永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置与流程

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法、一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置以及一种永磁同步电机系统。

背景技术：

永磁同步电机以其控制性能好、功率密度高、节能等特点，已经在各行各业中得到广泛应用。其中，在很多应用场合中，要求永磁同步电机运行在高频范围，继而运行在弱磁区间，例如基于永磁同步电机的变频压缩机、基于永磁同步电机的风机等。

相关技术中的弱磁控制方法大多采用对输出电压幅值闭环反馈进行弱磁电流调节。但是其存在的问题是，限制D轴电压，造成弱磁电流(D轴电流)跟踪不好，影响弱磁控制性能。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关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系统的弱磁控制方法，能够保持D轴电流的完全跟踪，改善弱磁控制性能。

本发明的另一个目的在于提出一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置。本发明的又一个目的在于提出一种永磁同步电机系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法，包括以下步骤：获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q；获取输出电压限制阈值，并根据所述D轴输出电压和所述输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值；根据所述Q轴输出电压u_q和所述Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。

根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，先获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q，然后获取输出电压限制阈值，并根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，进而根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，本发明实施例的方法采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

根据本发明的一个实施例，获取所述输出电压限制阈值，包括：获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，并根据D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q获取期望输出电压u_s或根据所述α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β获取期望输出电压u_s；根据所述期望输出电压u_s和所述永磁同步电机系统的直流母线电压计算所述输出电压限制阈值。

根据本发明的一个实施例，所述输出电压限制阈值小于等于所述永磁同步电机系统的直流母线电压的倍。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式获取所述Q轴电压限制阈值：

其中，u_qlim为所述Q轴电压限制阈值，u_lim为所述输出电压限制阈值，u_d为所述D轴输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述Q轴输出电压u_q和所述Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，包括：获取所述Q轴电压限制阈值与所述Q轴输出电压u_q的幅值之间的电压差值；根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。

根据本发明的一个实施例，在根据所述Q轴输出电压u_q和所述Q轴电压限制阈值生成弱磁电流后，所述方法还包括：根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限制，以使所述永磁同步电机系统根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。

根据本发明的一个实施例，弱磁控制带宽小于所述D轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置，包括：第一获取模块，用于获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q；第二获取模块，用于获取输出电压限制阈值；弱磁控制模块，用于根据所述D轴输出电压和所述输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，并根据所述Q轴输出电压u_q和所述Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将所述弱磁电流叠加至所述永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。

根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，先通过第一获取模块获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q，并通过第二获取模块获取输出电压限制阈值，进而弱磁控制模块根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，并根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，本发明实施例的装置采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

根据本发明的一个实施例，所述第二获取模块进一步用于，获取所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，并根据D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q获取期望输出电压u_s或根据所述α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β获取期望输出电压u_s，并根据所述期望输出电压u_s和所述永磁同步电机系统的直流母线电压计算所述输出电压限制阈值。

根据本发明的一个实施例，所述输出电压限制阈值小于等于所述永磁同步电机系统的直流母线电压的倍。

根据本发明的一个实施例，所述弱磁控制模块根据以下公式获取所述Q轴电压限制阈值：

其中，u_qlim为所述Q轴电压限制阈值，u_lim为所述输出电压限制阈值，u_d为所述D轴输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述弱磁控制模块进一步用于，获取所述Q轴电压限制阈值与所述Q轴输出电压u_q的幅值之间的电压差值，并根据所述电压差值和预设PI控制模型生成所述弱磁电流。

根据本发明的一个实施例，在根据所述Q轴输出电压u_q和所述Q轴电压限制阈值生成弱磁电流后，所述弱磁控制模块还根据预设限幅模型对所述弱磁电流进行限制，以使所述永磁同步电机系统根据限幅后的所述弱磁电流进行弱磁控制。

根据本发明的一个实施例，弱磁控制带宽小于所述D轴电流闭环带宽且大于输入至所述永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。

