本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于變開關(guān)頻率的永磁電機控制參數(shù)計算方法。

背景技術(shù)：

采用電壓空間矢量調(diào)制(svpwm)技術(shù)控制永磁電機是將逆變器和電機視為一體，通過控制電壓矢量獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，以取得優(yōu)良的控制效果。在矢量控制過程中，永磁電機控制系統(tǒng)中功率管的開關(guān)頻率也叫控制頻率，當(dāng)微控制器中脈沖調(diào)制模塊的周期寄存器中的值tbprd固定時，開關(guān)頻率也隨之確定，開關(guān)頻率大小為其中tbclk是增強型微控制器的基準(zhǔn)時鐘周期。由于永磁電機矢量控制是對采樣電流和位置處理后才產(chǎn)生功率管開關(guān)信號，那么f同時也是采樣電流和位置的使用頻率，即不管采樣速度有多快，使用電流和位置的速度與f保持一致，所以，開關(guān)頻率越高，電流和位置的利用次數(shù)越多，則對圓形旋轉(zhuǎn)磁場的跟蹤效果就越好，輸出轉(zhuǎn)矩越平穩(wěn)；然而，開關(guān)頻率高會導(dǎo)致開關(guān)損耗加大，功率模塊溫度升高，不利于其長期工作，且損耗大也降低了系統(tǒng)的效率，另外，在大電流條件下，功率管開關(guān)頻率會受到開關(guān)特性的限制。綜上所述，選取合理的開關(guān)頻率應(yīng)當(dāng)綜合考慮以上各項指標(biāo)。

專利《一種基于恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制裝置》采用恒定開關(guān)頻率的控制方法是目前最常用的方式，該方法可以使永磁電機正常運行且在中低速時能保證控制精度，但當(dāng)永磁電機運行在中高速狀態(tài)時，在一個電周期內(nèi)，電流和位置的使用次數(shù)減少，控制精度降低，永磁電機轉(zhuǎn)矩輸出性能下降。

事實上，永磁電機矢量控制系統(tǒng)的功率管開關(guān)頻率可以通過改變tbprd的值不斷修改，以適應(yīng)不同的電機轉(zhuǎn)速，即當(dāng)電機轉(zhuǎn)速升高時，功率管開關(guān)頻率隨之升高，電流和位置的利用次數(shù)增多，這可以改善永磁電機的控制性能。但是開關(guān)頻率的修改會影響到系統(tǒng)的控制參數(shù)，主要是轉(zhuǎn)速環(huán)pi控制器比例因子ksp、積分因子ksi和電流環(huán)pi控制器比例因子kcp、積分因子kci；除此之外，在通過提高開關(guān)頻率改善系統(tǒng)控制性能的過程中，應(yīng)考慮到功率管的上限開關(guān)頻率fmax會受到電流的限制，不能無限制的增加，否則會造成功率管被燒毀等不安全后果。根據(jù)永磁電機轉(zhuǎn)速改變開關(guān)頻率并計算相應(yīng)的控制參數(shù)對提升永磁調(diào)速電機的控制性能有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在基于矢量控制的永磁電機高速運行過程中，為增加一個電周期內(nèi)電流和位置的使用次數(shù)，以實現(xiàn)對圓形旋轉(zhuǎn)磁場的良好跟蹤效果，提升永磁調(diào)速電機的控制精度和轉(zhuǎn)矩輸出性能的同時能夠確保功率管安全運行，本發(fā)明提出一種基于變開關(guān)頻率的永磁電機控制參數(shù)計算方法。

一種基于變開關(guān)頻率的永磁電機控制參數(shù)計算方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將電機調(diào)速范圍從0～nmax分成中低速段和中高速段，分別為[0,nmax/2]和(nmax/2，nmax]，其中nmax是永磁電機的空載最高轉(zhuǎn)速；

