过调制时单PI电流环的弱磁控制方法、装置与流程

本发明涉及永磁同步电机领域，特别涉及一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法、一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置和一种永磁同步电机的控制系统。

背景技术：

PMSM(permanent magnet synchronous motor，永磁同步电机)控制中需要经典的三环控制，即一个速度环、D轴电流环、Q轴电流环，如图1所示。

永磁同步电机D、Q轴的电压方程为：

电磁转矩为：

其中，T_e为永磁同步电机的电磁转矩，P_n为永磁同步电机的极对数，为永磁体磁链，I_q为Q轴电流，Id为D轴电流，Lq、Ld分别为D、Q轴电感。R为相电阻，p为微分算子，ω为电角速度，Ud和Uq分别为D轴电压和Q轴电压。

在弱磁时，直接对上述电压方程进行处理，去除微分量，得到：

由于D、Q轴是互相耦合的，所以D、Q轴电流不能独立通过对应的电流环求出。且在深度弱磁和过调制结合时，可能会导致高频运行失步、产生大电流等问题，严重影响永磁同步电机的稳定运行。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法，该方法能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，简化PMSM控制系统。

本发明的第二个目的在于提出一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置。

本发明的第三个目的在于提出一种永磁同步电机的控制系统。

为达到上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法，包括以下步骤：获取所述永磁同步电机的过调制系数KH，并计算所述永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量中的两个基本有效矢量的作用时间T1和T2；根据所述过调制系数KH、所述两个基本有效矢量的作用时间T1和T2判断是否控制所述永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式；当所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据所述D轴电流给定和所述永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，以及根据所述D轴电压和所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对所述永磁同步电机进行弱磁控制。

本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法，根据过调制系数、两个基本有效矢量的作用时间控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式，将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，进而根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控。由此，能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，简化PMSM控制系统。

另外，根据本发明上述实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，根据所述过调制系数KH、所述两个基本有效矢量的作用时间T1和T2判断是否控制所述永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式，包括：计算T1与T2之和，并对所述T1与T2之和进行低通滤波处理以获得开启时刻Ton；判断所述开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和是否大于所述过调制系数KH；如果所述开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和大于所述过调制系数KH，则控制所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

根据本发明的一个实施例，所述过调制系数KH满足关系式：1＞KH＞0.8666。

根据本发明的一个实施例，还通过所述永磁同步电机的母线电压计算所述永磁同步电机的端子间电压最大值Vsmax，并根据所述端子间电压最大值Vsmax和所述过调制系数KH对所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压进行限制处理。

根据本发明的一个实施例，在所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，还包括：根据所述端子间电压最大值Vsmax和所述过调制系数KH以及所述永磁同步电机的D轴电感、所述永磁同步电机的电角速度、所述永磁同步电机的永磁体磁链计算所述永磁同步电机退出所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流I_切出；判断所述D轴电流给定是否大于所述切出电流I_切出；如果所述D轴电流给定大于所述切出电流I_切出，则控制所述永磁同步电机退出所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置，包括：获取模块，用于获取所述永磁同步电机的过调制系数KH；计算模块，用于计算所述永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量中的两个基本有效矢量的作用时间T1和T2；判断模块，用于根据所述过调制系数KH、所述两个基本有效矢量的作用时间T1和T2判断是否控制所述永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式；弱磁控制模块，用于在所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式时将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据所述D轴电流给定和所述永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，以及根据所述D轴电压和所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对所述永磁同步电机进行弱磁控制。

本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置，通过判断模块根据过调制系数、两个基本有效矢量的作用时间判断永磁同步电机是否进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式，在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，通过弱磁控制模块将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，进而根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，简化PMSM控制系统。

另外，根据本发明上述实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述计算模块还用于计算T1与T2之和，并通过低通滤波器对所述T1与T2之和进行低通滤波处理以获得开启时刻Ton，所述判断模块进一步用于判断所述开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和是否大于所述过调制系数KH，其中，在所述开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和大于所述过调制系数KH时，所述弱磁控制模块控制所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

根据本发明的一个实施例，所述过调制系数KH满足关系式：1＞KH＞0.8666。

根据本发明的一个实施例，所述装置，还包括：Q轴电压限制模块，所述Q轴电压限制模块通过所述永磁同步电机的母线电压计算所述永磁同步电机的端子间电压最大值Vsmax，并根据所述端子间电压最大值Vsmax和所述过调制系数KH对所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压进行限制处理。

