一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法

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1.本发明属于永磁同步电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法。

背景技术：

2.对高性能交流传动系统来说，如何充分利用直流电压，以获得最大输出电磁转矩是一个很重要的因素。现有的永磁同步电机定子电压矢量限值，没有考虑到定子电压矢量的幅值要受到逆变器电压极限的制约，当逆变器电压饱和之后，继续提高转速只有靠调节直轴d轴和交轴q轴电流实现，经典的spwm算法的母线电压利用率有进一步提高的空间。

技术实现要素：

3.本发明目的是：提供一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的。
4.本发明的技术方案是：
5.一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，包括步骤：
6.s1、确定零矢量的作用时间t
null
：
[0007][0008]
其中，us是待合成电压矢量，t是一个pwm周期；va、vb是两个相邻的基本电压矢量，θ是us与va的夹角；
[0009]
s2、确定电压矢量幅值：
[0010][0011]
其中u
dc
为直流母线侧电压幅值；
[0012]
s3、确定电流极限圆及电压极限椭圆：
[0013]
永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值表示为：
[0014][0015]
其中，is为相电流；id为d轴电流；iq为q轴电流；i
lim
为相电流的幅值；
[0016]
永磁同步电机稳定运行时，电流矢量幅值表示为：
[0017][0018]
其中，ld为d轴电感；lq为q轴电感；ψf为磁链；ωe为转子转速；u
lim
为相电压的幅值；
[0019]
根据电压矢量幅值，电压极限椭圆和电流极限圆确定电压矢量的最大值。
[0020]
优选的，步骤s1中，所述永磁同步电机采用svpwm空间矢量脉宽调制，其母线电压利用率＝相电压有效值/母线电压。
[0021]
优选的，svpwm空间矢量脉宽调制中，由正弦定理得出：
[0022][0023]
ta、tb分别是va、vb的作用时间，解出：
[0024][0025][0026]
当ta+tb《t时，需要施加零矢量，以使控制周期保持恒定；
[0027]
得出零矢量的作用时间为：
[0028][0029]
优选的，步骤s2中，为了简化控制策略，将电压矢量幅值限制在：
[0030][0031]
优选的，步骤s3中，永磁同步电机的电压方程表示为：
[0032][0033][0034]
其中，ud为d轴电压；uq为q轴电压；r为定子电阻；p为极对数；
[0035]
当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：
[0036]
ud＝-ωel
qiq
[0037]
uq＝ωe(ldid+ψf)
[0038]
可得：
[0039][0040]
内置式永磁同步电机的ld≠lq，因此为一椭圆方程；当定子电压达到u
lim
时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内；转速ω0《ω1《ω2，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-ψf/ld，0)。
[0041]
本发明的优点是：
[0042]
本发明的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的，与经典spwm算法相比，svpwm算法的母线电压利用率提高了 15％。
附图说明
[0043]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0044]
图1为电压空间矢量合成示意图；
[0045]
图2为svpwm与正弦pwm电压空间矢量轨迹；
[0046]
图3为电压矢量最大值的限值。
具体实施方式
[0047]
本发明提出的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，包括以下 s1-s3步骤。
[0048]
s1、确定零矢量的作用时间：
[0049]
对svpwm技术的母线电压利用率进行推导。
[0050]
在svpwm控制中，由正弦定理可知：
[0051][0052]
式中，us是待合成电压矢量，t是一个pwm周期；va、vb是两个相邻的基本电压矢量，ta、tb是va、vb的作用时间；θ是us与va的夹角。
[0053]
从式(1)可解出：
[0054][0055][0056]
当ta+tb《t时，需要施加零矢量，以使控制周期保持恒定。零矢量的作用时间为：
[0057][0058]
s2、确定电压矢量幅值：
[0059]
在svpwm控制中，坐标系下基本电压矢量幅值为当参考电压空间矢量us的幅值增加时,ta、tb也逐渐增大，同时零矢量的作用时间t
null
逐渐缩短。但是要使得合成矢量在线性区内，就必须使t
null
为非负数，所以由式(4)可以得出：
[0060][0061]
由式(5)可以看出，等效的电压空间矢量的轨迹被限定在了基本电压矢量所组成的六边形内。为了简化控制策略，通常将这一限制缩小到了六边形的内切圆内，即：
[0062][0063]
图2给出了svpwm与正弦pwm电压空间矢量轨迹的比较。
[0064]
s3、电流极限圆及电压极限椭圆的确定：
[0065]
图3为受到逆变器最大输出电流及电机额定电流的限制，永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值可以表示为：
[0066]
[0067]is
：相电流；id：d轴电流；iq：q轴电流；i
lim
：相电流的幅值。
[0068]
如图1所示，作电流矢量限制轨迹在dq坐标系下作原点为圆心，is为半径的圆，称为电流极限圆。电机在稳定运行时，定子的电流矢量不能超出电流极限圆。
[0069]
对于采用svpwm(space vector pulse width modulation)空间矢量脉宽调制的永磁同步电机来说，u
dc
为直流母线侧电压。
[0070]
永磁同步电机的电压方程可以表示为：
[0071][0072][0073]
ud：d轴电压；uq：q轴电压；r：定子电阻；ψf：磁链；p：极对数；ld： d轴电感；lq：q轴电感；ωe：转子转速。
[0074]
当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：