为达到上述目的，本发明又一方面实施例提出的一种永磁同步电机系统，包括所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。

根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统，通过上述的弱磁控制装置，采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的永磁同步电机的控制电路的拓扑示意图；

图3是根据本发明一个实施例的旋转坐标系与静止坐标系的关系示意图；

图4是根据本发明一个实施例的空间电压调制的示意图；

图5是根据本发明另一个实施例的空间电压调制的示意图；

图6是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的控制框图；

图7是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的矢量控制框图，其中，永磁同步电机为表贴式永磁同步电机；

图8是根据本发明一个实施例的永磁同步电机系统的矢量控制框图，其中，永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机；以及

图9是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置的方框示意图。

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。

下面参考附图来描述本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法、永磁同步电机系统的弱磁控制装置以及永磁同步电机系统。

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，永磁同步电机系统可包括控制芯片、驱动单元、电解电容和永磁同步电机。其中，电解电容并联在驱动单元的输入端，驱动单元的输出端与永磁同步电机相连，驱动单元用于驱动永磁同步电机；控制芯片用于通过电流检测单元检测永磁同步电机的相电流，并根据永磁同步电机的相电流输出驱动信号至驱动单元，以通过驱动单元控制永磁同步电机的运行。根据本发明的一个具体示例，电流检测单元可包括三个(或者两个)电流传感器。驱动单元可以为由6个IGBT组成的三相桥式驱动电路、或者由6个MOSFET组成的三相桥式驱动电路、或者采用智能功率模块IPM，同时每个IGBT或MOSFET具有相应的反并联二极管。

S2：获取输出电压限制阈值，并根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值。

其中，可根据永磁同步电机系统的直流母线电压和调制方法设定输出电压限制阈值u_lim，例如，根据驱动器对应控制方法与调制方法能够输出的最大电压幅值设置输出电压限制阈值u_lim。输出电压限制阈值u_lim的具体获取方式在后续的实施例中描述。

具体地，可根据以下公式获取Q轴电压限制阈值：

其中，u_qlim为Q轴电压限制阈值，u_lim为输出电压限制阈值，u_d为D轴输出电压。

S3：根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。

也就是说，可根据D轴输出电压u_d与输出电压限制阈值u_lim计算Q轴电压限制阈值u_qlim，即然后根据Q轴输出电压u_q与Q轴电压限制阈值u_qlim进行弱磁控制。

根据本发明的一个具体实施例，根据所述Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，包括：获取Q轴电压限制阈值与Q轴输出电压u_q的幅值之间的电压差值；根据电压差值和预设PI控制模型生成弱磁电流。

需要说明的是，预设PI控制模型中的比例参数可为零，此时预设PI控制模型仅为积分模型，可对电压差值进行积分控制；预设PI控制模型中的比例参数也可不为零，此时预设PI控制模型为比例-积分模型，可对电压差值进行比例-积分控制。

也就是说，如图6所示，可根据D轴输出电压u_d与输出电压限制阈值u_lim计算Q轴电压限制阈值u_qlim，即然后将Q轴电压限制阈值u_qlim减去Q轴电压u_q以得到弱磁控制的电压差值Δu，即Δu＝u_qlim-u_q，并对电压差值Δu进行纯积分控制或者比例-积分控制以调节弱磁电流。

进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流后，方法还包括：根据预设限幅模型对弱磁电流进行限制，以使永磁同步电机系统根据限幅后的弱磁电流进行弱磁控制。

也就是说，经预设PI控制模型输出的弱磁电流，可再经过预设限幅模型即限幅环节的限幅以得到限幅后的弱磁电流i_fwc，进而根据限幅后的弱磁电流i_fwc进行弱磁控制例如将限幅后的弱磁电流i_fwc叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，其中，限幅环节的上限可为零、限幅环节的下限可为d轴电流的最小值i_{d_min}。

