基于改进过调制的永磁同步电机弱磁控制方法

本发明属于电机驱动及控制，涉及基于改进过调制的永磁同步电机弱磁控制方法。

背景技术：

1、高速永磁同步电动机以其高效率、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于家用电器、轨道交通、医疗、航空航天、军事等领域。随着运行转速的升高，高速永磁电机的反电动势的增大，当反电电势的幅值大于逆变器最大输出电压，高速永磁电机在不控制电压的前提下不能继续升高转速。弱磁控制可以在直流母线电压的限制下进一步提高高速永磁电机的运行转速，然而过早进入弱磁区导致转速调节范围受限，并且弱磁控制导致驱动系统的效率降低。空间矢量脉宽过调制(space vector pulse width overmodulation，svpwom)是指当输出电压矢量超出最大电压六边形时，对调制策略进行部分修正，提高输出电压基波幅值。

2、因此，可以通过过调制策略，提高系统对母线电压的利用率，提高弱磁限制电压，进一步扩宽高速电机的调速范围。然而，当高速永磁电机高速运行时，控制系统载波比下降，过调制输出电压和电流存在相位和幅值的跳变，导致定子电流谐波含量增加，进而导致转速和转矩脉动增加。

3、同时永磁同步电机是复杂的非线性系统，传统的pi控制难以满足永磁同步电机在弱磁扩速过程中高性能的控制要求，而滑模控制简单、响应快速、对外界干扰有强鲁棒性，被广泛用于永磁同步电机调速控制系统。但传统的滑模控制存在状态变量趋近滑模面速度慢、抖振严重的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于改进过调制的永磁同步电机弱磁控制方法，该方法以新型趋近率设计滑模速度控制器，提升滑模趋近速率，抑制抖振，提高系统动态响应速度和鲁棒性，同时改进过调制算法，以抑制过调制输出电压和电流相位与幅值跳变导致的电流纹波，降低定子电流谐波。

2、本发明所采用的技术方案是，基于改进过调制的永磁同步电机弱磁控制方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1，实时获取永磁同步电机的三相定子电流ia、ib、ic，将ia、ib、ic依次进行clark和park变换转换成d-q坐标系下的等效电流id、iq；

4、步骤2，构造的转速环滑模控制器，输出q轴给定电流将q轴给定电流与步骤1得到的iq做差，经电流环pi控制器输出q轴给定电压

5、步骤3，将参考电压uref与反馈电压us做差，经电压环pi控制器输出d轴给定电流将d轴给定电流与步骤1得到的id做差，经电流环pi控制器输出d轴给定电压

6、步骤4，基于svpwm控制方法得到相邻电压矢量作用时间tx和ty，根据改进过调制算法，对相邻电压矢量作用时间进行修正得到修正后的作用时间tx′和ty′，然后输出pwm控制信号，通过pwm信号控制三相逆变器产生三相电压信号，最后通过三相电压信号控制永磁同步电机的转速。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤1的具体过程为：

9、步骤1.1，转速检测模块实时获取永磁同步电机的机械角频率ωm和机械位置θm；

10、步骤1.2，电流检测模块实时获取永磁同步电机的三相定子电流ia、ib、ic，将ia、ib、ic进行clark变换转换成α-β坐标系下的等效电流iα、iβ；

11、步骤1.3，将机械位置θm和iα、iβ进行park变换转换成d-q坐标系下的等效电流id、iq。

12、步骤2的具体过程为：

13、步骤2.1，对于表贴式永磁同步电机，电磁转矩方程如下公式(1)所示：

14、

15、运动方程如下公式(2)所示：

16、

17、其中，te为电机电磁转矩，np为电机极对数，ψf为永磁体磁链，iq为定子电流在q轴上的分量，j为转动惯量，tl为负载转矩，b为阻尼系数；

18、取系统的状态变量x1和x2如下公式(3)所示：

19、

20、其中，为电机给定机械角频率；

21、由公式(1)～(3)可得到如下公式(4)

22、

23、其中，和分别为状态变量x1和x2的导数，为电机实际机械角频率的导数；

24、步骤2.2，采用积分滑模面s减小速度误差的微分带来的高频噪声干扰，滑模面s为如下公式(5)所示：

25、s＝x1+cx2                        (5)

26、对公式(5)求导可得如下公式(6)：

27、

28、设计趋近率如下公式(7)所示：

29、

30、其中，sgn(s)为符号函数，k、ε、a均为常数，k>0，ε＞0，0<a<1，|e|s为跟踪误差；

31、由公式(4)～(7)得到滑模控制器输出为如下公式(8)

