本發(fā)明是一種基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于具有高效率、高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，近幾年永磁同步電機(jī)(PMSM)備受關(guān)注。永磁同步電機(jī)使用永磁體建立磁場(chǎng)，永磁磁鏈?zhǔn)遣豢煽氐?，因此，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速成正比。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中母線(xiàn)電壓通常為固定值，這使得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍是有限的。然而，在很多場(chǎng)合需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍，例如電動(dòng)汽車(chē)和軌道交通。為此，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)常使用弱磁控制來(lái)拓寬轉(zhuǎn)速范圍。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量永磁同步電機(jī)的弱磁控制策略，但是，大多數(shù)弱磁方案都是針對(duì)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的。和內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)相比，表貼式永磁同步電機(jī)的弱磁能力有限。但是，由于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，表貼式永磁同步電機(jī)的造價(jià)更低。因此，如果有足夠的弱磁能力，在很多應(yīng)用場(chǎng)合表貼式永磁同步電機(jī)更為合適，例如伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文針對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)提出了一種基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法。目前針對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的弱磁控制方法大致可以分為以下三類(lèi)：

1.基于數(shù)學(xué)模型的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法。

這一類(lèi)方法直接通過(guò)精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算參考電流，可以實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這類(lèi)方法具有理論性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是，其缺點(diǎn)也很明顯，通過(guò)電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算參考電流對(duì)電機(jī)參數(shù)的精確性要求很高，其弱磁控制效果易受電機(jī)參數(shù)變化的影響。此外，這種方法引入了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量較大，對(duì)控制器計(jì)算速度要求高。

2.基于q軸電流誤差的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法。

這一類(lèi)方法首先計(jì)算出q軸電流誤差，將d軸電流參考值按照和q軸電流誤差成正比來(lái)給定。這類(lèi)方法具有原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是為了獲得d軸電流參考值，q軸電流誤差不能被消除，這造成了弱磁控制的不穩(wěn)定性。

3.基于過(guò)調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法。

這一類(lèi)方法通過(guò)PI控制器確定電流參考值，PI控制器的輸入是電壓源逆變器輸出的電壓矢量和最大輸出電壓圓半徑之差。這類(lèi)方法具有原理簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)精確性要求低的優(yōu)點(diǎn)。但是該方法需要通過(guò)過(guò)調(diào)制策略來(lái)提高母線(xiàn)電壓利用率，此外還需要設(shè)計(jì)低通濾波器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的就是提出一種基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，該方法適用于表貼式永磁同步電機(jī)，且簡(jiǎn)單易行，對(duì)硬件系統(tǒng)要求低。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，包括以下步驟：

通過(guò)磁場(chǎng)定向控制方法計(jì)算得到dq軸參考電壓；

利用線(xiàn)調(diào)制策略求得最大線(xiàn)電壓調(diào)制比；

通過(guò)減小d軸電流將最大線(xiàn)電壓調(diào)制比調(diào)節(jié)到1來(lái)進(jìn)行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線(xiàn)電壓利用率，提高永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。

進(jìn)一步地，提供一種基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，依次包含以下步驟：

第一步：用電流傳感器分別測(cè)量電機(jī)的a相電流i_a、b相電流i_b和c相電流i_c，用電壓傳感器測(cè)量直流母線(xiàn)電壓u_dc；

第二步：根據(jù)永磁同步電機(jī)的a相電流i_a、b相電流i_b、c相電流i_c和轉(zhuǎn)子位置θ，通過(guò)式(1)計(jì)算得到d軸電流i_d和q軸電流i_q：

第三步：根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω^*、實(shí)際轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p,ω和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i,ω，通過(guò)式(2)計(jì)算得到q軸電流初始參考值

第四步：根據(jù)電機(jī)最大電流I_max和d軸電流參考值通過(guò)式(3)計(jì)算得到q軸電流最大值i_{q_max}，其中，d軸電流參考值的初始值為0；再根據(jù)q軸電流初始參考值和q軸電流最大值i_{q_max}，通過(guò)式(4)計(jì)算得到q軸電流參考值

第五步：根據(jù)d軸電流i_d、q軸電流i_q，d軸電流參考值q軸電流參考值電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p和電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i，通過(guò)式(5)計(jì)算得到d軸電壓參考值和q軸電壓參考值其中，d軸電流參考值的初始值為0：

第六步：根據(jù)d軸電壓參考值q軸電壓參考值和轉(zhuǎn)子位置θ，通過(guò)式(6)計(jì)算得到三相電壓參考值，即a相電壓參考值b相電壓參考值和c相電壓參考值再根據(jù)三相電壓參考值，通過(guò)式(7)計(jì)算得到線(xiàn)電壓參考值和