下面描述获取输出电压限制阈值u_lim的两种实施例。

在本发明的一个实施例中，可根据直流母线电压设定输出电压限制阈值u_lim。具体地，输出电压限制阈值小于等于永磁同步电机系统的直流母线电压的倍。其中，

也就是说，输出电压限制阈值u_lim可设定为不超过直流母线电压u_dc的0.577倍的数值，即u_lim≤0.577u_dc。

在本发明的另一个实施例中，可根据旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β设定输出电压限制阈值u_lim。具体地，获取输出电压限制阈值，包括：获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，并根据D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q获取期望输出电压或根据α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β获取期望输出电压根据期望输出电压和永磁同步电机系统的直流母线电压计算输出电压限制阈值。

其中，如图3所示，旋转坐标系下可具有d轴(直轴)和q轴(交轴)，期望输出电压可为d轴上的D轴输出电压u_d与q轴上的Q轴输出电压u_q合成的电压矢量。另外，根据永磁同步电机的转子的估计角度θ_e对D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q进行逆park坐标转换以获得静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，静止坐标系下可具有α轴和β轴，期望输出电压也可为α轴输出电压u_α与β轴输出电压u_β合成的电压矢量。具体地，根据旋转坐标系下输出电压u_d/u_q或者静止坐标系下输出电压u_α/u_β计算期望输出电压的幅值u_s为，

进一步地，根据期望输出电压和永磁同步电机系统的直流母线电压计算输出电压限制阈值，包括：获取旋转坐标系下期望输出电压的矢量方向上的最大输出电压或者静止坐标系下期望输出电压的矢量方向上的最大输出电压；将旋转坐标系下的最大输出电压或静止坐标系下的最大输出电压作为输出电压限制阈值u_lim。

具体来说，可以为2/3倍的直流母线电压即为基本电压矢量构造电压空间，如图4和图5所示，正六边形边界及其内部区域为电压空间，可根据该电压空间获取期望输出电压(或者表示为u_d/u_q，或者表示为u_α/u_β)矢量方向上能够输出的最大电压，即期望输出电压与电压空间边界(正六边形)的交点形成的电压矢量幅值。

具体地，如图4所示，如果期望输出电压位于电压空间内，则调制后的输出电压与期望输出电压一致，输出电压限制阈值u_lim可为期望输出电压延长线与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。

如图5所示，如果期望输出电压位于电压空间外，则调制后输出电压与期望输出电压不相同，输出电压限制阈值u_lim可为期望输出电压与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。

需要说明的是，上述两种获取输出电压限制阈值u_lim的方式可单独实施，也可结合在一起实施。在结合在一起实施时可根据永磁同步电机系统是否处于过调制区来选择对应的获取方式。

具体来说，可根据期望输出电压的幅值u_s判断永磁同步电机系统是否处于过调制区。当期望输出电压u_s的幅值大于直流母线电压u_dc的0.577倍时，判断永磁同步电机系统处于过调制区；当期望输出电压u_s的幅值小于或等于直流母线电压u_dc的0.577倍时，判断永磁同步电机系统处于线性调制区。

如果永磁同步电机系统处于过调制区，则结合图4和图5的实施例，根据旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β设定输出电压限制阈值u_lim；如果永磁同步电机系统处于线性调制区，则根据直流母线电压设定输出电压限制阈值u_lim，例如设定u_lim≤0.577u_dc。由此，将弱磁控制分为线性调制区的弱磁控制和过调制区的弱磁控制，当采用空间矢量脉宽调制算法且驱动器工作在线性调制区内而不进行过调制时，将输出电压限制阈值u_lim设置为u_lim≤0.577u_dc，并基于线性调制区对应的输出电压限制阈值u_lim进行弱磁控制；当采用空间矢量脉宽调制算法且驱动器可以工作在过调制区时，将输出电压限制阈值u_lim设置为期望输出电压u_s的矢量方向上能够输出的最大电压，并基于过调制区对应的输出电压限制阈值u_lim进行弱磁控制。