步驟2：分段計算開關(guān)頻率：當(dāng)電機工作在中低速段，采用固定開關(guān)頻率f0＝5khz；當(dāng)電機工作在中高速段，實時開關(guān)頻率大小由公式計算得到，其中m是保證永磁電機良好控制性能的一個電周期內(nèi)電流和位置的使用次數(shù)，n0是電機的實時轉(zhuǎn)速，p是永磁電機極對數(shù)；

步驟3：根據(jù)功率管的工作特性限制開關(guān)頻率：如果步驟2計算出的fr≤fmax，fr取實時計算值，如果fr＞fmax，令fr＝fmax，其中fmax是功率管在大工作電流時的開關(guān)頻率上限，該值與功率管的型號有關(guān)，由生產(chǎn)廠家提供；

步驟4：根據(jù)開關(guān)頻率計算微控制器脈寬調(diào)制模塊周期寄存器的值tbprd和實時控制參數(shù)ksp、ksi、kcp和kci：當(dāng)電機工作在中低速段時，tbprd是定值，大小為實時控制參數(shù)為ksp＝ksp0、ksi＝ksi0、kcp＝kcp0、kci＝kci0；當(dāng)電機工作在中高速段，實時控制參數(shù)分別由計算得到，其中，ksp、ksi分別為轉(zhuǎn)速環(huán)pi控制器的比例因子和積分因子，kcp、kci分別為電流環(huán)pi控制器的比例因子和積分因子，ksp0、ksi0、kcp0和kci0是當(dāng)開關(guān)頻率是f0時保證系統(tǒng)正常運行的控制參數(shù)ksp、ksi、kcp和kci的初始值，tbclk是微控制器的基準(zhǔn)時鐘周期。

本發(fā)明的有益效果是：綜合考慮了開關(guān)頻率與電機控制性能和功率管開關(guān)特性之間的關(guān)系，將電機調(diào)速范圍分成中低速段和中高速段，在中低速段采用恒定開關(guān)頻率，在中高速段根據(jù)電機轉(zhuǎn)速實時計算開關(guān)頻率與相應(yīng)的控制參數(shù)，并通過改變微控制器脈寬調(diào)制模塊周期寄存器的值tbprd實現(xiàn)了變開關(guān)頻率的電機控制，可以增加電機高速段一個電周期內(nèi)電流和位置的使用次數(shù)，實現(xiàn)對圓形磁場的良好跟蹤效果，提升永磁調(diào)速電機的控制精度和轉(zhuǎn)矩輸出性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于變開關(guān)頻率的永磁電機控制參數(shù)計算方法流程圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

永磁電機矢量控制是磁場定向控制方法的一種，其關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)合采樣位置對三相采樣電流進(jìn)行坐標(biāo)變化，結(jié)合電壓空間矢量調(diào)制(svpwm)技術(shù)獲得功率管控制信號，從而實現(xiàn)對圓形旋轉(zhuǎn)磁場的跟蹤，因此，在一個電周期內(nèi)，當(dāng)采樣電流和位置的使用次數(shù)越多，控制效果會越好。增加采樣電流和位置使用次數(shù)的一個重要途徑是改變功率管的開關(guān)頻率，即改變微控制器的脈寬調(diào)制模塊周期寄存器的值tbprd，且轉(zhuǎn)速越高，tbprd越大，但是功率管開關(guān)頻率受到大工作電流的限制，不能因為追求高性能控制而一直增大開關(guān)頻率，只需要保證每個電周期內(nèi)使用一定次數(shù)(m次)的采樣電流和位置即可；同時，系統(tǒng)的控制參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速環(huán)pi控制器比例因子ksp、積分因子ksi和電流環(huán)pi控制器比例因子kcp、積分因子kci會隨著開關(guān)頻率的改變而不同?；谧冮_關(guān)頻率的永磁電機控制參數(shù)計算方法基本流程如圖1所示，本實施例所分析的永磁電機極對數(shù)p＝3，永磁電機最高轉(zhuǎn)速nmax＝8000rpm，保證電機控制性能的一個電周期內(nèi)所需要的電流和位置的使用次數(shù)m＝25。具體計算過程如下：

