一種避免永磁同步電機弱磁失控的方法與流程
本發明涉及自動化控制領域，特別涉及一種避免永磁同步電機弱磁失控的方法。
背景技術：
永磁同步電機效率高、弱磁調速范圍寬，被廣泛應用于電動汽車領域。
基于電壓閉環的負id補償法弱磁控制技術可以使永磁同步電機實現寬轉速范圍調速運行。該方法的基本原理是：在電流調節器需要的輸出電壓接近或超過控制器電壓輸出能力極限的情況下，負向增大d軸電流，試圖將電流調節器需要的輸出電壓限制在控制器電壓輸出能力極限以內。但是該方法具有下列局限性：
1)無法實現MTPV控制
假設圖1中當前轉速為ω2，電流位于B點，此時轉速繼續升高。由于電流極限圓進一步縮小，B點落在電流極限圓外，此時電流調節器需要的輸出電壓已經超過控制器電壓輸出能力極限，弱磁調節器將負向增大d軸電流，工作點反而距離電流極限圓更遠。在這種情況下，不僅輸出轉矩能力大幅下降，實際電流也無法跟蹤給定電流，導致電流調節器飽和，電流失控。
2)深度弱磁穩定性較差
進一步分析1)中的問題可以發現，傳統負id補償法弱磁調節器的問題在于，深度弱磁時電壓負反饋調節的穩定性逐漸劣化。例如：假設圖1中當前轉速為ω2，q軸電流從0開始增加，工作點沿著電壓極限圓逐漸接近D點。在此過程中，負向增大d軸電流對減小輸出電壓的作用越來越小，動態特性逐漸惡化。而在跨過D點之后，弱磁調節的方向從指向電壓極限圓內部逐漸過渡到指向電壓極限圓外部，弱磁調節器從負反饋變成正反饋，無法繼續保持穩定。D點與C點對應著相同的d軸電流，其值為-ψf/Ld，為電機短路電流。
技術實現要素：
為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種避免永磁同步電機弱磁失控的方法。
該方法包括以下步驟：
步驟1，q軸給定電流經過MTPA特性計算得到直接d軸電流直接d軸電流與d軸弱磁電流Δid相加得到d軸給定電流
步驟2，對q軸給定電流和d軸給定電流進行dq軸電流協同調整和dq軸電流協同限幅，然后分別對q軸給定電流和d軸給定電流進行電流閉環控制后，經過PI(比例積分)調節器輸出q軸電壓ud和q軸電壓uq；
步驟3，根據公式得到輸出總電壓；
步驟4，用最大輸出電壓限值umax減去輸出總電壓后，通過PI調節器得到d軸弱磁電流Δid。
步驟2中所述的對q軸給定電流和d軸給定電流進行dq軸電流協同調整具體為：首先設置一個小于短路電流的閾值E，在d軸給定電流小于閾值E時，計算兩者的差值；然后根據下式計算調整后的q軸給定電流
式中K為正數(實際應用中一般不大于10)。
步驟2中所述的對q軸給定電流和d軸給定電流進行dq軸電流協同限幅具體為：在電機電流相平面圖中，用一條依次通過代表電機三相短路時工況點C、電機MTPV曲線與代表轉速ω2的電壓極限圓的交點B、電機MTPV曲線與代表轉速ω1的電壓極限圓的交點F的折線近似描述電機的MTPV特性；當電機工作點位于該折線左側的時候，進入MTPV限幅狀態；該狀態下，禁止q軸給定電流繼續增加，并根據q軸電流指令與C、B、F點的折線計算d軸電流的限幅值。
與現有技術相比，本發明提高了基于電壓閉環的弱磁控制器的穩定性，并通過對dq軸電流的協同限幅實現近似MTPV控制。
附圖說明
圖1是永磁同步電機電流相平面圖；
圖2是傳統負id補償法弱磁控制原理框圖；
圖3是改進后的負id補償法弱磁控制原理框圖；
圖4是帶有近似MTPV折線的電流相平面圖；
圖5、圖6是協同調整及協同限幅原理框圖；
具體實施方式
為了使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
本發明提出了一種應對負id補償法弱磁控制器飽和失控現象的控制策略。提高了基于電壓閉環的弱磁控制器的穩定性，并通過對dq軸電流的協同限幅實現近似MTPV控制。
1、永磁同步電機電流分配約束條件
忽略定子電阻，永磁同步電機的穩態電壓方程為
ud＝-ωLqiq (1)
uq＝ωLdid+ωψf (2)
式中：ud,uq為d軸和q軸電機端電壓；id,iq為d軸和q軸定子電流；Ld,Lq為d軸和q軸電感；ψf為轉子永磁磁鏈。