根据本发明的一个实施例，在所述永磁同步电机进入所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，所述计算模块还根据所述端子间电压最大值Vsmax和所述过调制系数KH以及所述永磁同步电机的D轴电感、所述永磁同步电机的电角速度、所述永磁同步电机的永磁体磁链计算所述永磁同步电机退出所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流I_切出，所述判断模块还用于判断所述D轴电流给定是否大于所述切出电流I_切出，其中，在所述D轴电流给定大于所述切出电流I_切出时，所述弱磁控制模块控制所述永磁同步电机退出所述过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

进一步地，本发明提出了一种永磁同步电机的控制系统，其包括本发明上述实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置。

本发明实施例的永磁同步电机的控制系统，通过上述永磁同步电机过调制时的单PI电流环的弱磁控制装置，不仅能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，还能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，且结构简单。

附图说明

图1是永磁同步电机控制中三环(速度环、D轴电流环、Q轴电流环)控制的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法的流程图。

图3是根据本发明实施例的永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量的示意图；

图4是根据本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置的结构框图；

图6是根据本发明另一个实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法、装置和永磁同步电机的控制系统。

图2是根据本发明一个实施例永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法。如图2所示，该控制方法包括以下步骤：

S1，获取永磁同步电机的过调制系数KH，并计算永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量中的两个基本有效矢量的作用时间T1和T2。

其中，过调制系数KH满足关系式：1＞KH＞0.8666。

具体地，如图3所示，U0、U60、U120、U180、U240、U300为永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量，并组成六个扇区。

举例而言，当输出电压Uout落在U0、U60组成的扇区时，存在下式(1)：

其中，T1和T2分别为在一个载波周期T内基本有效矢量U0、U60的作用时间，T0为零矢量的作用时间。

α、β静止坐标系下的投影为：

对作用时间进行归一化处理，即令T＝1，则有：

需要说明的是，任意两个相邻基本有效矢量的作用时间T1和T2的计算方法对本领域的技术人员而言是已知的，在此不做赘述。

S2，根据过调制系数KH、两个基本有效矢量的作用时间T1和T2判断是否控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

具体地，计算T1与T2之和，并对T1与T2之和进行低通滤波处理以获得开启时刻Ton；判断开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和是否大于过调制系数KH；如果开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和大于过调制系数KH，则控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

需要说明的是，由于T1+T2的值总是在波动，故可以对T1与T2之和进行低通滤波处理，进而获得开启时刻Ton＝Lowpass(T1+T2)。

S3，当永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，以及根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控制。

具体地，如图4所示，永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，将速度环的输出作为D轴电流给定Idref，并根据D轴电流给定Idref和永磁同步电机的D轴反馈电流Id_fbk进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压Ud，以及根据D轴电压Ud和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压Uq对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，能够实现永磁同步电机过调制和弱磁时的稳定运行。

在本发明的一个实施例中，为了防止母线电压变化时Q轴电压给定偏差过大，还通过永磁同步电机的母线电压计算永磁同步电机的端子间电压最大值Vsmax，并根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH对永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压进行限制处理。

具体地，可通过式(4)计算Vsmax，进而根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH对永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压Uq进行限制处理，可以是Uq≤Vsmax*KH/0.866。

其中，Udc为母线电压，Vsmax为端子间电压最大值。

进一步地，在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH以及永磁同步电机的D轴电感、永磁同步电机的电角速度、永磁同步电机的永磁体磁链计算永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流I_切出；判断D轴电流给定是否大于切出电流I_切出；如果D轴电流给定大于切出电流I_切出，则控制永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

具体地，可通过下式(5)计算切出电流I_切出：

其中，Ld为永磁同步电机的D轴电感，w为永磁同步电机的电角速度，为永磁同步电机的永磁体磁链。

需要说明的是，当Idref<0时，认为是弱磁，电压矢量削弱；当Idref>0时，认为是增磁，电压矢量增强。

综上，本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制方法，根据过调制系数、两个基本有效矢量的作用时间控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式，将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，进而根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控制，以及通过永磁同步电机的母线电压计算永磁同步电机的端子间电压最大值，并在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，根据端子间电压最大值和过调制系数以及永磁同步电机的D轴电感、永磁同步电机的电角速度、永磁同步电机的永磁体磁链计算永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流，并根据D轴电流给定和切出电流控制永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式。由此，能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，简化PMSM控制系统。

图5是根据本发明一个实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置的结构框图。如图5所示，该装置包括：获取模块10、计算模块20、判断模块30和弱磁控制模块40。

