一種基于改進過調制提升交流電機轉矩輸出能力的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及交流電機矢量控制技術，尤其是設及一種基于改進過調制提升交流電 機轉矩輸出能力的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在電動汽車和軌道交通等領域，由于控制方法的局限性，交流電機在弱磁區 面臨著轉矩輸出小和直流側電壓利用率低的問題。目前，為了解決該類問題的方法主要有 兩類；一類是對電機結構進行優化設計；另一類是從控制手段上研究弱磁控制策略。第一 類方法，通過改變電機的結構來獲得轉矩的提升，該種途徑需要使用更高級的工藝和技術， 成本會增加很多。第二類方法，是實現弱磁區域tq軸下的定子電流的協調分配，W充分 發揮電機在弱磁運行時的最大轉矩輸出能力，而不需要增加成本。該類方法可W分為基于 精確電機數學模型的解析計算方法、附加控制閉環的優化方法和基于SVPWM的過調制方法 等。
[0003] (1)基于精確電機數學模型的解析計算方法
[0004] 精確電機數學模型的解析計算方法是指根據電壓、電流約束方程W及電機數學模 型，W轉矩最大化或效率最大化為目標，通過解析計算或者實驗估計方法來獲得電流分配 指令。該類方法可W解決轉矩下降的問題，但是其受參數的影響較大，并不能得到很好的控 制效果。
[0005] (2)附加控制閉環的優化方法
[0006] 通過給定直流母線電壓與實際端電壓的電壓差值通過PI調節器輸出電機反饋控 制量，當轉速超過額定轉速時，電機端電壓達到飽和，端電壓超過實際電壓時，輸出反饋信 號，產生去磁電流，對弱磁區的定子電流進行重新分配。該類控制方法最大優勢在于對電機 參數沒有依賴性，具有很好魯椿性，響應無穩態誤差，但是不能最大程度的利用直流母線電 壓，產生最大的轉矩。
[0007] 做過調制方法
[0008] 為了最大程度的利用直流母線電壓，提高弱磁區域電機轉矩輸出能力，采用過調 制技術來擴展永磁同步電機運行區域。雖然，過調制算法會產生一定的轉矩脈動，但是，該 種控制方法是目前解決該些問題最好的方法。然而，在控制過程中，受到電流調節器飽和的 影響，電流的響應速度較慢。
[0009] SVPWM原理中，S相兩電平電壓式逆變器根據橋臂開關的不同組合，共輸出八中 狀態的電壓，分別對應空間復平面內六個長度為2/3叫。的基本電壓矢量和兩個零電壓矢量 扣<1。為直流電壓），六個基本電壓矢量構成正六邊形，并分為六個扇區。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于改進過調 制提升交流電機轉矩輸出能力的方法，通過優化電壓矢量及改進過調制方法，實現交流電 機弱磁區輸出轉矩的提化具有母線電壓利用率高、輸出轉矩提升大和電流響應速度快等 優點。
[0011] 本發明的目的可W通過W下技術方案來實現：
[0012] 一種基于改進過調制提升交流電機轉矩輸出能力的方法包括：
[001引步驟S1 ;MTPA+弱磁控制器根據電機電磁轉矩T/獲得dq軸電流指令i/、i。％采集 逆變器=相輸出電流i。、ib、i。和交流電機轉子旋轉角度0t經坐標變換后得到dq軸電流 分量id、iq;
[0014] 步驟52;電流口1調節器根據1/、1。\14、1。輸出(19軸電壓矢量。4、叫；
[0015] 步驟S3 ;判斷交流電機是否運行在非弱磁區，若是，Ud、U。經坐標變換后得到a0 軸電壓矢量U。、Up，若否，Ud、U。經過電壓優化方法獲得dq軸優化電壓矢量Uh、U。。，Ud。、U。。 經坐標變換后得到U。、Up;
[001引步驟S4 ;根據U。、Up大小劃分為不同調制區，由U。、Up輸出修正后的dq軸電壓 矢量U/、U。*;
[0017] 步驟S5 ;U/、Uqt圣坐標變換后進行空間電壓矢量調制，產生開關動作信號來控制 逆變器中IGBT的通斷。
[0018] 所述電壓優化方法獲得的dq軸優化電壓矢量Uh、U。。滿足W下公式：
[001引Ujn]=Ud[n]+-AU/[n-U
[0020] Uqn[n] =Uq[n] +AUq*[n-：L]
[0021] 式中，
[0022] Ud[n]、Uq[n]為當前控制周期電壓矢量的交直軸分量；
[002引 Uh[n]、Uq"[n]為當前控制周期優化電壓矢量的交直軸分量；
[0024]AU/[n-U和AUq*[n-U為前一控制周期中電壓參考矢量和優化電壓矢量之間的 電壓差。
[0025] 所述步驟S3中根據信號Uk的值來判斷交流電機是否運行在非弱磁區，當電機參 考電壓矢量U大于或等于時，Uk為1，交流電機運行在弱磁區，而當電機參考電壓矢 量叫、于1/>盡0',,時，&為0，交流電機運行在非弱磁區，其中，Ud。為直流母線電壓的幅值， U表示為U。、Up合成矢量的幅值。
[0026] 所述步驟S4具體為；根據電壓矢量U。、Up與由基本電壓矢量構成的正六邊形之 間位置的不同，將電機運行區域劃分為四個調制區間，分別在各自區間進行調制，輸出修正 后的dq軸電壓矢量Ud*、U。*，包括：
