[发明专利]一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法

说明书

本发明涉及弱磁技术领域，具体的说是一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法。本发明所述弱磁控制方法分为电流指令生成环节和电压相角调节环节。电流指令生成环节计算生成了d轴电流指令值q轴电流指令值d轴前馈电压值q轴前馈电压值和前馈电压矢量幅值电压相角调节环节对电压相角进行了计算和调节。本发明从本质上解决了双电流控制器应用于弱磁工况时的相互冲突和饱和问题，同时保持了牵引与制动工况的一致性；由于对电压相角加入了前馈补偿，能够确实提升电机转矩控制的动态性能以及鲁棒性。

技术领域

本发明涉及弱磁技术领域，具体说是一种基于电压相角前馈补偿的永磁电机弱磁控制方法。

背景技术

弱磁控制最早是在19世纪80年代中期由Brigette和Thomas.M.Jahns等人进行了早期的探索。Brigette对于弱磁的分析还是基于d-q矢量平面进行的，Thomas.M.Jahns则利用i_d-i_q平面和等转矩曲线得到了MTPA曲线，同时提出用i_d的稳态误差减小i_q的弱磁控制策略。这一阶段的主要成果虽然实现了MTPA控制，但弱磁控制理论尚未形成。在90年代初，随着矢量控制开始广泛应用，弱磁控制理论也逐渐完整。Morimoto给出了永磁同步电机完整的弱磁电流轨迹，同时将永磁同步电机的工作区域划分为三个区域。Morimoto的工作奠定了弱磁控制的理论基础，且同时适用于SPM以及IPM。基于弱磁控制理论，众多学者提出了很多具体的弱磁控制策略。

传统的弱磁控制方法如公式法、查表法、梯度下降法、负直轴电流补偿法等方法在对交直轴电流指令重新规划后仍然保留了两个电流调节器。随着转速升高，受直流母线电压限制，两个电流调节器输出电压会出现幅值饱和与交叉耦合的问题。

在弱磁工况下，电机的电压幅值受限为固定值，只能通过对电压相角进行调节从而满足电机运行要求。电压相角控制中，交直轴电压由电压幅值与电压相角计算而来，从本质上消除了双电流调节器控制方法存在的调节器冲突和饱和问题。最初的电压相角控制取消了电流调节器，电压相角指令由转矩指令或转速环给定，此时电流轨迹无法规划，难以避免不稳定点，同时电流动态响应较慢。后续电压相角控制中引入电流调节器。以内置式永磁同步电机为例，电压相角控制原理说明如下。

定义η为电机电压矢量与d轴正方向的夹角，即电压相角，则弱磁工况下电机d、q轴电压方程可表示为：

其中，u_smax为电机电压限幅值；

结合永磁同步电机d、q轴电压方程和转矩方程可推导出转矩与电压相角之间的关系，如式(2)所示：

电压相角η的范围在牵引与制动工况下分别为：(π/2,π]和[0,π/2)。在空载情况下电压相角η为π/2。转矩与电压相角关系曲线如图1所示。

图1中分别绘制了额定转速F_sN、1.1F_sN以及1.2F_sN下转矩T_e与电压相角η的变化关系曲线。转矩与电压相角η呈单调递增关系，可以对电压相角η进行控制从而控制输出转矩。为实现快速的电流动态响应速度，弱磁控制仍应该保留一个电流调节器。

d、q轴电流与电压相角η间的关系以及导数关系分别如式(3)、式(4)所示：

由式(4)可以看到，在牵引或者制动状态下，无论是d轴还是q轴电流都与电压相角η之间存在单调关系，因此可以考虑利用d轴或者q轴电流调节器来对电压相角进行调节。但是d轴电流在牵引和制动状态下与电压相角之间的单调关系是不一致的，而q轴电流则不存在该问题，无需考虑牵引和制动工况的变化。因此，选择单q轴电流调节器调节电压相角来控制转矩具有牵引与制动的一致性。