一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法

摘要

本发明公开了一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法，属于永磁同步电机控制的技术领域。本发明采用一个电流调节器在电机转速高于基速时给定直轴电压，实现了电机沿着电压极限圆和恒转矩曲线交点运行，该方法使电流轨迹在满足转矩曲线的同时又能满足电压和电流的限制，输出直流电压在短暂波动后能迅速恢复稳定，具有很好的动态响应。

说明书

技术领域

本发明公开了一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法，属于永磁同步电机控制的技术领域。

背景技术

表贴式永磁同步发电机转子采用永磁材料励磁，由于其体积小、功率密度高、动态适应性强、控制简便等特点，已经广泛应用于生产生活的各个领域。但是在永磁同步发电机接PWM整流器的稳压系统中采用传统的i_d＝0的矢量控制时，随着转速的升高，其输出电压会无法稳定，限制了发电机的转速范围，不适合用于实际的工程应用。在永磁同步发电机稳压控制领域，传统弱磁控制方法中双电流调节器相互耦合会带来动态响应变差的问题，电流调节器易于饱和而影响电机性能，甚至造成不稳定，这是双电流调节器弱磁控制的固有缺点。随着永磁同步电动机弱磁控制技术的发展，出现单电流调节器控制的弱磁方法，可以避免双电流调节器相互耦合带来的动态响应变差的问题。传统的单电流调节器控制法固定交轴电压指令，仅控制直轴电流，电机不能充分利用直流电压，效率和带载能力低，转速范围窄。也有通过查表法给定交轴电压指令，但是可移植性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，为了能够在宽转速得到稳定的输出电压及使表贴式永磁同步发电机输出电压不因为转速升高而不稳定，提供了一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法，通过输出直流电压外环PI调节器得到实时转速下所需要的交轴电流给定值，进而再由交轴电压给定值确定直轴电压给定值，在保证电流运行在电压极限圆上的同时保证电流工作点工作在所需转矩曲线上，解决了传统单电流调节器控制法控制效率低下的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法，

将PWM整流器桥臂中点与表贴式永磁同步发电机的三相定子绕组相连并采集PWM整流器直流侧的输出直流电压U_dc，对输出直流电压进行电压环调节和电流环调节得到交轴电压给定值依据电流轨迹沿着电压极限圆和恒转矩曲线交点运行的目标确定直轴电压给定值为：$>u_d^{*}=\sqrt{u_{smax}^2-{[(U_{dc}^{*}-U_{dc})(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s})-i_q]}^2*{(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s})}^2},$>对交轴电压给定值和直轴电压给定值依次进行帕克变换以及空间矢量调制得到PWM整流器的驱动信号，表贴式永磁同步发电机在原动机带动下工作并向PWM整流器输出交流电，

其中，u_smax为表贴式永磁同步电机和PWM整流器所能承受的最大电压，为输出直流电压给定值，i_q为交轴电流实际值，K_vp、K_vi分别为电压环比例系数和积分系数，K_ip、K_ii分别为电流环比例系数和积分系数，s为积分算子。

进一步的，所述一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法中，对输出直流电压进行电压环调节和电流环调节得到交轴电压给定值的方法为：

对输出直流电压给定值和输出直流电压之差进行PI调节得到交轴电流给定值为：$>i_q^{*}=(U_{dc}^{*}-U_{dc})(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s});$>

对交轴电流给定值和交轴电流实际值之差进行PI调节得到交轴电压给定值为：$>u_q^{*}=(i_q^{*}-i_q)(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s}).$>

再进一步的，所述一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法中，交轴电流实际值转通过依据转子位置信号对表贴式永磁同步发电机的三相静止坐标系下的相电流进行克拉克变换得到。

一种宽转速范围内表贴式永磁同步电机的弱磁稳压控制方法，

在表贴式永磁同步发电机转速低于基速时，采用i_d＝0的矢量控制方法以最小的电流控制电机产生最大的电磁转矩；

在表贴式永磁同步电机转速高于基速时，采用所述弱磁控制方法控制电机沿着电压极限圆和恒转矩曲线的交点运行直至达到稳态。

进一步的，所述宽转速范围内表贴式永磁同步电机的弱磁稳压控制方法，在电机运行在稳态后的持续减速过程中，当交轴电压和直轴电压满足电压极限圆限制条件时，由所述弱磁控制方法切换至i_d＝0的矢量控制方法。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明涉及的弱磁控制方法采用一个电流调节器在电机转速高于基速时给定直轴电压，实现了电机沿着电压极限圆和恒转矩曲线交点运行，该方法使电流轨迹在满足转矩曲线的同时又能满足电压和电流的限制，输出直流电压在短暂波动后能迅速恢复稳定，具有很好的动态响应；