[0027] (1)恒定轉矩區：當0 < 〇' < 時，采用傳統SVPWM調制方法進行調制；
[002引 似過調制一區：當1/^^1/3。^^/<2/3/7,/,時，采用最小相位跟隨過調制方法進行 調制；
[002引 做過調制二區：當2/3G'a.<(./<4/3^(./,/,時，采用幅值跟隨過調制方法進行調 制；
[0030] (4)六拍運行區；當[/>4/3^/^レ',/,.時，采用六拍運行控制方法進行調制；
[0031] 其中，Ud。為直流母線電壓的幅值，U為電機參考電壓矢量的大小，表示為U"、Up合 成矢量的幅值。
[0032] 所述最小相位跟隨過調制方法為；保持U的相角不變來截取U，使其末端位于正六 邊形邊界上，形成新的電壓矢量為護，即用U*來替代原矢量U，U*對應U/、U。*合成矢量。
[0033] 所述幅值跟隨過調制方法為：將U在由基本電壓矢量構成的正六邊形上進行投影 修正，形成新的參考空間電壓矢量護，即用U*來替代U，U*對應U/、U。*合成矢量；
[0034] 當新合成的電壓矢量位于正六邊形邊界的延長線上時，用最靠近護的基本電壓矢 量心替代Ut作為新的電壓矢量，U對應U/、U。*^成矢量。
[00巧]所述六拍運行控制方法為；隨著電壓矢量U的旋轉，用最靠近U的基本電壓矢量Ui>替原來的U，U1語行軌跡在正六邊形的每個頂點都停留1/6周期，U對應U/、u。*^成 矢量。
[0036] 與現有技術相比，本發明適用于電動汽車和軌道交通等W交流電機為控制核屯、的 領域，具有W下優點：
[0037] 1)當電機運行在弱磁區時，在電流PI調節器輸出的電壓值的基礎上，根據電壓優 化方法計算得到優化后的電壓矢量。再通過化/2s變換，將二相同步旋轉坐標系下的電壓 轉換到二相靜止坐標系下，經過本文改進的過調制及六拍運行算法，拓展電壓矢量的運行 區域，提高母線電壓利用率，實現電機轉矩的提高，電流響應速度快。
[003引 2)本發明的控制方法可W方便的疊加在交流電機矢量控制算法中，直接實現弱磁 區輸出轉矩的提升。
[0039] 3)本發明采用的控制策略能夠在弱磁區提升轉矩的輸出能力，對解決交流電機在 弱磁區面臨的轉矩輸出小問題提供了理論指導和實際意義。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發明方法應用于交流電機矢量控制系統框圖；
[0041] 圖2為電壓優化方法框圖；
[0042] 圖3為電壓優化方法中矢量合成示意圖；
[0043] 圖4為過調制方法示意圖；
[0044] 其中，（4a)為最小相位誤差過調制方法示意圖，（4b)為幅值跟隨過調制方法示意 圖，（4c)為幅值跟隨過調制方法中夾角處修正示意圖，（4d)為六拍運行控制方法示意圖；
[0045] 圖5為本發明方法與傳統SVPWM控制方法的輸出特性曲線對比圖；
[0046] 其中，巧a)為兩種控制策略下的轉矩與轉速平均變化曲線，巧b)為兩種控制策略 下的功率與轉速平均變化曲線。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例W本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0048]圖1是交流電機矢量控制系統圖，其中永磁同步電機控制系統的核屯、算法為矢量 控制，逆變器輸出的=相電流驅動電機的旋轉，本發明一種基于改進過調制提升交流電機 轉矩輸出能力的方法是在矢量控制基礎上，加入電壓優化和過調制及六拍運行狀態算法環 節，實現在弱磁區輸出轉矩的提升。具體包括：
[004引步驟S1 ;MTPA+弱磁控制器根據電機電磁轉矩T/獲得dq軸電流指令i/、i。％采集 逆變器=相輸出電流i。、ib、i。和交流電機轉子旋轉角度0t經坐標變換后得到dq軸電流 分量id、i。。其中，Ud。、U。。、U/、U/反饋回MTPA+弱磁控制器，用于電機的弱磁時產生弱磁 增量。其中，MTPA+弱磁控制器采用MTPA(MaximumTorquePerAmpere,最大轉矩電流比） 控制方法。
[0050]步驟S2 ;電流PI調節器根據i/、i。％id、i。輸出dq軸電壓矢量Ud、U。。
[0051] 步驟S3 ;根據信號Uk的值來判斷交流電機是否運行在非弱磁區，當電機參考電壓 矢量U小于時，Uk為0,交流電機運行在非弱磁區，Ud、U。經坐標變換后得到a0軸 電壓矢量U。、Up，當電機參考電壓矢量U大于或等于.時，Uk為1，交流電機運行在弱 磁區，叫、U。經過電壓優化方法獲得dq軸優化電壓矢量Uh、U。。，Uh、U。。經坐標變換后得到U。、Up,其中，叫。為直流母線電壓的幅值，U表示為U。、Up合成矢量的幅值。如圖2所示， yl.、-2+/計算框表示求兩數平方和根，Ud、U。的平方和的根即為參考電壓矢量U，U。、Up與 叫、U。合成矢量的幅值的值相等，Z為延遲一周期，Uk根據不同計算的結果，用于判斷是否 進入弱磁區域。
[0052] 電壓優化方法的作用是當電機工作在六拍運行狀態時，提高電流的動態響應速 度。圖2是電壓矢量優化算法框圖，根據框