阅读说明：本技术 一种永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法 (Flux weakening control system and control method for permanent magnet synchronous motor ) 是由 郑翔 张磊 杨瑞敏 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法,涉及电机调速控制技术领域,其特征在于,该方法通过获取相关电机参数通过永磁同步电机公式预先分析计算弱磁电流预测值,并持续获取当前的输出电压与电压限值比较进行弱磁电流迭代修正获得弱磁电流修正值,根据修正值和预测值以及直轴电流给定值输出综合弱磁电流给定值,从而实现永磁同步电机的弱磁控制。本发明中弱磁控制响应快,稳定性高,减少了控制系统的失稳情况,同时避免了弱磁控制中的参数调制困难,提高了弱磁控制的效能。(The invention provides a flux weakening control system and a flux weakening control method for a permanent magnet synchronous motor, which relate to the technical field of motor speed regulation control and are characterized in that a flux weakening current predicted value is calculated by acquiring related motor parameters through a permanent magnet synchronous motor formula in advance, current output voltage is continuously acquired and compared with a voltage limit value to carry out flux weakening current iterative correction to obtain a flux weakening current corrected value, and a comprehensive flux weakening current set value is output according to the corrected value, the predicted value and a direct-axis current set value, so that flux weakening control of the permanent magnet synchronous motor is realized. The invention has fast response and high stability of the flux-weakening control, reduces the instability of the control system, avoids the difficulty of parameter modulation in the flux-weakening control and improves the efficiency of the flux-weakening control.)

一种永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电机调速控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法。

背景技术

随着电机调速控制行业的发展，永磁同步电机由于其功率密度大，效率高等优势得到越来越多的应用。在需要电机高速运行的场合，永磁同步电机的弱磁调速性能也得到越来越多的关注。

目前常见的永磁同步电机弱磁控制方法有两种，一种通过工程标定法，对永磁电机的弱磁运行区域的转矩、转速、电流数据进行详细的标定，根据标定数据获得电流给定插值表，从而获得弱磁电流及转矩电流给定值，这种方式弱磁标定工作量大，且标定数据只能用于标定电机，通用性差。另一种方式，是通过电流环控制输出值与系统输出电压限值进行误差调节，调节输出值作为弱磁电流给定值，该方法不依赖标定数据，通用性好，但是弱磁调节器参数不好选取，且对于弱磁区控制运行的转矩及转速动态适应性比较差，系统容易出现稳定性问题。

发明内容

本发明提供了一种永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法，整体采用转子磁链定向控制方式，在弱磁控制部分增加了弱磁电流预测，根据永磁同步电机的参数进行分析预算弱磁电流的给定值，同时根据交轴电压与直轴电压的输出值获取电压幅值并与电压限值进行比较，利用PI控制器根据比较结果对弱磁电流进行调整修正，再结合MTPA控制器输出的直轴电流给定值进行计算可得到最终的弱磁电流给定值，提高了弱磁控制的响应速度并提高了系统的稳定性。

本发明提供了一种永磁同步电机弱磁控制方法，具体步骤如下：

初始电流给定：通过MTPA控制器根据给定的转矩输出永磁同步电机初始的交轴电流给定值和直轴电流给定值。

弱磁电流给定：所述弱磁电流给定包括：弱磁电流预测、弱磁环调节修正以及综合电流给定；

其中，所述弱磁电流预测，根据转矩指令值、相关电机参数以及输出电压限值经分析计算得出弱磁电流给定的预测值；

同时，进行所述弱磁环调节修正，首先根据交轴电压输出和直轴电压输出计算出当前系统的电压幅值，根据所述电压幅值计算与电压限值之间的误差，并将误差结果输入到PI 控制器中进行调节修正获得弱磁电流修正值；

所述综合电流给定，根据得到的弱磁电流预测值、弱磁电流修正值以及MTPA控制器输出的直轴电流给定值计算得到最终的弱磁电流给定值。

交、直轴电压输出：将得到最终的弱磁电流给定值和直轴电流反馈输入到所述电流控制器中，同时将交轴电流给定和交轴电流反馈输入到电流控制器中，所述电流控制器根据交轴电流给定与交轴电流反馈对比产生的误差信号以及值周电流给定对于直轴电流反馈对比产生的误差信号分别输出交轴电压输出值和直轴电压输出值。