[0075]
ud＝-ωel
qiq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0076]
uq＝ωe(ldid+ψf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0077]
将式(10)、(11)代入式(7)，可得：
[0078][0079]
而对于内置式永磁同步电机来说，ld≠lq，因此为一椭圆方程。由电压极限椭圆方程可知，当定子电压达到u
lim
时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内。定子电流矢量限制范围示意图如图1所示。转速ω0《ω1《ω2，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-ψf/ld，0)。
[0080]
根据电压矢量幅值，电压极限椭圆和电流极限圆确定电压矢量的最大值。
[0081]
由于采用恒幅值原则(电压空间矢量的幅值等于相电压的幅值)，因此 svpwm算法的母线电压利用率为：
[0082][0083]
而经典spwm算法的母线电压利用率为：
[0084][0085]
与经典spwm算法相比，svpwm算法的母线电压利用率提高了15％。
[0086]
具体实施时，本发明考虑到定子电压矢量的幅值要受到逆变器电压极限的制约，
故根据定子电压矢量是否超出电压极限椭圆，来对电流环的主要输出量，即d轴电压指令mct_usdpi_sw和q轴电压指令mct_usqpi_sw进行限制。
[0087]
具体实现过程如下：
[0088]
1、在程序中，利用公式来计算定子电压矢量最大幅值，具体实现过程为：将母线电压isc_udclnk进行标准化处理(即除以1024)后，送入滤波模块pt1nrm进行滤波，得到udclnknrmflt，将其除以得到 usmaxnrmflt，再乘以1024，得到usmax，取倒数得到1divusmax。
[0089]
2、将d轴电压目标值usdpi和q轴电压目标值usqpi分别除以usmax进行标准化处理后，从标准值和限制值xlim_c中取最大值，然后对该最大值的平方根值取倒数，再除以8，得到usmax/us，从该值和限制值cmax_p中取最小值，得到usmaxdivuslim。
[0090]
3、判断(usmaxdivuslim*usdqscalmax_p
–
1)《0是否成立：
[0091]
如果不成立，说明定子电压矢量的幅值没有超出电压极限椭圆，就将 buslimactv置false，然后直接把从电流环得到的usdpiscal(usdpi/umax) 和usqpiscal(usqpi/umax)赋给mct_usdscal和mct_usqscal；如果成立，说明定子电压矢量的幅值已超出电压极限椭圆，就将buslimactv置true，并对d、q轴电压指令进行限制：先判断buseusdqset_sw的值，若为1，就将提前设置好的参数usdscalset_p和usqscalset_p赋给mct_usdscal和 mct_usqscal，否则将usdpiscal*cscal和usqpiscal*cscal赋给mct_usdscal 和mct_usqscal。
[0092]
4、将usresscal，即(usmaxdivuslim*usdqscalmax_p
–
1)，buslimactv， mct_usdscal和mct_usqscal作为本模块的输出量。
[0093]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，其特征在于，包括步骤：s1、确定零矢量的作用时间t
null
：其中，u
s
是待合成电压矢量，t是一个pwm周期；v
a
、v
b
是两个相邻的基本电压矢量，θ是u
s
与v
a
的夹角；s2、确定电压矢量幅值：其中u
dc
为直流母线侧电压幅值；s3、确定电流极限圆及电压极限椭圆：永磁同步电机稳定工作时，电流矢量幅值表示为：其中，i
s
为相电流；i
d
为d轴电流；i
q
为q轴电流；i
lim
为相电流的幅值；永磁同步电机稳定运行时，电流矢量幅值表示为：其中，l
d
为d轴电感；l
q
为q轴电感；ψ
f
为磁链；ω
e
为转子转速；u
lim
为相电压的幅值；根据电压矢量幅值，电压极限椭圆和电流极限圆确定电压矢量的最大值。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，其特征在于，步骤s1中，所述永磁同步电机采用svpwm空间矢量脉宽调制，其母线电压利用率＝相电压有效值/母线电压。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，其特征在于，svpwm空间矢量脉宽调制中，由正弦定理得出：t
a
、t
b
分别是v
a
、v
b
的作用时间，解出：的作用时间，解出：当t
a
+t
b
<t时，需要施加零矢量，以使控制周期保持恒定；得出零矢量的作用时间为：4.根据权利要求3所述的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，其特征在于，步
骤s2中，为了简化控制策略，将电压矢量幅值限制在：5.根据权利要求4所述的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，其特征在于，步骤s3中，永磁同步电机的电压方程表示为：永磁同步电机的电压方程表示为：其中，u
d
为d轴电压；u
q
为q轴电压；r为定子电阻；p为极对数；当永磁同步电机稳定运行时，且忽略定子电阻和电感压降，电压方程简化为：u
d
＝-ω
e
l
q
i
q
u
q
＝ω
e
(l
d
i
d
+ψ
f
)可得：内置式永磁同步电机的l
d
≠l
q
，因此为一椭圆方程；当定子电压达到u
lim
时，定子电流的运行轨迹受限于转速，即在一定的转速下，定子电流只能在该对应椭圆轨迹内；转速ω0<ω1<ω2，随着转速的不断增加，电压极限椭圆不断减小，最终指向(-ψ
f
/l
d
，0)。

技术总结

本发明公开了一种永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，包括步骤：S1、确定零矢量的作用时间；S2、确定电压矢量幅值；S3、确定电流极限圆及电压极限椭圆；根据电压矢量幅值，电压极限椭圆和电流极限圆确定电压矢量的最大值。本发明的永磁同步电机定子电压矢量限值的计算方法，通过增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，同时保证电流矢量都在极限范围内，来达到弱磁扩速的最终目的，与经典SPWM算法相比，SVPWM算法的母线电压利用率提高了15%。15%。15%。