下面结合图6-8对永磁同步电机系统的弱磁控制流程进行详细描述，在本实施例中，以永磁同步电机的无传感器矢量控制为例进行描述，而永磁同步电机的有传感器矢量控制与本实施例并无区别，不再赘述。

在永磁同步电机的矢量控制中，速度校正单元根据给定转速与对估计转速进行速度校正例如进行比例-积分调节以获得给定转矩

在表贴式永磁同步电机中，根据给定转矩与转矩电流系数K_t计算给定转矩电流(即给定Q轴电流)给定直轴电流(即给定D轴电流)由弱磁电流i_fwc决定例如在内嵌式永磁同步电机中，转矩控制单元根据给定转矩转矩电流系数K_t以及弱磁电流i_fwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到给定交轴电流(给定Q轴电流)和给定直轴电流(给定D轴电流)

电流校正单元根据给定D轴电流和给定Q轴电流分别对直轴反馈电流i_d和交轴反馈电流i_q进行电流校正以获得直轴电压u_d和交轴电压u_q。然后，逆park坐标转换单元根据估计角度对直轴电压u_d和交轴电压u_q进行逆park坐标转换以获得α轴电压u_α与β轴电压u_β。进而空间矢量调制单元再对α轴电压u_α与β轴电压u_β进行SVM(Space Vetor Modulation，空间矢量调制)调制以生成PWM驱动信号；驱动单元根据PWM驱动信号驱动永磁同步电机。

通过电流检测单元采集永磁同步电机的三相电流，clarke坐标转换单元对三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流i_α/i_β；park坐标转换单元根据估计角度对两相电流i_α/i_β进行park坐标转换以获得直轴(D轴)反馈电流i_d和交轴(Q轴)反馈电流i_q。位置估计单元例如速度磁链观测器根据输出电压u_α/u_β和两相电流i_α/i_β以及电机参数(电机电阻R_s、直轴电感L_d和交轴电感L_q)通过无传感器估计算法估计转子的位置和速度以获得估计转速和估计电角度

另外，根据本发明的一个实施例，弱磁控制带宽小于D轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。具体地，可根据弱磁控制带宽设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。

在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流i_fwc叠加至D轴电流闭环，D轴电流闭环根据弱磁电流i_fwc对D轴反馈电路i_d进行调节，从而实现弱磁控制，同时速度闭环依然根据给定转速与对估计转速进行速度校正以获得给定转矩根据给定转矩与转矩电流系数K_t计算给定Q轴电流Q轴电流闭环依然是根据给定Q轴电流对交轴反馈电流i_q进行调节。

基于此，弱磁控制环路可将将Q轴电压限制阈值u_qlim减去Q轴电压u_q得到的电压差值Δu输入至通过弱磁PI控制器的输入端，经过弱磁PI控制器即预设PI控制模型输出弱磁电流i_fwc；弱磁电流i_fwc叠加至D轴电流闭环，经过D轴电流闭环的D轴电流控制模型对D轴反馈电路i_d进行调节。其中，弱磁控制环路的带宽即弱磁控制带宽满足，小于D轴电流闭环的带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数，以满足弱磁控制环路的带宽低于直轴电流闭环带宽且高于输入电源频率*2，从而，保证弱磁控制能够对直流母线电压波动做出足够快的响应。

综上，根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，先获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q，然后获取输出电压限制阈值，并根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，进而根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，本发明实施例的方法采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

