本發(fā)明涉及電機(jī)弱磁控制，具體是一種基于功率調(diào)節(jié)的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法。
背景技術(shù)：
1、永磁同步電機(jī)（pmsm）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率密度高、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車、家用電器、動(dòng)力傳輸系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，永磁同步電機(jī)的運(yùn)行往往受到多種因素的制約：受成本約束，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速普遍偏低，驅(qū)動(dòng)器電壓等級(jí)有限，且電源系統(tǒng)提供的直流母線電壓存在上限。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高至一定程度時(shí)，其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)逼近直流母線電壓，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步提升，嚴(yán)重限制了電機(jī)的工作速度范圍。
2、為突破這一電壓瓶頸，在不增加硬件成本的前提下擴(kuò)展電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，弱磁控制策略被提出。該策略通過(guò)控制定子電流產(chǎn)生去磁磁動(dòng)勢(shì)，等效抵消電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，從而提高電壓調(diào)節(jié)裕度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在基速以上的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在新能源汽車驅(qū)動(dòng)、空調(diào)壓縮機(jī)等領(lǐng)域，為進(jìn)一步降低成本，永磁同步電機(jī)常需采用無(wú)位置傳感器運(yùn)行模式，因此，研發(fā)一種適用于弱磁工況的無(wú)位置傳感器控制方法具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。
3、現(xiàn)有弱磁控制方法主要分為以下三類：
4、第一類是離線查表法，該類算法在dq坐標(biāo)系下建立電機(jī)輸入?yún)?shù)（如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、磁鏈等）與dq軸參考電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。部分學(xué)者通過(guò)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與dq軸電流的查找表確定弱磁電流軌跡，部分方案還結(jié)合電壓約束跟蹤反饋機(jī)制以提高查找表的準(zhǔn)確性。但該類方法中查找表的建立依賴額外的電機(jī)測(cè)試臺(tái)架和離線測(cè)試流程，應(yīng)用過(guò)程中會(huì)占用大量主控芯片的存儲(chǔ)資源，導(dǎo)致方法的實(shí)施效率和實(shí)時(shí)性降低，難以滿足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。
5、第二類是基于電機(jī)物理方程的模型法，與離線查表法不同，該方法具備實(shí)時(shí)計(jì)算能力，無(wú)需依賴離線測(cè)試數(shù)據(jù)和大量存儲(chǔ)資源，在線獲取工作點(diǎn)時(shí)需求解復(fù)雜組合方程。部分學(xué)者通過(guò)解析弱磁工況下電壓極限圓、電流極限圓及等轉(zhuǎn)矩線間的幾何關(guān)系，提出簡(jiǎn)化的幾何投影方法，以幾何投影代替復(fù)雜數(shù)值計(jì)算，可在有限步數(shù)迭代內(nèi)快速收斂至目標(biāo)弱磁電流點(diǎn)；另有學(xué)者將弱磁控制視為多約束優(yōu)化問(wèn)題，采用模型預(yù)測(cè)控制算法，通過(guò)設(shè)計(jì)磁鏈代價(jià)函數(shù)或構(gòu)造新型電流誤差平面和虛擬電壓矢量，實(shí)現(xiàn)在線軌跡獲取。但該類方法中的代碼邏輯復(fù)雜，對(duì)芯片計(jì)算性能要求較高，且對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性強(qiáng)，參數(shù)波動(dòng)易導(dǎo)致控制精度下降。
6、第三類是基于反饋的弱磁控制算法，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，核心原理是：電機(jī)在基速以上運(yùn)行時(shí)，定子電壓受直流母線電壓限制達(dá)到飽和狀態(tài)，通過(guò)構(gòu)建以電壓飽和誤差為輸入的反饋控制環(huán)，采用pi控制等算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)弱磁電流分量、電流超前角或電壓相位角，實(shí)現(xiàn)電壓約束下的轉(zhuǎn)速提升。部分學(xué)者在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)電壓環(huán)以提高電壓利用率，通過(guò)雙pi控制器控制電流；針對(duì)電壓飽和時(shí)雙電流環(huán)耦合嚴(yán)重的問(wèn)題，有外國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)單電流控制器，釋放一個(gè)維度的電流指令生成自由度，實(shí)現(xiàn)電流快速解耦；還有學(xué)者對(duì)六種弱磁單電流結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，通過(guò)小信號(hào)分析法明確不穩(wěn)定區(qū)域及適用場(chǎng)景。但該類方法存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是電壓反饋環(huán)的輸入直接取自電流調(diào)節(jié)器的輸出量，導(dǎo)致電壓控制回路與電流控制回路產(chǎn)生動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，若電流環(huán)輸出存在振蕩或限幅機(jī)制設(shè)計(jì)不當(dāng)，引入的附加擾動(dòng)會(huì)影響弱磁電流軌跡跟蹤精度；二是弱磁控制與無(wú)位置傳感器運(yùn)行的協(xié)同研究較少，缺乏有效的機(jī)制將觀測(cè)器信息協(xié)同注入弱磁控制框架，導(dǎo)致兩者功能性隔離，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)同控制。
