本發(fā)明涉及負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)，具體為一種基于電壓外環(huán)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)的作用是在低速和低負(fù)載情況下，通過調(diào)節(jié)直軸電流的大小來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁狀態(tài)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能，在控制ipmsm的過程中，負(fù)id電流弱磁控制是一項(xiàng)重要的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的核心是通過控制電機(jī)的直軸電流來實(shí)現(xiàn)弱磁狀態(tài)，通過減小直軸電流，可以降低電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)弱磁狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，電機(jī)的機(jī)械損耗和渦流損耗都會(huì)顯著降低，同時(shí)也能提高電機(jī)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)性能，為了保證電機(jī)在弱磁狀態(tài)下的正常運(yùn)行，還需要對(duì)速度環(huán)進(jìn)行控制，在負(fù)id電流弱磁控制中，速度環(huán)輸出給定電流，這個(gè)給定電流是通過mtpa算法計(jì)算得到的dq軸電流，mtpa算法是一種優(yōu)化算法，通過調(diào)整dq軸電流的大小和相位來實(shí)現(xiàn)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩和最小電流之間的最佳匹配，這些控制策略的應(yīng)用，能夠提高電機(jī)系統(tǒng)的效率和性能，為工業(yè)應(yīng)用和電動(dòng)汽車領(lǐng)域帶來更好的使用體驗(yàn)。

2、此外，當(dāng)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，由于dq軸電流給定恒定，電流矢量與d軸的夾角也為恒定值，但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，需要通過對(duì)dq軸電流分量進(jìn)行重新分配以實(shí)現(xiàn)弱磁，這時(shí)可以通過改變電流矢量角來改變dq軸電流給定，在電壓環(huán)的作用下得到了新的電流矢量相位值，于是在新的電流矢量幅值和相位作用下，便得出了新的一組dq軸電流給定，通過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使實(shí)際的dq軸電流跟蹤給定，交直軸電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速按照給定上升，以達(dá)到弱磁擴(kuò)速的效果。

3、但是，傳統(tǒng)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

4、傳統(tǒng)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)在負(fù)載變化較快較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流環(huán)實(shí)時(shí)處于飽和，且無法退出飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致電機(jī)失控的現(xiàn)象出現(xiàn)，影響電機(jī)的正常使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于電壓外環(huán)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的傳統(tǒng)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)在負(fù)載變化較快較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流環(huán)實(shí)時(shí)處于飽和，且無法退出飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致電機(jī)失控的現(xiàn)象出現(xiàn)，影響電機(jī)的正常使用的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于電壓外環(huán)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)，包括弱磁控制系統(tǒng)，所述弱磁控制系統(tǒng)包括結(jié)果分析平臺(tái)、電機(jī)模型平臺(tái)、模型優(yōu)化平臺(tái)和情況模擬平臺(tái)；

3、所述電機(jī)模型平臺(tái)對(duì)控制的電機(jī)進(jìn)行特征提取后設(shè)立與之相關(guān)聯(lián)電機(jī)模型；

4、所述模型優(yōu)化平臺(tái)通過電壓外環(huán)法求解出直軸電流參考值并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化；

5、所述情況模擬平臺(tái)對(duì)電機(jī)使用各種情況進(jìn)行模擬；

6、所述結(jié)果分析平臺(tái)對(duì)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)后的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制數(shù)值和結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

7、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電機(jī)模型平臺(tái)在同步參考坐標(biāo)系下，設(shè)立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為：式中，ud、uq分別為電機(jī)定子電壓直軸、交軸分量；id、iq分別為電機(jī)定子電流直軸、交軸分量；ld、lq分別為電機(jī)直軸、交軸電感；rs為電機(jī)定子電阻；ωe為電機(jī)電角速度；ψf為電機(jī)永磁體磁鏈，永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)最大輸入電壓受到逆變器直流側(cè)電壓及電機(jī)絕緣等級(jí)的限制，定子電壓過高時(shí)會(huì)擊穿絕緣層，損壞電機(jī)，故應(yīng)滿足的電壓限制為式中，usmax為電機(jī)定子端電壓合成矢量的最大幅值，usmax取dc3u，udc為直流母線電壓，另外，受系統(tǒng)溫升約束，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子電流合成矢量幅值不能超過最大允許幅值ismax，即pmsm高速運(yùn)行時(shí)，忽略定子電阻壓降的影響，穩(wěn)態(tài)電壓寫成，pmsm電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：式中，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

