

技术实现思路

[0003]本专利技术的专利技术目的是针对上述背景技术的不足，提出一种基于最大转矩电流比控制的伺服驱动系统转矩增强方法。该方法将电机与驱动器视为一个整体，通过优化匹配电机与驱动器的参数，实现最佳的MTPA轨迹控制，有效扩大MTPA的安全运行边界，在不增大驱动器容量的前提下实现IPMSM最大转矩输出能力的提升。
[0004]本专利技术采用如下技术方案：一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法，包括以下步骤：
[0005]第一步，导入永磁同步电机额定参数，包括电机直轴电感L
d
、交轴电感L
q
、额定电流I
N
、额定电气角频率ω1和永磁磁链ψ
f
。
[0006]第二步，根据永磁同步电机参数和安全运行区计算驱动器电流极限。永磁同步电机安全运行区需同时考虑电流极限圆和电压极限椭圆。
[0007]在两相同步旋转坐标系中，电流极限圆是以原点为中心、驱动器最大相电流I
sm
为半径的圆。电压极限椭圆是以(
‑
ψ
f
/L
d
,0)为中心、随转速升高不断向中心压缩的一系列同心椭圆，范围由定子端相电压最大值U
lim
和电角频率ω1共同决定，如式(1)所示。SVPWM调制下，定子端相电压最大值U
lim
与直流母线电压U
dc
的关系为
[0008][0009]转速较低时，电压极限椭圆范围较大，最大输出转矩由MTPA轨迹和电流极限圆决定，假设最大输出转矩对应的电流矢量为i
s
。转速较高时，电压极限椭圆无法忽略，若希望电流矢量i
s
不被电压极限椭圆限制，同时充分利用逆变器的输出电压，使U
lim
尽可能小，则MTPA轨迹、电流极限圆、电压极限椭圆应在i
q
>0或i
q
<0时交于一点，可通过MTPA轨迹与电流极限圆得到驱动器的交轴电流极限I
q1
、直轴电流极限I
d1
和最佳的直流母线电压。
[0010]由公式法，MTPA轨迹如下：
[0011][0012]i
q
>0时，令式(2)中的I
s
＝I
sm
，I
sm
为驱动器最大相电流，其值不应小于电机相电流的额定值。可得MTPA轨迹与电流极限圆的交点的横坐标，即驱动器的直轴电流极限I
d1
：
[0013][0014]由交点的纵坐标，即驱动器的交轴电流极限I
q1
为：
[0015][0016]第三步，确定直流母线电压极限，即由交直轴电流极限和电机参数共同确定直流母线电压极限。令i
d
＝I
d1
和i
q
＝I
q1
并代入式(1)的椭圆方程中，可得直流母线电压极限：
[0017][0018]式中，ω1为电机额定电气角频率。
[0019]第四步，分配最优交直轴电流指令，首先判断交轴参考电流i
qref
与交轴电流极限i
q1
的数值关系，若i
qref
≤i
q1
，则基于最大转矩电流比(MTPA)控制轨迹，计算最优的交轴电流和直轴电流控制指令，确保内置式永磁同步电机驱动系统同时运行于电流和电压的安全运行边界内；若i
qref
>i
q1
，则进入弱磁运行区域，保持电流关系式满足
[0020]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0021]本专利技术提出的永磁同步电机驱动系统转矩增强控制对伺服驱动逆变器的直流母线电压进行了系统性设计，可以在低的驱动器直流母线电压下，拓宽驱动系统的最大转矩输出范围，最大限度地发挥伺服驱动逆变器的能力。并且该方法计算简单、具有较高的实用性。
附图说明
[0022]图1是永磁同步电机驱动系统转矩增强方法的流程图。
[0023]图2(a)、图2(b)、图2(c)是内置式永磁同步电机安全运行边界三种情况。
[0024]图3是内置式永磁同步电机安全运行范围与MTPA轨迹。
[0025]图4是永磁同步电机驱动系统转矩增强方法的控制原理图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术公开的永磁同步电机驱动系统转矩增强方法的流程图如图1所示，包括以下4个步骤。
[0027](1)导入永磁同步电机额定参数
[0028]导入永磁同步电机的直轴电感L
d
、交轴电感L
q
、额定电流I
N
、额定电气角频率ω1和永磁磁链ψ
f
，为后续控制做准备。
[0029](2)计算驱动器电流极限
[0030]根据永磁同步电机参数和安全运行区计算驱动器电流极限。永磁同步电机安全运行区需同时考虑电流极限圆和电压极限椭圆。
[0031]在两相同步旋转坐标系中，电流极限圆是以原点为中心、驱动器最大相电流I
sm
为半径的圆。电压极限椭圆是以(
‑
ψ
f
/L
d
,0)为中心、随转速升高不断向中心压缩的一系列同心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机驱动系统转矩增强方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，导入永磁同步电机额定参数，包括电机直轴电感L
d
、交轴电感L
q
、额定电流I
N
、额定电气角频率ω1和永磁磁链ψ
f
；第二步，计算驱动器电流极限，根据驱动器最大允许电流I
sm
和电机参数来计算获得驱动器电流极限圆轨迹，分别获得驱动器的交轴电流极限I
q1
和直轴电流极限I
d1
；第三步，确定直流母线电压极限，即由交直轴电流极限和电机参数共同确定直流母线电压极限；第四步，分配最优交直轴电流指令，首先判断交轴参考电流i
qref
与交轴电流极限i
q1
的数值关系，若i
qref
≤i
q1
，则基于最大转矩电流比控制轨迹，计算最优的交轴电流和直轴电流控制指令，确保内置式永磁同步电机驱动系统同时运行于电流和电压的安全运行边界内；若i
qref
>i
q1
，则进入弱磁运行区域，保持电流关...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宝祥，符红军，吴帅，
申请(专利权)人：江苏远方动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：