其中，获取模块10用于获取永磁同步电机的过调制系数KH。计算模块20用于计算永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量中的两个基本有效矢量的作用时间T1和T2。判断模块30用于根据过调制系数KH、两个基本有效矢量的作用时间T1和T2判断是否控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式。弱磁控制模块40用于在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，以及根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控制。

其中，过调制系数KH满足关系式：1＞KH＞0.8666。

具体地，如图3所示，U0、U60、U120、U180、U240、U300为永磁同步电机进行SVPWM控制时的六个基本有效矢量，并组成六个扇区。

举例而言，当输出电压Uout落在U0、U60组成的扇区时，存在式(1)：

其中，T1和T2分别为在一个载波周期T内基本有效矢量U0、U60的作用时间，T0为零矢量的作用时间。

α、β静止坐标系下的投影为：

对作用时间进行归一化处理，即令T＝1，则有：

需要说明的是，任意两个相邻基本有效矢量的作用时间T1和T2的计算方法对本领域的技术人员而言是已知的，在此不做赘述。

在本发明的一个实施例中，计算模块20还用于计算T1与T2之和，并通过低通滤波器对T1与T2之和进行低通滤波处理以获得开启时刻Ton。

进一步地，判断模块30用于判断开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和是否大于过调制系数KH，其中，在开启时刻Ton与六个死区时间Tdead之和大于过调制系数KH时，弱磁控制模块40控制永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

需要说明的是，由于T1+T2的值总是在波动，故可以对T1与T2之和进行低通滤波处理，进而获得开启时刻Ton＝Lowpass(T1+T2)。

如图4所示，永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，弱磁控制模块40将速度环的输出作为D轴电流给定Idref，并根据D轴电流给定Idref和永磁同步电机的D轴反馈电流Id_fbk进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压Ud，以及根据D轴电压Ud和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压Uq对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，能够实现永磁同步电机过调制和弱磁时的稳定运行。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，为了防止母线电压变化时Q轴电压给定偏差过大，本发明实施例的装置还包括：Q轴电压限制模块50。

其中，Q轴电压限制模块50通过永磁同步电机的母线电压计算永磁同步电机的端子间电压最大值Vsmax，并根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH对永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压进行限制处理。

具体地，可通过式(4)计算Vsmax，进而根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH对永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压Uq进行限制处理，可以是Uq≤Vsmax*KH/0.866。

进一步地，在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，计算模块20还根据端子间电压最大值Vsmax和过调制系数KH以及永磁同步电机的D轴电感、永磁同步电机的电角速度、永磁同步电机的永磁体磁链计算永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流I_切出。判断模块30还用于判断D轴电流给定是否大于切出电流I_切出，其中，在D轴电流给定大于切出电流I_切出时，弱磁控制模块40控制永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式。

具体地，可通过下式(5)极端切出电流I_切出：

其中，Ld为永磁同步电机的D轴电感，w为永磁同步电机的电角速度，为永磁同步电机的永磁体磁链。

需要说明的是，当Idref<0时，认为是弱磁，电压矢量削弱；当Idref>0时，认为是增磁，电压矢量增强。

综上，本发明实施例的永磁同步电机过调制时单PI电流环的弱磁控制装置，通过判断模块根据过调制系数、两个基本有效矢量的作用时间判断永磁同步电机是否进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式，在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式时，通过弱磁控制模块将速度环的输出作为D轴电流给定，并根据D轴电流给定和永磁同步电机的D轴反馈电流进行D轴PI电流环调节以获得D轴电压，进而根据D轴电压和永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之前的Q轴电压对永磁同步电机进行弱磁控制，以及通过计算模块根据永磁同步电机的母线电压计算永磁同步电机的端子间电压最大值，并在永磁同步电机进入过调制与单PI电流环弱磁控制模式之后，通过计算模块根据端子间电压最大值和过调制系数以及永磁同步电机的D轴电感、永磁同步电机的电角速度、永磁同步电机的永磁体磁链计算永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式的切出电流，并通过判断模块根据D轴电流给定和切出电流判断永磁同步电机是否退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式，并在D轴电流给定大于切出电流时，通过弱磁控制模块控制永磁同步电机退出过调制与单PI电流环弱磁控制模式。由此，能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，简化了PMSM控制系统。

进一步地，本发明提出了一种永磁同步电机的控制系统，其包括本发明上述实施例的永磁同步电机过调制时的单PI电流环的弱磁控制装置。

本发明实施例的永磁同步电机的控制系统，通过上述永磁同步电机过调制时的单PI电流环的弱磁控制装置，能够使永磁同步电机在过调制和弱磁时稳定运行，且能够有效解决D、Q轴互相耦合的问题，结构简单。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。