图9是根据本发明实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置的方框示意图。根据本发明的一个实施例，如图2所示，永磁同步电机系统可包括控制芯片1、驱动单元2、电解电容EC和永磁同步电机3。其中，电解电容EC并联在驱动单元2的输入端，驱动单元2的输出端与永磁同步电机3相连，驱动单元2用于驱动永磁同步电机3；控制芯片1用于通过电流检测单元4检测永磁同步电机3的相电流，并根据永磁同步电机3的相电流输出驱动信号至驱动单元2，以通过驱动单元2控制永磁同步电机3的运行。根据本发明的一个具体示例，电流检测单元4可包括三个(或者两个)电流传感器。驱动单元2可以为由6个IGBT组成的三相桥式驱动电路、或者由6个MOSFET组成的三相桥式驱动电路、或者采用智能功率模块IPM，同时每个IGBT或MOSFET具有相应的反并联二极管。

如图9所示，本发明实施例的弱磁控制装置100包括：第一获取模块10、第二获取模块20和弱磁控制模块30。

其中，第一获取模块10用于获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q；第二获取模块20用于获取输出电压限制阈值；弱磁控制模块30用于根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，并根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。

其中，第二获取模块20可根据永磁同步电机系统的直流母线电压和调制方法设定输出电压限制阈值u_lim，例如，根据驱动器对应控制方法与调制方法能够输出的最大电压幅值设置输出电压限制阈值u_lim。输出电压限制阈值u_lim的具体获取方式在后续的实施例中描述。

具体地，弱磁控制模块30可根据以下公式获取Q轴电压限制阈值：

其中，u_qlim为Q轴电压限制阈值，u_lim为输出电压限制阈值，u_d为D轴输出电压。

也就是说，弱磁控制模块30可根据D轴输出电压u_d与输出电压限制阈值u_lim计算Q轴电压限制阈值u_qlim，即然后根据Q轴输出电压u_q与Q轴电压限制阈值u_qlim进行弱磁控制。

根据本发明的一个具体实施例，弱磁控制模块30进一步用于，获取Q轴电压限制阈值与Q轴输出电压u_q的幅值之间的电压差值，并根据电压差值和预设PI控制模型生成弱磁电流。

需要说明的是，预设PI控制模型中的比例参数可为零，此时预设PI控制模型仅为积分模型，可对电压差值进行积分控制；预设PI控制模型中的比例参数也可不为零，此时预设PI控制模型为比例-积分模型，可对电压差值进行比例-积分控制。

也就是说，如图6所示，弱磁控制模块30可根据D轴输出电压u_d与输出电压限制阈值u_lim计算Q轴电压限制阈值u_qlim，即然后将Q轴电压限制阈值u_qlim减去Q轴电压u_q以得到弱磁控制的电压差值Δu，即Δu＝u_qlim-u_q，并对电压差值Δu进行纯积分控制或者比例-积分控制以调节弱磁电流。

进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流后，弱磁控制模块30还根据预设限幅模型对弱磁电流进行限制，以使永磁同步电机系统根据限幅后的弱磁电流进行弱磁控制。

也就是说，经预设PI控制模型输出的弱磁电流，可再经过预设限幅模型即限幅环节的限幅以得到限幅后的弱磁电流i_fwc，进而根据限幅后的弱磁电流i_fwc进行弱磁控制例如将限幅后的弱磁电流i_fwc叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，其中，限幅环节的上限可为零、限幅环节的下限可为d轴电流的最小值i_{d_min}。

下面描述获取输出电压限制阈值u_lim的两种实施例。

在本发明的一个实施例中，第二获取模块20可根据直流母线电压设定输出电压限制阈值u_lim。具体地，输出电压限制阈值小于等于所述永磁同步电机系统的直流母线电压的倍。其中，

也就是说，输出电压限制阈值u_lim可设定为不超过直流母线电压u_dc的0.577倍的数值，即u_lim≤0.577u_dc。

在本发明的另一个实施例中，第二获取模块20进一步用于，获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，并根据D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q获取期望输出电压u_s或根据α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β获取期望输出电压u_s，并根据期望输出电压u_s和永磁同步电机系统的直流母线电压计算输出电压限制阈值。