(2)结合转速低于基速时i_d＝0的矢量控制方法和本发明涉及的弱磁控制方法，能够实现表贴式永磁同步电机在宽转速范围的稳定运行，即采用单电流调节器法即可实现宽转速稳压的目的又能提升控制效率，同时整个控制方法不依赖电机参数，参数的鲁棒性好。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑结构；

图2为表贴式永磁同步发电机稳压系统的i_d＝0矢量控制框图；

图3为发电机的电压极限圆和电流极限圆；

图4为本发明提出的表贴式永磁同步发电机稳压系统的弱磁控制框图；

图5为采用本专利提出的弱磁方法下的发电机的电流轨迹图；

图6为采用本专利提出的弱磁方法下的输出电压和转速仿真波形；

图7为采用本专利提出的弱磁方法下的id-iq电流轨迹；

图8为采用本专利提出的弱磁方法下的突加突卸负载时的输出电压波形。

图中标号说明：Q₁至Q₆为开关管，C为滤波电容，R_L为电阻负载，1为输出直流电压外环，2为电流环，3为帕克变换模块，4为空间矢量调制模块，5为克拉克变换模块，6为电机转子位置反馈模块，7为PWM整流器。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明采用图1所示电路拓扑实现表贴式永磁同步发电机的弱磁控制，表贴式永磁同步发电机由原动机拖动，PWM整流器的桥臂中点(开关管Q₁和开关管Q₄组成桥臂的中点U、开关管Q₂和开关管Q₅组成桥臂的中点V、开关管Q₃和开关管Q₆组成桥臂的中点W)分别接永磁同步发电机的三相定子绕组，PWM整流器直流侧接滤波电容C和电阻负载R_L。

在发电机转速高于基速时，只采用一个交轴电流调节器并通过计算直接给定直轴电压，即可实现本发明涉及的一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法。

若忽略发电机定子内阻压降，采用发电机惯例，可以得到如下电压方程：

u_q＝ω_e·(ψ_af-L_di_d)(1)

u_d＝ω_e·L_q·i_q(2)

式(1)和式(2)中：ω_e为发电机电角速度；ψ_af为转子磁链；L_d、L_q分别为d、q轴电感；i_d、i_q分别为d、q轴电流；u_d、u_q分别为d、q轴电压。

假设发电机和PWM整流器所能承受的最大电压为u_smax，发电机和PWM整流器所能承受的最大电流为i_smax，若输出直流电压为U_dc，令为PWM整流器最大线性输入电压幅值。

可以得到电压和电流限制方程如下：

$>u_d^2+u_q^2\le u_{smax}^2---\left(3\right)$>

$>i_d^2+i_q^{2\le }{i}_{smax}^2---\left(4\right)$>

将式(1)和式(2)代入式(3)可以演变成式(5)：

(ψ_af-L_d·i_d)²+(L_q·i_q)²≤(u_smax/ω_e)²(5)

状态1、发电机转速低于基速状态：

对于表贴式永磁同步发电机，转速低于基速时，采用i_d＝0的矢量控制，控制框图如图2所示，该控制方法可以最小的电流产生最大的转矩，最大限度地提升了控制效率。

由式(4)和式(5)可以得到如图3所示的电压极限圆和电流极限圆，其中，T_e1和T_e2为发电机恒转矩曲线，对于表贴式永磁同步电机而言，电机转矩是和i_q成正比且平行于d轴的直线；MTPA曲线为最大转矩电流比曲线，对于表贴式永磁同步电机而言就是直线i_d＝0；MTPV曲线为最大转矩电压比曲线，对于表贴式永磁同步电机而言就是直线i_d＝ψ_af/L_d。由图3可以看出：电机的最大去磁电流为i_dmax＝ψ_af/L_d；并且随着转速升高，电压极限圆不断缩小，说明其可运行范围也在逐渐减小。当转速由ω₁升高到基速ω_base时，相电压幅值u_s＝u_smax。若转速进一步升高，则u_s>u_smax，进入弱磁区域。所以由i_d＝0矢量控制切换到弱磁控制的依据为：

$>\sqrt{u_d^{*2}+u_q^{*2}}\ge u_{smax}---\left(6\right)$>

状态2、发电机转速高于基速状态：

若假设系统功率守恒，忽略损耗，则可以得到式(7)和式(8)：

$>T_e·{\omega }_e=U_{dc}^2/R_L---\left(7\right)$>

T_e＝1.5·P·ψ_af·i_q(8)

式(7)和式(8)中：T_e为发电机的电磁转矩；P为转子极对数；R_L为电阻负载。则当转速升高时，交轴电流i_q相比于转速成反比地减小，如式(9)所示：

$>i_q=\frac{U_{dc}^2}{1.5·R_L·P·{\psi }_{af}·{\omega }_e}---\left(9\right)$>

当转速高于基速后，为了使电流轨迹既能满足转矩曲线，又能满足电压和电流的限制，必须控制电流，使电机沿着电压极限圆和恒转矩曲线的交点运行。则可以由输出电压外环经PI调节器得到交轴电流给定值如式(10)所示：