第七步：根據(jù)線(xiàn)電壓參考值和母線(xiàn)電壓u_dc，通過(guò)式(8)計(jì)算得到線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和m_cc，其中，線(xiàn)電壓調(diào)制比為線(xiàn)電壓參考值和母線(xiàn)電壓之比；其中，為a相引出線(xiàn)和b相引出線(xiàn)之間的電壓的參考值；

第八步：根據(jù)線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和m_cc，通過(guò)式(9)計(jì)算得到基于c相的最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max,c和基于c相的最小線(xiàn)電壓調(diào)制比m_min,c；再根據(jù)m_max,c和m_min,c，通過(guò)式(10)計(jì)算得到最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max：

m_max＝m_max,c-m_min,c 式(10)

第九步：根據(jù)線(xiàn)調(diào)制比調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p,m、線(xiàn)調(diào)制比調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i,m和最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max，通過(guò)式(11)計(jì)算得到d軸電流初始參考值再根據(jù)d軸電流初始參考值和電機(jī)最大電流I_max，通過(guò)式(12)得到d軸電流參考值并將此處計(jì)算得到的d軸電流參考值作為下一個(gè)控制周期中第四步和第五步所用到的d軸電流參考值

其中，

第十步：根據(jù)基于c相的最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max,c和基于c相的最小線(xiàn)電壓調(diào)制比m_min,c，通過(guò)式(13)計(jì)算得到c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}；再根據(jù)c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}，通過(guò)式(14)計(jì)算得到c相占空比δ_c：

第十一步：根據(jù)線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和c相占空比δ_c，通過(guò)式(15)計(jì)算得到a相占空比δ_a和b相占空比δ_b：

第十二步：將電機(jī)的三相占空比(δ_a，δ_b，δ_c)和三角波進(jìn)行比較得到開(kāi)關(guān)信號(hào)(s_a，s_b，s_c)，進(jìn)而控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

有益效果：該基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法通過(guò)磁場(chǎng)定向控制方法計(jì)算得到dq軸參考電壓，利用線(xiàn)調(diào)制策略求得最大線(xiàn)電壓調(diào)制比，通過(guò)減小d軸電流將最大線(xiàn)電壓調(diào)制比調(diào)節(jié)到1來(lái)進(jìn)行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線(xiàn)電壓利用率，簡(jiǎn)單易行。具體到本發(fā)明的技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.與現(xiàn)有的基于數(shù)學(xué)模型的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法相比，本發(fā)明方法不需要電機(jī)數(shù)學(xué)模型，也不需要精確的電機(jī)參數(shù)，計(jì)算量小，魯棒性高。

2.與現(xiàn)有的基于q軸電流誤差的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法相比，本發(fā)明方法根據(jù)線(xiàn)電壓調(diào)制比進(jìn)行弱磁，與q軸電流誤差無(wú)關(guān)，穩(wěn)定性高。

3.與現(xiàn)有的基于過(guò)調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法相比，本發(fā)明方法不需要過(guò)調(diào)制，也不需要低通濾波器，簡(jiǎn)單易行。

附圖說(shuō)明

圖1是基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是電壓軌跡示意圖。

圖3a至圖3f是實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

本發(fā)明的實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：直流電壓源、逆變電路、永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓采樣電路、電流采樣電路、中央處理器。直流電壓源給逆變電路提供直流母線(xiàn)電壓，電壓采樣電路測(cè)量直流母線(xiàn)電壓，電流采樣電路測(cè)量電機(jī)三相電流。

本實(shí)施例中表貼式永磁同步電機(jī)的參數(shù)為：額定相電壓U_N＝220V，極對(duì)數(shù)p_n＝4，定子相電阻R_s＝0.625Ω，直軸電感L_d＝8.5mH，交軸電感L_q＝8.5mH，永磁磁鏈ψ_f＝0.442Wb。具體實(shí)驗(yàn)條件為：母線(xiàn)電壓200V，開(kāi)關(guān)頻率20kHz，負(fù)載轉(zhuǎn)矩5Nm。

如圖1所示，實(shí)施例包含的具體步驟如下：

第一步：用電流傳感器分別測(cè)量電機(jī)的a相電流i_a、b相電流i_b和c相電流i_c，用電壓傳感器測(cè)量直流母線(xiàn)電壓u_dc；

第二步：根據(jù)永磁同步電機(jī)的a相電流i_a、b相電流i_b、c相電流i_c和轉(zhuǎn)子位置θ，通過(guò)式(1)計(jì)算得到d軸電流i_d和q軸電流i_q：