其中，如图3所示，旋转坐标系下可具有d轴(直轴)和q轴(交轴)，期望输出电压可为d轴上的D轴输出电压u_d与q轴上的Q轴输出电压u_q合成的电压矢量。另外，根据永磁同步电机的转子的估计角度θ_e对D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q进行逆park坐标转换以获得静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β，静止坐标系下可具有α轴和β轴，期望输出电压也可为α轴输出电压u_α与β轴输出电压u_β合成的电压矢量。具体地，根据旋转坐标系下输出电压u_d/u_q或者静止坐标系下输出电压u_α/u_β计算期望输出电压的幅值u_s为，

进一步地，第二获取模块20用于，获取旋转坐标系下期望输出电压的矢量方向上的最大输出电压或者静止坐标系下期望输出电压的矢量方向上的最大输出电压，并将旋转坐标系下的最大输出电压或静止坐标系下的最大输出电压作为输出电压限制阈值u_lim。

具体来说，可以为2/3倍的直流母线电压即为基本电压矢量构造电压空间，如图4和图5所示，正六边形边界及其内部区域为电压空间，第二获取模块20可根据该电压空间获取期望输出电压(或者表示为u_d/u_q，或者表示为u_α/u_β)矢量方向上能够输出的最大电压，即期望输出电压与电压空间边界(正六边形)的交点形成的电压矢量幅值。

具体地，如图4所示，如果期望输出电压位于电压空间内，则调制后的输出电压与期望输出电压一致，输出电压限制阈值u_lim可为期望输出电压延长线与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。

如图5所示，如果期望输出电压位于电压空间外，则调制后输出电压与期望输出电压不相同，输出电压限制阈值u_lim可为期望输出电压与电压空间边界(正六边形)交点的矢量幅值。

需要说明的是，上述两种获取输出电压限制阈值u_lim的方式可单独实施，也可结合在一起实施。在结合在一起实施时可根据永磁同步电机系统是否处于过调制区来选择对应的获取方式。

具体来说，第二获取模块20可根据期望输出电压的幅值u_s判断永磁同步电机系统是否处于过调制区。当期望输出电压u_s的幅值大于直流母线电压u_dc的0.577倍时，判断永磁同步电机系统处于过调制区；当期望输出电压u_s的幅值小于或等于直流母线电压u_dc的0.577倍时，判断永磁同步电机系统处于线性调制区。

如果永磁同步电机系统处于过调制区，则结合图4和图5的实施例，第二获取模块20根据旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q或者静止坐标系下的α轴输出电压u_α和β轴输出电压u_β设定输出电压限制阈值u_lim；如果永磁同步电机系统处于线性调制区，第二获取模块20则根据直流母线电压设定输出电压限制阈值u_lim，例如设定u_lim≤0.577u_dc。由此，将弱磁控制分为线性调制区的弱磁控制和过调制区的弱磁控制，当采用空间矢量脉宽调制算法且驱动器工作在线性调制区内而不进行过调制时，将输出电压限制阈值u_lim设置为u_lim≤0.577u_dc，并基于线性调制区对应的输出电压限制阈值u_lim进行弱磁控制；当采用空间矢量脉宽调制算法且驱动器可以工作在过调制区时，将输出电压限制阈值u_lim设置为期望输出电压u_s的矢量方向上能够输出的最大电压，并基于过调制区对应的输出电压限制阈值u_lim进行弱磁控制。

下面结合图6-8对永磁同步电机系统的弱磁控制流程进行详细描述，在本实施例中，以永磁同步电机的无传感器矢量控制为例进行描述，而永磁同步电机的有传感器矢量控制与本实施例并无区别，不再赘述。

