阅读说明：本技术 一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法 (A kind of permanent magnet synchronous motor field weakening control method based on torque closed loop ) 是由 苏丹丹 李志远 李浩东 孙振铎 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法。该方法基于空间电压矢量角度的弱磁控制原理,采用转矩闭环的控制策略,获得所需的空间电压矢量的角度。具体是,基于参考转矩与实际转矩之间的误差,采用PI控制策略,得到所需的空间电压矢量的角度。该方法无需求解强耦合的非线性方程组、不依赖于电机本身的电气参数,具有很强的鲁棒性,无需计算弱磁电流,大大简化了弱磁控制。(The present invention provides a kind of permanent magnet synchronous motor field weakening control methods based on torque closed loop.Weak magnetic control principle of this method based on space voltage vector angle obtains the angle of required space voltage vector using the control strategy of torque closed loop.Specifically, the angle of required space voltage vector is obtained using PI control strategy based on the error between torque reference and actual torque.This method is not necessarily to the Nonlinear System of Equations for solving close coupling, the electric parameter independent of motor itself, and there is very strong robustness to enormously simplify weak magnetic control without calculating weak magnetoelectricity stream.)

一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体地说是一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法。

背景技术

对于永磁同步电机，当直流母线电压为额定值且电机输出转矩为额定转矩时，所对应的电机转速称为基速。基速以下称为恒转矩区，通常采用单位电流最大转矩控制以降低电机铜耗，提高运行效率，同时降低对逆变器的容量要求。

在基速以上，如果转子磁通保持不变，转子的反电动势将大于电机的最大输入电压，电机转速将无法进一步提高。永磁同步电机转子永磁体产生的磁动势恒定，只有通过调节定子电流，即增大磁场电流分量，利用电枢反应来抵消永磁体磁势，减小电机气隙合成磁势来实现弱磁升速。基速以上称为恒功率区，通常采用弱磁控制以削弱气隙磁链并限制反电动势使其不随转速提高而增大。弱磁控制是实现永磁同步电机高速运行的重要手段。如何在保证电机正常工作的前提下，充分利用直流母线电压，以减少弱磁电流，一直以来都是弱磁控制的难点。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法，以充分利用直流母线电压，减少弱磁电流。

本发明的目的是这样实现的：一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法，通过转矩闭环控制永磁同步电机弱磁控制时的空间电压矢量角度。具体是，基于参考转矩与实际转矩之间的误差，采用PI控制策略，得到所需的空间电压矢量的角度。

所需的空间电压矢量的角度的计算公式如下：

式中，ΔT_e为参考转矩与实际转矩之间的误差，K_pT、K_iT分别为转矩误差的比例和积分系数，γ₀为电压矢量的初始角度。

根据所得到的所需的空间电压矢量的角度γ^*，并依据如下公式计算出d轴电压V_d和q轴电压V_q；

式中，V_smax为逆变器输出的最大空间电压矢量；

之后对d轴电压V_d和q轴电压V_q进行Park逆变换得到v_α ^*、v_β ^*，并基于SVPWM调制出所需电压矢量。

本发明基于空间电压矢量角度的弱磁控制原理，采用转矩闭环的控制策略，获得所需的空间电压矢量的角度。该方法无需求解强耦合的非线性方程组、不依赖于电机本身的电气参数，具有很强的鲁棒性，无需计算弱磁电流，大大简化了弱磁控制。

附图说明

图1是逆变器在线性区输出的最大电压矢量图。

图2是dq坐标系下逆变器最大输出电压V_smax与dq轴电压的关系图。

图3是基于转矩闭环的FW控制的原理框图。

具体实施方式

为了充分利用直流母线电压，以减少弱磁电流，本发明提出了一种基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法。

(一)建立永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型

在分析三相永磁同步电机时，一般需要做如下假设：

1)定子绕组Y形连接，且通对称的三相正弦交流电流；

2)硅钢片的饱和效应忽略不计，气隙磁场成正弦分布；

3)不考虑电机的涡流损耗和磁滞损耗；

4)转子上没有励磁绕组。

按照上述假设，永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的电压方程为：

式(1)中，V_d、V_q分别为dq两相旋转坐标系下定子电压分量；L_d、L_q分别为直轴(d轴)电感和交轴(q轴)电感，对于表贴式永磁同步电机有L_d＝L_q，对于内置式永磁同步电机有L_d<L_q；i_d、i_q分别为d轴和q轴的电流；R_s为定子绕组电阻；ω_r为转子的电角速度；λ_f为永磁体产生的磁链。

电机的转矩方程为：

式(2)中，T_e为输出电磁转矩，P为永磁同步电机的极数。

(二)逆变器的最大输出电压

逆变器的传递特性是指线电压有效值与调制指数之间的关系。调制指数(Modulation Index，MI)定义为逆变器基波相电压相量的峰值与最大基波相电压之比，其计算方法如下：