電機的工作狀態受逆變器輸出最大電流is max、電壓umax限制如下：
式中：udc為直流母線電壓。
將式(1)、(2)帶入式(4)得：
可知，特定母線電壓與轉速下，電機能夠實現的dq電流分配情況是有限的。
圖1在電流相平面圖中描述了電機工作的約束條件：電壓、電流極限圓；電機的特殊工作特性曲線：MTPA(最大轉矩電流比)與MTPV(最大轉矩電壓比曲線)。ω1與ω2分別表示兩個電壓極限橢圓對應的轉速，T1、T2表示電機輸出的轉矩。圖1中點A為MTPA曲線與電機電流圓的交點；B點為電機MTPV曲線與代表轉速ω2的電壓極限圓的交點；C點代表電機三相短路時的工況；D點為與橫軸垂直且過C點的直線與代表轉速ω2的電壓極限圓的交點。考慮到電流的利用效率，特定母線電壓與轉速下，電動工況下合理的dq電流分配范圍在MTPA特性曲線的左側，電壓極限圓與電流極限圓的公共范圍內。
2、傳統負id補償法弱磁控制的局限性
圖2是傳統負id補償法弱磁控制原理框圖。
圖中q軸給定電流經過MTPA特性計算得到直接d軸電流直接d軸電流與d軸弱磁電流Δid相加得到d軸給定電流對q軸給定電流和d軸給定電流進行電流閉環控制后，經過PI調節器輸出q軸電壓ud和q軸電壓uq；用最大輸出電壓限值umax減去輸出總電壓后，通過PI調節器得到d軸弱磁電流Δid
該方法的基本原理是：在電流調節器需要的輸出電壓接近或超過控制器電壓輸出能力極限的情況下，負向增大d軸電流，試圖將電流調節器需要的輸出電壓限制在控制器電壓輸出能力極限以內。
傳統負id補償法弱磁控制方法具有下列局限性：
1)無法實現MTPV控制
假設圖1中當前轉速為ω2，電流位于B點，此時轉速繼續升高。由于電流極限圓進一步縮小，B點落在電流極限圓外，此時電流調節器需要的輸出電壓已經超過控制器電壓輸出能力極限，弱磁調節器將負向增大d軸電流，工作點反而距離電流極限圓更遠。在這種情況下，不僅輸出轉矩能力大幅下降，實際電流也無法跟蹤給定電流，導致電流調節器飽和，電流失控。
2)深度弱磁穩定性較差
進一步分析1)中的問題可以發現，傳統負id補償法弱磁調節器的問題在于，深度弱磁時電壓負反饋調節的穩定性逐漸劣化。例如：假設圖1中當前轉速為ω2，q軸電流從0開始增加，工作點沿著電壓極限圓逐漸接近D點。在此過程中，負向增大d軸電流對減小輸出電壓的作用越來越小，動態特性逐漸惡化。而在跨過D點之后，弱磁調節的方向從指向電壓極限圓內部逐漸過渡到指向電壓極限圓外部，弱磁調節器從負反饋變成正反饋，無法繼續保持穩定。D點與C點對應著相同的d軸電流，其值為-ψf/Ld，為電機短路電流。
3、本發明對傳統負id補償法弱磁控制的局部改進
針對傳統負id補償法的上述缺點，本發明提出下列改進方法：通過對dq軸電流的協同調整，增強深度弱磁工況下的穩定性；通過對dq軸電流的協同限幅，實現近似最大轉矩電壓比MTPV控制，如圖3所示。
1)對dq軸電流的協同調整方法：
對弱磁調節器輸出的d軸電流，設置一個小于短路電流的值E，在d軸給定電流小于該值時，計算d軸給定電流與E差值的絕對值，并在q軸給定電流的絕對值中減去K*|E-id*|，K為正數(實際應用中一般不大于10)。上述過程可以理解為：在工作點達到E點左側時，通過主動干預q軸電流，使弱磁調節的方向偏向電壓極限圓內部，以維持弱磁調節的負反饋特性。如圖5所示。
2)對dq軸電流的協同限幅方法：
如圖4所示，在電流相平面圖中，用一條通過C、B、F點的折線近似描述電機的MTPV特性。當工作點位于該折線左側的時候，進入MTPV限幅狀態。該狀態下，禁止q軸電流指令繼續增加，并根據q軸電流指令與C、B、F點的折線計算d軸電流指令的限幅值。如圖6所示。
說明書中未闡述的部分均為現有技術或公知常識。本實施例僅用于說明該發明，而不用于限制本發明的范圍，本領域技術人員對于本發明所做的等價置換等修改均認為是落入該發明權利要求書所保護范圍內。
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