在永磁同步电机的矢量控制中，速度校正单元101根据给定转速与对估计转速进行速度校正例如进行比例-积分调节以获得给定转矩

在表贴式永磁同步电机中，根据给定转矩与转矩电流系数K_t计算给定转矩电流(即给定Q轴电流)给定直轴电流(即给定D轴电流)由弱磁电流i_fwc决定例如在内嵌式永磁同步电机中，转矩控制单元102根据给定转矩转矩电流系数K_t以及弱磁电流i_fwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到给定交轴电流(给定Q轴电流)和给定直轴电流(给定D轴电流)

电流校正单元103根据给定D轴电流和给定Q轴电流分别对直轴反馈电流i_d和交轴反馈电流i_q进行电流校正以获得直轴电压u_d和交轴电压u_q。然后，逆park坐标转换单元104根据估计角度对直轴电压u_d和交轴电压u_q进行逆park坐标转换以获得α轴电压u_α与β轴电压u_β。进而空间矢量调制单元105再对α轴电压u_α与β轴电压u_β进行SVM(Space Vetor Modulation，空间矢量调制)调制以生成PWM驱动信号；驱动单元2根据PWM驱动信号驱动永磁同步电机3。

通过电流检测单元4采集永磁同步电机3的三相电流，clarke坐标转换单元106对三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流i_α/i_β；park坐标转换单元107根据估计角度对两相电流i_α/i_β进行park坐标转换以获得直轴(D轴)反馈电流i_d和交轴(Q轴)反馈电流i_q。位置估计单元108例如速度磁链观测器根据输出电压u_α/u_β和两相电流i_α/i_β以及电机参数(电机电阻R_s、直轴电感L_d和交轴电感L_q)通过无传感器估计算法估计转子的位置和速度以获得估计转速和估计电角度

另外，根据本发明的一个实施例，弱磁控制带宽小于D轴电流闭环带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。具体地，可根据弱磁控制带宽设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数。

在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流i_fwc叠加至D轴电流闭环，D轴电流闭环根据弱磁电流i_fwc对D轴反馈电路i_d进行调节，从而实现弱磁控制，同时速度闭环依然根据给定转速与对估计转速进行速度校正以获得给定转矩根据给定转矩与转矩电流系数K_t计算给定Q轴电流Q轴电流闭环依然是根据给定Q轴电流对交轴反馈电流i_q进行调节。

基于此，弱磁控制环路可将将Q轴电压限制阈值u_qlim减去Q轴电压u_q得到的电压差值Δu输入至通过弱磁PI控制器的输入端，经过弱磁PI控制器即预设PI控制模型输出弱磁电流i_fwc；弱磁电流i_fwc叠加至D轴电流闭环，经过D轴电流闭环的D轴电流控制模型对D轴反馈电路i_d进行调节。其中，弱磁控制环路的带宽即弱磁控制带宽满足，小于D轴电流闭环的带宽且大于输入至永磁同步电机系统的交流电源的频率的2倍。由此，设置预设PI控制模型的比例控制参数和积分控制参数，以满足弱磁控制环路的带宽低于直轴电流闭环带宽且高于输入电源频率*2，从而，保证弱磁控制能够对直流母线电压波动做出足够快的响应。

综上，根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，先通过第一获取模块获取永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压u_d和Q轴输出电压u_q，并通过第二获取模块获取输出电压限制阈值，进而弱磁控制模块根据D轴输出电压和输出电压限制阈值获取Q轴电压限制阈值，并根据Q轴输出电压u_q和Q轴电压限制阈值生成弱磁电流，并将弱磁电流叠加至永磁同步电机系统的D轴电流闭环，以对永磁同步电机进行弱磁控制。由此，本发明实施例的装置采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

最后，本发明实施例还提出了一种永磁同步电机系统，包括上述实施例的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。

根据本发明实施例提出的永磁同步电机系统，通过上述的弱磁控制装置，采用Q轴电压误差进行闭环反馈的弱磁控制，保持D轴电流的完全跟踪，能够避免D轴电流在输入交流电压本身周期波动特性和负载波动的情况下不稳定，改善弱磁控制性能。

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。