式(3)中，V_dc为直流母线电压。

当逆变器输出电压V_s为空间电压矢量六边形的最大内切圆时，调制指数的值为：

空间电压矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制策略的优势是可以直接控制交流电机定子磁链旋转轨迹，以获得准圆形旋转磁场，因此可以在不高的开关频率下降低转矩脉动、减少电流谐波。当调制指数小于0.907时，逆变器输出线电压与调制指数之间是线性关系。一旦调制指数大于或等于0.907，逆变器输出线电压与调制指数会呈现非线性，与此同时电流谐波增大，转矩脉动增加。为保证逆变器工作在线性区，调制指数的最大值应取0.907。

当调制指数等于0.907时，逆变器输出的电压矢量为其在线性区的最大值V_smax，如图1所示，该值为空间电压矢量六边形的最大内切圆的半径。图1中六边形为没有零电压矢量时逆变器所能输出的最大电压矢量，但此时电流谐波增大，转矩脉动增加，逆变器工作在非线性区。为降低电流谐波，采用空间电压矢量调制技术使逆变器输出的电压矢量为六边形的内切圆。此时调制指数等于0.907，逆变器输出的电压矢量为内切圆的半径V_smax。

(三)基于空间电压矢量角度的弱磁控制原理

对于永磁同步电机而言，无论是采用单位电流最大转矩控制还是弱磁控制，其在dq两相旋转坐标系下的电压方程都是一样的，即公式(1)。但是这两种控制策略下逆变器的输出电压矢量(见公式(6))的约束条件是不同的(如公式(7)、(8))，因此方程组的性质有明显差异。

V_s＜V_smax (7)

V_s＝V_smax (8)

当采用单位电流最大转矩控制时，电机工作所需的电压矢量V_s小于逆变器最大输出电压V_smax(见公式(7))，永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的电压方程是两个独立的线性方程，因此可以采用解耦的方法求解。理论上，当电机转速与参考转矩给定后，这两个方程有无数组解，通过单位电流最大转矩控制可获得使定子电流最小的最优解。

受直流母线电压的限制，逆变器的最大输出电压为V_smax。在弱磁控制下，为了提高直流母线电压的利用率，电机工作的电压矢量V_s应等于逆变器最大输出电压V_smax(见公式(8))，此时永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的电压方程组是两个相互耦合的非线性方程。当电机转速与参考转矩给定以后，该非线性方程组仅有唯一解。在非线性方程组的求解过程中，即便是存在很小的扰动，也可能造成解的巨大差异。而电机在工作过程中，各种扰动是无法避免的，如直流母线电压的波动、电机参数的变化、逆变器输出电压的非线性等等。因此，该非线性方程组求解是弱磁控制的难点之一。

逆变器输出的最大空间电压矢量V_smax与dq轴电压的关系如图2所示，图中γ为V_smax与q轴电压V_q之间的夹角。此时，dq轴电压可通过公式(9)计算。

将公式(9)代入永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的电压方程公式(1)中，可得：

公式(10)是本发明所提出的基于空间电压矢量角度的弱磁控制的理论基础。通过分析可知，公式(10)为单输入(γ)、双输出(i_q、i_d)的非线性方程组，且每一个给定输入量(γ)仅可求得方程组的一组解(i_q、i_d)，基于方程的该组解，根据转矩公式(2)就可计算出此时的输出转矩。

因此，基于空间电压矢量角度的弱磁控制能够在不解耦非线性方程组(公式(10))的前提下，通过控制空间电压矢量的角度(γ)使电机输出所需的参考转矩，而不用计算应给定的弱磁电流(i_d)。

(四)基于转矩闭环的永磁同步电机弱磁控制方法

当采用基于空间电压矢量角度的弱磁控制时，给定电压矢量角度后，电机的输出转矩是唯一的。因此可以基于参考转矩与实际转矩之间的误差，采用PI控制策略，得到所需的空间电压矢量的角度γ^*，如下式所示：

式中，ΔT_e为参考转矩T_e ^*与实际转矩T_e之间的转矩误差，K_pT、K_iT分别为转矩误差的比例和积分系数，γ₀为电压矢量的初始角度。

图3为本发明所提出的基于转矩闭环的弱磁(FW)控制的原理框图。首先，将电流传感器反馈的信号进行Clarke变换与Park变换，获得当前电机输出转矩T_e，并计算其与参考转矩T_e ^*之间的误差ΔT_e；然后，对转矩误差进行PI(公式(11))可得到逆变器输出的空间电压矢量的角度γ^*，并根据公式(9)计算出d轴和q轴电压；最后，对d轴和q轴电压进行Park逆变换得到v_α ^*、v_β ^*，并基于SVPWM调制出所需电压矢量。