电压信号处理：对得到的所述交轴电压输出值和直轴电压输出值进行坐标变换以及PWM 调制获得PWM调制信号。

电机驱动：根据PWM调制信号驱动电机运行。

进一步的，在所述弱磁电流预测中，电机参数可通过离线测量、在线辨识或者根据工程数据进行估算获得，所述电机参数包括转速、转矩、转子磁链、直轴电感、交轴电感和定子电阻，基于上述电机参数计算获得弱磁电流预测值。

进一步的，在所述弱磁环调节修正中，所述输出电压限值根据电机驱动系统的最大输出电压确定。

进一步的，所述弱磁环调节修正中采用PI控制器获得弱磁电流的修正值，调节修正过程如下：

根据当前电流环的输出电压进行电压幅值的计算，并将电压幅值与电压限值进行比较；

当电压幅值大小大于电压限值时，通过PI控制器减小直轴电流的给定值，再基于转矩等高线获得交流电轴给定值，并将得到的交轴电流给定值和直轴电流给定值输入到所述电流控制器中，并持续该步骤进行迭代修正；

当电压幅值大小比电压限值小时，则循环计算获取当前的电压幅值，这时进入空转状态。

进一步的，所述综合电流给定中，交轴电流给定值和直轴电流给定值通过转速调节器或转矩调节器或转矩-电流插值表获得。

本发明还提供了一种永磁同步电机弱磁控制系统，包括：

MTPA控制器、弱磁控制器、电流控制器、PWM调制器以及电机驱动器，所述MTPA控制器和所述弱磁控制器分别与所述电流控制器连接，所述电流控制器、PWM调制器以及电机驱动器依次连接，所述电机驱动器与同步电机连接，驱动电机工作。

所述弱磁控制控制器包括预测模块、修正模块和弱磁电流输出模块，所述预测模块和修正模块分别连接所述弱磁电流输出模块；

所述预测模块通过预测电流计算器，根据转速，转矩，转子磁链，交、直轴电感及定子电阻获得弱磁电流预测值并输出；

所述修正模块通过PI控制器，根据交、直轴电压输出的幅值与电压限值的比较进行弱磁电流的修正；

所述弱磁电流输出模块用来接收弱磁电流预测值和弱磁电流修正值以及所述MTPA控制器输出的直轴电流给定值，并输出最终弱磁电流给定值。

区别现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、在弱磁控制中增加了弱磁电流的预测，通过得到的弱磁电流预测值与弱磁电流修正值以及MTPA直轴电流给定值进行计算得到最终的弱磁电流给定值，提高了电流输出的稳定性，同时提高了系统的响应速度。

2、弱磁电流调节修正过程中，根据当前系统的电压幅值与电压限值进行比较，根据比较结果修正直轴电流的给定，由转矩等高线获得交轴电流给定，最后将交、直电流给定代入电流环，在弱磁电流调节修正中仅对弱磁电流进行补偿修正，控制适应性好，对系统稳定性影响较小。控制参数容易选取。

3、所述电机控制参数包括转速、转矩、转子磁链、直轴电感、交轴电感和定子电阻等可通过离线测量、在线辨识或者根据工程数据进行估算获得，控制参数容易获取，避免了弱磁环控制中参数调试困难等问题。

附图说明

图1是本发明的整体弱磁控制永磁同步电机方法流程图；

图2是本发明的弱磁控制方法流程图；

图3是本发明的系统控制结构示意图；

图4是本发明的弱磁控制结构示意图；

图5是本发明的永磁同步电机转矩-电流MAP、弱磁电流预测值及修正值示意图；

图6是本发明的弱磁电流迭代修正流程图；

具体实施方式

在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供了一种永磁同步电机弱磁控制方法，如图1所示，方法的具体步骤如下：

S1：获取初始电流给定值，根据永磁同步电机的转矩给定，MTPA控制器根据转矩给定输出交轴电流给定和直轴电流给定。

S2：计算所述交轴电流给定值与交轴电流反馈之间的误差值，并将误差信息输入到电流控制器中，同时计算直轴电流给定与弱磁电流给定之和获得综合直轴电流给定值，再计算得到的综合直轴电流给定值与直轴电流反馈之间的误差值，并将误差信息输入到电流控制器中。