8、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電機(jī)模型平臺(tái)包括電機(jī)類型模塊、技術(shù)指標(biāo)模塊、硬件組件模塊和軟件組件模塊，所述電機(jī)類型模塊支持多種類型的電機(jī)，包括直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)，所述技術(shù)指標(biāo)模塊具體為步進(jìn)電機(jī)的速度-力矩曲線是表現(xiàn)其輸出特性的重要參數(shù)，包括工作頻率點(diǎn)、自啟動(dòng)區(qū)域、連續(xù)運(yùn)行區(qū)域、最高啟動(dòng)頻率、最高運(yùn)行頻率、啟動(dòng)力矩/牽入力矩、運(yùn)行力矩/牽出力矩，在特定的科研平臺(tái)中，還包括不同類型的光源如方形光源、條形光源、環(huán)形光源、碗狀光源和光源控制器，以滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)光照條件的需求，所述硬件組件模塊包括電機(jī)快速原型控制器、永磁同步電機(jī)、高壓線束及接插件、信號(hào)控制盒、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)記錄儀、電流傳感器、模塊供電專用電源、can-usb接口轉(zhuǎn)換線和臺(tái)架用電腦，所述軟件組件模塊包括電機(jī)控制策略開發(fā)軟件平臺(tái)、電機(jī)控制策略simulink模型和數(shù)據(jù)采集分析軟件。

9、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述模型優(yōu)化平臺(tái)依據(jù)交軸電流參考值由速度環(huán)生成來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則弱磁一區(qū)和弱磁二區(qū)均根據(jù)電壓方程來直接求解出直軸電流參考值。

10、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述模型優(yōu)化平臺(tái)的計(jì)算公式具體如下：id、iq分別為電機(jī)定子電流直軸、交軸分量；ld、lq分別為電機(jī)直軸、交軸電感；rs為電機(jī)定子電阻；ωe為電機(jī)電角速度；ψf為電機(jī)永磁體磁鏈。

11、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述模型優(yōu)化平臺(tái)使用時(shí)需注意：電壓外環(huán)法的弱磁增益選取，弱磁增益根據(jù)弱磁控制小信號(hào)模型進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算；進(jìn)出弱磁區(qū)判斷條件，防止低速、重載、急加速下誤入弱磁控制區(qū)域；弱磁控制pi給定電壓的裕量，保留一定的電壓裕量有利于權(quán)衡弱磁控制的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能；弱磁控制pli限幅選取，該限幅受到電流極限圓、mtpa和mtpv的多重限制；電流環(huán)電流控制環(huán)路帶寬弱一些的前饋解耦有利于弱磁區(qū)域的快速進(jìn)入和快速退出，電流環(huán)不能做到近似的無限帶寬，就一定會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，前饋解耦有利于在轉(zhuǎn)速突變或負(fù)載突變時(shí)在一定程度上來削弱積分飽和現(xiàn)象。

12、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述情況模擬平臺(tái)構(gòu)建pmsm不同使用環(huán)境情況下的弱磁控制系統(tǒng)，在基速以下搭建mtpa模塊，利用直軸電流補(bǔ)償弱磁控制的交軸電感l(wèi)q、直軸電感l(wèi)d、永磁體磁鏈ψf及定子電流is計(jì)算得到直軸電流id0；實(shí)時(shí)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓綜合矢量同時(shí)與根據(jù)母線電壓得到的逆變器輸出電壓外環(huán)極限值進(jìn)行比較，當(dāng)us＞ulim時(shí)，直軸電流補(bǔ)償值δid0為負(fù)值；否則的話，δid0為0，其中，ud為電流調(diào)節(jié)器輸出的直軸電壓；uq為電流調(diào)節(jié)器輸出的交軸電壓；udc為直流母線電壓，將mtpa控制法下計(jì)算得到的直軸電流id0與各種情況下需要補(bǔ)償?shù)闹陛S電流δid0相加，得到給定的直軸電流再利用ipmsm的電流極限圓方程計(jì)算得出給定的交軸電流。

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述結(jié)果分析平臺(tái)包括仿真結(jié)果分析模塊和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模塊，所述仿真結(jié)果分析模塊驗(yàn)證設(shè)計(jì)基于電壓外環(huán)的弱磁控制算法的有效性，在電壓外環(huán)仿真軟件中搭建基于電壓外環(huán)的弱磁控制電機(jī)電流調(diào)節(jié)器弱磁控制系統(tǒng)仿真模型并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模塊通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)基于電壓外環(huán)的弱磁控制電機(jī)電流的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行驗(yàn)證分析。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：采用基于電壓外環(huán)的負(fù)直軸電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)直軸電流參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且通過控制電壓外環(huán)輸出負(fù)的直軸電流，實(shí)現(xiàn)ipmsm的弱磁狀態(tài)，通過速度環(huán)的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制，整個(gè)過程抑制干擾能力強(qiáng)，有效將弱磁控制的魯棒性和帶載能力有效結(jié)合起來，在負(fù)載變化較快較大時(shí)，便于電流環(huán)退出飽和狀態(tài)，避免出現(xiàn)電機(jī)失控的現(xiàn)象，保證電機(jī)的正常使用。