第三步：根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω^*、實(shí)際轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p,ω和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i,ω，通過(guò)式(2)計(jì)算得到q軸電流初始參考值

第四步：根據(jù)電機(jī)最大電流I_max和d軸電流參考值通過(guò)式(3)計(jì)算得到q軸電流最大值i_{q_max}，其中，d軸電流參考值的初始值為0；再根據(jù)q軸電流初始參考值和q軸電流最大值i_{q_max}，通過(guò)式(4)計(jì)算得到q軸電流參考值

第五步：根據(jù)d軸電流i_d、q軸電流i_q，d軸電流參考值q軸電流參考值電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p和電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i，通過(guò)式(5)計(jì)算得到d軸電壓參考值和q軸電壓參考值其中，d軸電流參考值的初始值為0：

第六步：根據(jù)d軸電壓參考值q軸電壓參考值和轉(zhuǎn)子位置θ，通過(guò)式(6)計(jì)算得到三相電壓參考值，即a相電壓參考值b相電壓參考值和c相電壓參考值再根據(jù)三相電壓參考值，通過(guò)式(7)計(jì)算得到線(xiàn)電壓參考值和

第七步：根據(jù)線(xiàn)電壓參考值和母線(xiàn)電壓u_dc，通過(guò)式(8)計(jì)算得到線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和m_cc，其中，線(xiàn)電壓調(diào)制比為線(xiàn)電壓參考值和母線(xiàn)電壓之比；其中，為a相引出線(xiàn)和b相引出線(xiàn)之間的電壓的參考值；

第八步：根據(jù)線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和m_cc，通過(guò)式(9)計(jì)算得到基于c相的最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max,c和基于c相的最小線(xiàn)電壓調(diào)制比m_min,c；再根據(jù)m_max,c和m_min,c，通過(guò)式(10)計(jì)算得到最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max：

m_max＝m_max,c-m_min,c 式(10)

第九步：根據(jù)線(xiàn)調(diào)制比調(diào)節(jié)器比例系數(shù)k_p,m、線(xiàn)調(diào)制比調(diào)節(jié)器積分系數(shù)k_i,m和最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max，通過(guò)式(11)計(jì)算得到d軸電流初始參考值再根據(jù)d軸電流初始參考值和電機(jī)最大電流I_max，通過(guò)式(12)得到d軸電流參考值并將此處計(jì)算得到的d軸電流參考值作為下一個(gè)控制周期中第四步和第五步所用到的d軸電流參考值

其中，

第十步：根據(jù)基于c相的最大線(xiàn)電壓調(diào)制比m_max,c和基于c相的最小線(xiàn)電壓調(diào)制比m_min,c，通過(guò)式(13)計(jì)算得到c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}；再根據(jù)c相最小占空比δ_{c_min}和c相最大占空比δ_{c_max}，通過(guò)式(14)計(jì)算得到c相占空比δ_c：

第十一步：根據(jù)線(xiàn)電壓調(diào)制比m_ac、m_bc和c相占空比δ_c，通過(guò)式(15)計(jì)算得到a相占空比δ_a和b相占空比δ_b：

第十二步：將電機(jī)的三相占空比(δ_a，δ_b，δ_c)和三角波進(jìn)行比較得到開(kāi)關(guān)信號(hào)(s_a，s_b，s_c)，進(jìn)而控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本發(fā)明通過(guò)減小d軸電流將最大線(xiàn)電壓調(diào)制比調(diào)節(jié)到1來(lái)進(jìn)行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形(如圖2所示)，可以最大程度提高母線(xiàn)電壓利用率，減小銅耗。實(shí)驗(yàn)中母線(xiàn)電壓為200V，參考轉(zhuǎn)速設(shè)置為800r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，包括轉(zhuǎn)速、三相電流、dq軸電流、最大線(xiàn)調(diào)制比、電壓軌跡，控制效果良好，實(shí)現(xiàn)了基于線(xiàn)電壓調(diào)制的永磁同步電機(jī)弱磁控制。其中，電壓軌跡為六邊形，與理論相符。

總之，本發(fā)明的技術(shù)方案首先通過(guò)磁場(chǎng)定向控制方法計(jì)算得到dq軸參考電壓，利用線(xiàn)調(diào)制策略求得最大線(xiàn)電壓調(diào)制比，通過(guò)減小d軸電流將最大線(xiàn)電壓調(diào)制比調(diào)節(jié)到1來(lái)進(jìn)行弱磁控制，將最大輸出電壓限制由圓形拓展到六邊形，最大程度提高母線(xiàn)電壓利用率，提高永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述具體實(shí)施例的限制，上述具體實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中的描述只是為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。