S3：所述电流控制器根据接收到的交轴和直轴电流给定与各自的反馈对比产生的误差信号分别输出交轴电压输出值和直轴电压输出值，对获得的交轴电压输出值和直轴电压输出值进行坐标变换和PWM调制后输入到电机驱动器中驱动电机运行。

其中，步骤S2中所述弱磁电流给定值的获得如图2所示，具体步骤如下：

S21:本事实例中通过离线测量获得永磁同步电机的转速、转矩、转子磁链、直轴电感、交轴电感、定子电阻等电机参数，并根据上述参数通过永磁同步电机公式进行计算获得直直轴电流i_d的预测值，所述永磁同步电机公式如下：

u_d＝R_id-ω_rL_qi_q

u_q＝R_si_q-ω_r(L_di_d+ψ_f)

其中T_e为电磁转矩，p_o为电机极对数，ψ_f为电机转子磁链，ω_r为电机转速，R_s为电机定子电阻，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感。

S2：获取当前系统的交轴电压输出值和直轴电压输出值并进行幅值计算，将计算结果与电压限值进行比较获得误差量，所述电压限值的计算通过如下公式：

其中u_d为直轴电压，u_q为交轴电压，U_max为电压限值。

S3：根据获得的误差量进行弱磁电流的修正，并获得弱磁电流修正值，再将弱磁电流预测值、弱磁电流修正值和MTPA弱磁电流给定值进行运算获得最终的弱磁电流给定。

所述最终的弱磁电流给定值运算为，先计算获得的所述弱磁电流修正值与所述弱磁电流预测值相加，相加之和减去所述MTPA控制器输出的直轴电流给定值，得到的结果即为最终的弱磁电流给定值。

所述弱磁电流的修正，如图6所示，首先通过当前电流环输出电压计算电压幅值，将电压幅值与计算获得的电压限值进行比较，当电压幅值大于电压限值时，则通过修正调节器减少直轴电流给定，再通过转矩等高线获得交轴电流给定，最后将得到的交轴电流给定和直轴电流给定输出，同时系统继续进行弱磁电流的迭代修正循环；当电压幅值小于电压限值时，将返回到开始重新计算当前电压幅值，这时处于空转状态。

如图5所示，1为电流极限圆，2为电压极限圆，3为转矩等高线，4为MTPA曲线，叉点是本实施例中弱磁电流预测过程计算得到的弱磁电流预测值，因为电机参数的不准确及非线性误差，得到的弱磁电流预测值与真实值存在一定偏差，落在了电压极限圆以外，因此，需要再经过弱磁电流修正过程对其进行微小的修正调整，使其完美的落入电压极限圆内，满足弱磁控制快速稳定的要求。

本发明的实施例二基于上述实施例一的弱磁控制方法还提供了一种永磁同步电机的弱磁控制系统，如图3所示，该系统包括：MTPA控制器、弱磁控制器、交轴电流反馈电路、直轴电流反馈电路、电流调节器、电流控制器、PWM调制器以及电机驱动器，所述MTPA控制器的交轴电流输出端和所述交轴电流反馈电路与所述电流调节器连接，MTPA控制器的直轴电流输出端和所述弱磁控制器电流输出端与所述电流调节器连接，所述电流调节器还连接所述直轴电流反馈电路；

所述电流调节器还连接所述电流控制器，所述电流控制器、PWM调制器以及电机驱动器依次连接，所述电机驱动器与同步电机连接，驱动电机工作。

其中，所述弱磁控制器用来输出弱磁电流给定，如图4所示，所述弱磁控制器包括：预测模块、修正模块和弱磁电流输出模块，所述预测模块和修正模块分别连接所述弱磁电流输出模块；

所述预测模块通过预测电流计算器，根据转速，转矩，转子磁链，交、直轴电感及定子电阻获得弱磁电流预测值并输出，所述与测电流计算器内部存储有永磁同步电机电流计算公式；

所述修正模块通过PI控制器，根据交、直轴电压输出的幅值与电压限值的比较结果进行弱磁电流的修正；

所述弱磁电流输出模块用来接收弱磁电流预测值和弱磁电流修正值以及所述MTPA控制器输出的直轴电流给定值，并输出最终弱磁电流给定值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。