第一步：將電機調(diào)速范圍分成中低速段和高速段

當(dāng)永磁電機處于中低速工作狀態(tài)時，選擇一個較低的恒定開關(guān)頻率就可以保證電機的控制精度和轉(zhuǎn)矩輸出特性，所以，本發(fā)明提出的變開關(guān)頻率矢量控制方法具有以下特點：只有當(dāng)電機運行在中高速時，開關(guān)頻率才會隨轉(zhuǎn)速實時變化，這里對中低速和中高速范圍進(jìn)行劃分：中低速范圍是[0,nmax/2]＝[0,4000]，中高速范圍是(nmax/2,nmax]＝(4000,8000]；

第二步：分段計算開關(guān)頻率

當(dāng)永磁電機工作在第一步確定的中低速范圍時，采用固定開關(guān)頻率f0＝5khz，一個電周期采樣電流和位置使用次數(shù)等于m，能夠保證電機具有良好的控制性能；當(dāng)電機工作在中高速段，若仍采用固定開關(guān)頻率f0＝5khz，一個電周期內(nèi)位置和電流的使用次數(shù)小于m，電機控制性能下降，為保證一個電周期內(nèi)采樣電流和位置的利用次數(shù)為m＝25，使得發(fā)出的電壓矢量對圓形磁場具有良好的跟蹤效果，此時，按計算開關(guān)頻率，以n0＝7000rpm為例，開關(guān)頻率為fr＝8.75khz；

第三步：根據(jù)功率管的工作特性限制開關(guān)頻率

功率管開關(guān)頻率受到電路設(shè)計、加工工藝以及電流等因素的限制，不能一直增大，在實際應(yīng)用中，大電流對開關(guān)頻率的影響最為明顯，如果永磁電機工作電流比較大，開關(guān)頻率超過一定閾值就會導(dǎo)致功率管損壞，本發(fā)明就是基于此對開關(guān)頻率最大值進(jìn)行限制。本實施例中，永磁電機工作電流有效值irms＝45a，根據(jù)功率模塊生產(chǎn)廠家的建議，開關(guān)頻率的上限fmax＝10khz，如果第二步計算出的開關(guān)頻率fr高于該值，令fr＝fmax＝10000，那么tbprd的最小值也會被限制為tbprd_min＝1875；

第四步：計算微控制器脈寬調(diào)制模塊周期寄存器的值tbprd和實時控制參數(shù)ksp、ksi、kcp和kci

在電機控制過程中，第二步計算得到的開關(guān)頻率需要通過實時改變tbprd的值來實現(xiàn)，另外，永磁電機矢量控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速外環(huán)pi控制器和轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)pi控制器都是在微控制器內(nèi)通過編程實現(xiàn)的，是離散控制器，所以它們的控制參數(shù)ksp、ksi、kcp和kci是隨著控制頻率變化的，其中，當(dāng)在f0＝5khz時，保證系統(tǒng)正常運行的初始控制參數(shù)值為ksp0＝15，ksi0＝0.15，kcp0＝0.01，kci0＝0.000075。

當(dāng)永磁電機工作在中低速范圍時，本實施例中，微控制器脈寬調(diào)制模塊基準(zhǔn)時鐘周期配置為此時，控制參數(shù)大小為ksp＝ksp0＝15，ksi＝ksi0＝0.15，kcp＝kcp0＝0.01和kci＝kci0＝0.000075。

當(dāng)電機工作在中高速段(n0＞4000)時，tbprd隨著轉(zhuǎn)速變化而不斷改變，大小為以n0＝7000rpm為例，開關(guān)頻率為fr＝8.75khz，則大于1875，不需要限制；當(dāng)控制頻率改變?yōu)閒r后，當(dāng)前積分因子(ksi和kci)和初始參數(shù)間具有以下關(guān)系：另外，當(dāng)前比例因子與積分因子的比值和初始參數(shù)間的比例應(yīng)保持一致，故本實施例中，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為7000rpm，控制參數(shù)為ksp＝8.6，ksi＝0.086，kcp＝0.0057，kci＝0.000043。