32、

33、步骤2.3，将滑模控制器的输出与步骤1得到的iq做差，经电流环pi控制器输出q轴给定电压

34、步骤3的具体过程为：

35、步骤3.1，将电压环pi控制器输出与步骤1得到的id做差，经电流环pi控制器输出d轴给定电压

36、步骤3.2，由步骤2.2所得q轴给定电压与步骤3.1所得d轴给定电压计算得到反馈电压us，具体计算公式如下公式(9)：

37、

38、步骤3.2，给定参考电压uref与反馈电压us做差，经电压环pi控制器输出d轴给定电流

39、若反馈电压us小于参考电压uref，电压环pi控制器输出值为零，以id＝0的控制策略控制永磁同步电机；

40、若反馈电压us大于参考电压uref，电压环pi控制器输出值为负值，以负id电流补偿的控制策略对永磁同步电机进行弱磁控制。

41、步骤4的具体过程为：

42、步骤4.1，将电流环pi控制器输出和进行反park变换得到两相静止坐标系的给定电压

43、步骤4.2，将通过步骤4.1得到的给定电压基于svpwm控制方法得到相邻电压矢量作用时间tx和ty，根据改进过调制算法，对相邻电压矢量作用时间进行修正得到修正后的作用时间tx′和ty′，然后输出pwm控制信号；

44、步骤4.3，通过步骤4.2得到的pwm信号控制三相逆变器产生三相电压信号，然后通过三相电压信号控制永磁同步电机的转速。

45、步骤4.2中，改进修正电压矢量的svpwm过调制方法步骤如下：

46、设输出电压矢量为us，其计算公式如下公式(10)所示：

47、

48、其中，|us|表示输出电压矢量的幅值，θs表示输出电压矢量的相角；

49、定义u1、u2、u3三个变量，如下公式(11)所示：

50、

51、其中，uα和uβ表示输出电压矢量us在α、β轴上的分量；

52、扇区判断系数n如下公式(12)所示：

53、n＝n1+2n2+4n3                     (12)

54、其中，

55、定义基本电压时间x、y和z分别为：

56、

57、其中，x、y、z分别为基本电压时间，ts为pwm载波周期(s)，udc为直流母线电压；

58、零矢量作用时间t0如下公式(14)所示：

59、t0(t7)＝(ts-tx-ty)/2                  (14)

60、其中，t0、t7为零矢量u0、u7作用时间；

61、定义三相开关管得到基本导通时间taon、tbon、tcon为如下公式(15)所示：

62、

63、根据相邻矢量作用时间判断输出电压矢量所处的调制区域，对相邻电压矢量作用时间进行修正；

64、若输出电压矢量us位于区域a，即us位于线性调制区，不需要进行补偿，相邻电压矢量的作用时间计算为：

65、

66、其中，t4和t6分别为第一扇区相邻电压矢量u4和u6的作用时间，t4′和t6′分别修正后的相邻电压矢量u4和u6的作用时间；

67、若输出电压矢量us位于区域b，即us位于过调制ⅰ区的下半部分，线性区和过调制ⅰ区的时间判断边界表示为：

68、t4+t6＝ts                         (17)

69、在空间判定条件下，表达式如下：

70、

71、若输出电压矢量us位于b区，即t4>t6时，输出电压矢量修正为：

72、

73、相邻矢量作用时间表示为：

74、

75、3)若输出电压矢量us位于区域c，即us位于过调制ⅰ区的上半部分，此时t4≤t6，输出电压矢量修正为：

76、

77、相邻矢量作用时间表示为：

78、

79、4)若输出电压矢量us位于区域d、e，即us位于过调制ⅱ区，过调制ⅰ区和ⅱ区的时间判断边界为：

80、

81、在空间判定条件下，表达式如下：

82、

83、d区和e区修正后的相邻动作时间分别表示为：

84、

85、输出电压矢量us位于其它扇区时：

86、1)若us位于区域a，即us位于线性调制区，修正后的相邻电压矢量作用时间tx′和ty′为：

87、

88、2)若us位于区域b、c，即us位于过调制ⅰ区，线性区和过调制ⅰ区的时间判断边界可以表示为tx+ty＝ts；

89、若us位于b区，即tx>ty时，输出电压矢量可以修正为：

90、

91、其中，θs′表示输出电压矢量修正后的相位，|us′|表示修正后的幅值，k对应输出电压矢量us所位于的扇区数，即k＝1～6；

92、若us位于c区，即tx≤ty时，输出电压矢量修正为：

93、

94、3)若us位于区域d、e即us位于过调制ⅱ区，过调制ⅰ区和ⅱ区的时间判断边界为：

95、

96、若us位于d区，即tx>ty时，输出电压矢量修正为：

97、

98、若us位于e区，即tx≤ty时，输出电压矢量修正为：

99、

100、本发明的有益效果是，本发明采用基于改进过调制的永磁同步电机弱磁控制方法，为满足弱磁控制中永磁同步电机高性能控制的要求，针对状态变量趋近滑模面速度慢、抖振严重的问题，基于新型趋近率设计滑模速度控制器，将该滑模速度控制器应用于永磁同步电机弱磁控制，提高了系统的鲁棒性和动态性能，抑制了系统抖振。同时针对弱磁扩速过程中，载波比降低，有效采样点数减少的问题，提出了改进过调制算法，减少修正后电压矢量的幅值和相位跳变，使过调制区域切换更为平滑，减少电流纹波，降低定子电流的谐波含量，减少转矩和转速的脉动。