7、隨著嵌入式處理器算力的持續(xù)增強(qiáng)，在線獲取弱磁電流軌跡成為主流技術(shù)方向。但現(xiàn)有基于模型計(jì)算的弱磁控制策略對(duì)芯片性能和參數(shù)精度要求高，基于電壓反饋的弱磁控制策略存在回路耦合和無(wú)感協(xié)同不足的問(wèn)題。因此，亟需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、魯棒性強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)弱磁與無(wú)位置協(xié)同運(yùn)行的控制方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決背景技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于功率調(diào)節(jié)的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，其通過(guò)功率映射關(guān)系獲取電流參考軌跡，省去傳統(tǒng)電壓控制回路，采用pi控制器構(gòu)建功率控制環(huán)，具有良好的兼容性與執(zhí)行效率，能夠?qū)崿F(xiàn)弱磁與無(wú)位置協(xié)同運(yùn)行。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術(shù)方案：一種基于功率調(diào)節(jié)的永磁同步電機(jī)弱磁控制方法，包括以下步驟：
3、步驟s1、三相電流采集與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：采集永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的三相電流、和，通過(guò)clarke變換和park變換，獲取兩相靜止坐標(biāo)系下的電流和以及兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流和；
4、步驟s2、轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際轉(zhuǎn)速獲取：獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，基于該信息計(jì)算電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速；
5、步驟s3、功率控制環(huán)設(shè)計(jì)：兩相靜止坐標(biāo)系下電機(jī)從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的有功功率和無(wú)功功率與電流和的映射關(guān)系如下：
6、??????????????（5）
7、式中，和分別表示αβ軸下的反電動(dòng)勢(shì)，；
8、構(gòu)建有功功率環(huán)，其結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳遞邏輯如下：
9、①輸入信號(hào)：給定轉(zhuǎn)速變化量與反饋轉(zhuǎn)速變化量的差值，得到轉(zhuǎn)速誤差；
10、②pi控制器：輸入為轉(zhuǎn)速誤差，輸出為有功功率參考變化給定，pi控制器參數(shù)為比例系數(shù)和積分系數(shù)；
11、③有功功率模型：通過(guò)方程建立有功功率變化與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)矩變化，同時(shí)考慮負(fù)載擾動(dòng)變化量；
12、④機(jī)械模型：構(gòu)建機(jī)械模型函數(shù)表示如下：
13、????????????????（6）
14、式中，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為摩擦系數(shù)，為采樣時(shí)間；
15、⑤一拍延遲補(bǔ)償：通過(guò)模塊對(duì)信號(hào)采樣引入一拍延遲；
16、則有功功率環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如下：
17、（7）
18、繪制有功功率環(huán)極點(diǎn)圖，通過(guò)等阻尼比線確定pi控制器參數(shù)；
19、構(gòu)建無(wú)功功率環(huán)，其結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳遞邏輯如下：
20、①輸入信號(hào)：與有功功率環(huán)一致；
21、②延遲模塊：延遲模塊的離散域傳遞函數(shù)如下：
22、??????????????????（8）
23、式中，為等效延遲模塊的時(shí)間常數(shù)；
24、③pi控制器：輸入為經(jīng)過(guò)延遲模塊的轉(zhuǎn)速誤差，輸出為無(wú)功功率參考變化給定，pi控制器參數(shù)為比例系數(shù)和積分系數(shù)；
25、④無(wú)功功率模型：通過(guò)方程建立無(wú)功功率變化與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)矩變化，同樣考慮負(fù)載擾動(dòng)變化量，其中，通過(guò)下式得到：
26、??????????（9）
27、式中，為功率因數(shù)角；
28、⑤機(jī)械模型：與有功功率環(huán)一致；
29、⑥一拍延遲補(bǔ)償：與有功功率環(huán)一致；
30、則無(wú)功功率環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如下：
31、?（10）
32、繪制無(wú)功功率環(huán)極點(diǎn)圖，通過(guò)等阻尼比線確定pi控制器參數(shù)；
33、步驟s4、運(yùn)行工況判斷：給定參考電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)定電機(jī)的基速為，通過(guò)比較與判斷電機(jī)運(yùn)行于基速以下工況或基速以上工況；