$>i_q^{*}=(U_{dc}^{*}-U_{dc})(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s})---\left(10\right)$>

式(10)中：为输出直流电压给定值，K_vp为电压环比例系数，K_vi为电压环积分系数，s为积分算子。因为对于表贴式永磁同步电机而言，电磁转矩与交轴电流成正比，所以式(10)得到的交轴电流即为实时转速下所需转矩对应的给定交轴电流。其与实际i_q做差后经PI得到交轴电压给定值交轴电压给定值的表达式如式(11)所示：

$>u_q^{*}=(i_q^{*}-i_q)(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s})---\left(11\right)$>

式(11)中：K_ip为电流环比例系数，K_ii为电流环积分系数，此时，交轴电压给定值即为满足转矩曲线的交轴电压。

为了保证轨迹在电压极限圆上，直轴电压指令给定公式为：

$>u_d^{*}=\sqrt{u_{smax}^2-u_q^{*2}}---\left(12\right)$>

将式(10)和(11)代入式(12)可以得到：

$>u_d^{*}=\sqrt{u_{smax}^2-{[(U_{dc}^{*}-U_{dc})(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s})-i_q]}^2*{(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s})}^2}---\left(13\right)$>

由PI输入输出呈线性关系的特性并结合上式可知其根据转速及负载的情况及时调试给定交轴电压，使电流轨迹能沿着电压极限圆和恒转矩曲线交点运行。例如当转速上升，输出直流电压U_dc上升，若给定直流输出电压不变，则输出直流电压外环输出减小，即减小，则电流环输出的交轴电压减小，交轴电流减小，相应地直轴电压增大，直轴电流增大，最后达到稳态。

弱磁控制框图如图4所示,输出直流电压外环1、电流环2、帕克变换模块3、空间矢量调制模块4、克拉克变换模块5、电机转子位置反馈模块6、PWM整流器7。电机转子位置反馈模块6检测转子位置信号θ；三相静止坐标系下相电流i_A、i_B、i_C以及转子位置信号θ经克拉克变换模块5得到交轴电流实际值i_q；输出直流电压外环1对输出直流电压给定值和输出直流电压U_dc之差进行PI调节得到交轴电流给定值电流环2对交轴电流给定值和交轴电流实际值i_q之差进行PI调节得到交轴电压给定值由电压极限圆确定直轴电压给定值帕克变换模块3依据转子位置信号θ对直轴电压给定值和交轴电压给定值进行帕克变换得到两相静止坐标系下的电压分量u_α、u_β，空间矢量调制模块4根据两相静止坐标系下的电压分量u_α、u_β得到PWM整流器7的驱动信号；PWM整流器7在驱动信号作用下将表贴式永磁同步发电机输出的交流电转换为直流电输出，即得到输出直流电压U_dc。

采用本发明涉及的弱磁控制方法可以实现在弱磁区域电机沿着电压极限圆和恒转矩曲线交点运行，既满足电压限制，又满足转矩要求。电流轨迹如图5黑色粗体曲线所示，其中，AB段曲线为采用i_d＝0矢量控制的电流轨迹，可以以最小电流产生最大的转矩；BC段曲线为进入弱磁后采用本发明所提出的弱磁方法的电流轨迹。由图5可以发现MTPA曲线将i_d-i_q坐标系一分为二，弱磁工作点位于右侧。电机持续减速时，电机工作点进入左侧平面，电机退出弱磁区域。所以由弱磁控制切换为i_d＝0矢量控制的依据为：

i_d<0(14)

利用matlab/simulink工具对本专利进行了仿真。仿真参数为转子磁链ψ_af＝0.04V·s，交直轴电感L_d＝L_q＝2mH，极对数n_p＝4，输出直流电压U_dc＝42V，发电转速范围为1200～6000rpm。图6为采用本专利提出的弱磁方法下的输出电压和转速仿真波形，可以发现宽转速范围内输出电压可以保持稳定。图7为仿真的交直轴电流轨迹，可以发现电机电流轨迹和理论基本一致。图8为突加突卸负载时的输出电压波形，在2000rpm时，在0.1s处突加负载，负载由4.2A上升到8.4A，在0.15s出突卸负载，负载由8.4A下降到0.76A，由仿真波形可以看出提出的弱磁方法有很好的动态响应，输出电压在经过短暂的波动后能迅速恢复稳定。

综上所述，本发明所提出的一种表贴式永磁同步发电机弱磁控制方法，当发电机转速高于基速时，通过对电流轨迹的控制，实现了宽转速稳压的目的。该控制方法同时避免了因高速时双电流调节器互相耦合带来的动态响应变差的问题，有较好的动态响应，改善了传统单电流调节器控制效率低下的问题。不依赖电机参数，参数鲁棒性好。