34、步驟s5、有功功率與無(wú)功功率參考給定生成：基于pi控制器輸出和滯環(huán)切換策略，生成有功功率參考給定和無(wú)功功率參考給定，根據(jù)基速設(shè)定轉(zhuǎn)速的閾值范圍，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于閾值范圍以下時(shí)僅啟用有功功率環(huán)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于閾值范圍以上時(shí)同時(shí)運(yùn)行有功功率環(huán)和無(wú)功功率環(huán)；
35、步驟s6、αβ軸電流參考軌跡生成：對(duì)生成的和進(jìn)行最大值限幅處理，代入式子（5）計(jì)算得到αβ軸電流參考給定和；
36、步驟s7、dq軸電流參考給定生成：通過(guò)反park變換，將αβ軸電流參考給定和轉(zhuǎn)換為dq軸電流參考給定和；
37、步驟s8、電流環(huán)控制與pwm波生成：將和作為雙pi電流環(huán)的參考輸入，步驟s1轉(zhuǎn)換得到的和作為反饋輸入，雙pi電流環(huán)對(duì)dq軸電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出αβ軸參考電壓和，將和輸入svpwm調(diào)制模塊生成三相pwm波開(kāi)關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器功率器件工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。
38、進(jìn)一步的，所述步驟s5中和計(jì)算如下：
39、????????（11）
40、??????（12）
41、式中，為滯環(huán)切換系數(shù)，用于控制無(wú)功功率環(huán)的啟用與關(guān)閉。
42、進(jìn)一步的，所述步驟s5中滯環(huán)切換策略具體為：
43、①設(shè)定轉(zhuǎn)速上閾值和轉(zhuǎn)速下閾值，閾值范圍根據(jù)基速確定；
44、②當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高至以上時(shí)，觸發(fā)無(wú)功功率環(huán)啟用，取-1，此時(shí)電機(jī)為加速工況，運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入弱磁狀態(tài)；
45、③當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低至以下時(shí)，觸發(fā)無(wú)功功率環(huán)關(guān)閉，取0，此時(shí)電機(jī)為減速工況，運(yùn)行狀態(tài)退出弱磁狀態(tài)。
46、進(jìn)一步的，所述步驟s2中電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息獲取采用無(wú)位置傳感器模式下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器，具體包括：
47、建立永磁同步電機(jī)αβ軸電流估計(jì)方程，表示如下：
48、????（14）
49、式中，和分別為αβ軸電流估計(jì)值，，，和分別為dq軸電感，為轉(zhuǎn)速，為定子電阻，和分別為αβ軸電壓，和分別為αβ軸反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值；
50、建立電流誤差觀測(cè)方程用于反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)的校正，表示如下：
51、???（15）
52、式中，和分別為αβ軸反電動(dòng)勢(shì)真實(shí)值，和分別為αβ軸電流誤差。
53、進(jìn)一步的，所述反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值進(jìn)行迭代更新，具體包括：
54、先設(shè)定反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值和的初值為0，然后通過(guò)滑模控制率進(jìn)行迭代，滑模控制率如下：
55、???（16）
56、式中，為反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值，為電流誤差，下標(biāo)取和，為滑模增益，為切換寬度系數(shù)范圍，為符號(hào)函數(shù)；
57、將觀測(cè)得到的和代入式子（5）中替換原有的和，直接生成包含弱磁信息的αβ軸電流參考給定，進(jìn)而獲取αβ軸的弱磁電流軌跡。
58、進(jìn)一步的，所述反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器采用多路復(fù)用，結(jié)合雙濾波器和鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和電角度的辨識(shí)，具體包括：
59、采用轉(zhuǎn)速自適應(yīng)雙濾波結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置雙濾波器，濾波器傳遞函數(shù)表示如下：
60、??????????（17）
61、式中，和為雙濾波器的帶寬參數(shù)；
62、通過(guò)濾波器傳遞函數(shù)求解相位為0的頻率表示如下：
63、??????????（18）
64、通過(guò)固定，根據(jù)觀測(cè)器的估計(jì)電角速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)率表示如下：
65、???????????????????（19）
66、通過(guò)更新帶寬，結(jié)合雙濾波器輸出的估計(jì)電角速度，利用鎖相環(huán)跟蹤得到估計(jì)電角度，即轉(zhuǎn)子位置信息。
67、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建功率映射關(guān)系獲取電流參考軌跡，摒棄傳統(tǒng)電壓控制回路，簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)；采用pi控制器構(gòu)建功率控制環(huán)，降低算法對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性；結(jié)合反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)弱磁算法與無(wú)位置算法之間的協(xié)同運(yùn)行，通過(guò)觀測(cè)器多路復(fù)用提高代碼執(zhí)行效率。同時(shí)，采用滯環(huán)切換策略實(shí)現(xiàn)基速上下運(yùn)行模式的平滑切換，避免控制抖振。該方法無(wú)需增加硬件成本，僅需在現(xiàn)有變頻器控制系統(tǒng)中調(diào)整控制器軟件算法即可實(shí)現(xiàn)，兼容性強(qiáng)，易于工程部署。