一种拓展IMC-SPMSM系统高速运行范围的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种拓展IMC

【技术实现步骤摘要】
一种拓展IMC
‑
SPMSM系统高速运行范围的方法


[0001]本专利技术属于电动机的控制领域，其涉及一种拓展间接矩阵变换器
‑
永磁同步电机(IMC
‑
SPMSM)系统高速运行范围的方法，以解决因IMC最大电压传输比仅为0.866而导致的IMC
‑
SPMSM系统调速范围受限的问题。

技术介绍

[0002]表贴式永磁同步电机(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Machines，SPMSM)因其功率密度高而被广泛应用于白色家电、工业自动化以及航空航天等领域。这些应用一般要求系统具有较宽的调速范围。为此，在电源电压一定的情况下，通常采用弱磁控制和过调制控制，以充分利用电源电压，获得尽可能高的调速范围。
[0003]目前，基于矢量控制的弱磁控制策略大致可分为三类，即前馈策略、反馈策略和混合策略。前馈策略往往利用电机模型计算出弱磁区参考电流值作为前馈补偿量，因此这类方法响应速度快但控制效果受电机参数影响。为提升系统鲁棒性，多种反馈策略被提出。常见的反馈策略有：电压幅值反馈、过调制前后电压误差反馈，以及有效矢量作用时间反馈。其中，后两种策略在电机弱磁运行时能有效的利用过调制区的电压矢量，因此电压利用率高，可实现更大的转矩及更高的转速输出。但有效矢量作用时间反馈策略无法达到六脉波运行。混合策略通过在前馈路径上增加反馈环路，在实现优势互补的同时导致控制结构更为复杂。
[0004]近年来，间接矩阵变换器(Indirect Matrix Converter，IMC)作为一种直接AC
‑
AC功率变换器，因其具有无需中间储能环节、输入与输出波形正弦且输入功率因数可调等优点，在电机——特别是SPMSM——驱动领域的应用研究日益广泛。然而，IMC最大线性电压传输比(Voltage Transfer Ratio，VTR)仅为0.866，对电源电压的利用率较低，使其在和常见交
‑
直
‑
交变换器的竞争中处于劣势。过调制技术可提提高IMC的VTR，但需同时考虑整流级和逆变级过调制，相对复杂。而且，IMC的整流级和逆变级中间无储能器件，这意味着逆变级输入直流电压的幅值始终变化，增加了SPMSM弱磁控制的难度。

技术实现思路

[0005]本专利技术以拓展IMC
‑
SPMSM系统(即拓展间接矩阵变换器
‑
永磁同步电机，下同)高速运行范围为目标，提出一种适用于IMC
‑
SPMSM系统的宽速域弱磁控制策略，包括以下方面：首先，通过在整流级和逆变级应用过调制策略，将VTR提升至1；其次，采用电压误差反馈弱磁控制方法，使系统输出的电压矢量位于电压极限边界，充分利用整流级输出的直流电压；最后，以电流给定和电流限值之差作为输入、整流级调制深度角α作为输出，设计了过调制深度PI控制器，通过对过调制深度的有效控制进一步拓宽调速系统范围。
[0006]本专利技术具体采用的技术方案如下：
[0007]一种拓展IMC
‑
SPMSM系统高速运行范围的方法，所述方法包含以下步骤：
[0008]S1、构造IMC整流级调制策略，使IMC中间直流电压平均值V
pn
在
线性变化；
[0009]S2、逆变级调制在线性调制区采用空间矢量调制策略，在过调制区采用最小相位差过调制策略；
[0010]S3、基于电压误差反馈方法设计弱磁控制器，采用电压误差构造价值函数，利用梯度下降法算出d轴和q轴定子电流的最优参考值，实现在弱磁运行区对IMC整流级输出电压的充分利用；
[0011]S4、设计整流级过调制深度PI控制器，根据定子电流参考矢量I
ref
的幅值I
ref
与电流限值I
lim
之间的偏差，调节IMC整流级调制深度角α，增加整流级电压输出，使得IMC
‑
SPMSM系统在达到功率限值时，进一步拓宽系统调速范围并提升暂态性能。
[0012]作为优选，所述S1的具体步骤如下：
[0013]设IMC的三相输入电压平衡对称，且表达式为：
[0014][0015]式中，v
a
、v
b
、v
c
为IMC三相输入电压，V
im
和ω
i
为输入相电压幅值和角频率，t表示时间；
[0016]定义三相输入电压中瞬时最大值v
imax
、中间值v
imid
和最小值v
imin
为：
[0017][0018]式中，max表示取最大值，mid表示取中间值，min表示取最小值；
[0019]将ω
i
t∈[0,2π)划分为宽度π/6的12个输入电压分区，即[0,π/6)、[0,π/3)、
……
、[11π/6,2π)，每个分区内定义线电压变量如下：
[0020]Δv
imax
＝v
imax
‑
v
imin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021][0022]定义IMC中间直流电压瞬时值为v
pn
，则通过对整流级开关器件的通断控制，v
pn
∈{Δv
imax
,Δv
imid
}；设开关周期T
s
内，v
pn
＝Δv
imax
和v
pn
＝Δv
imid
的时间分别为T
max
和T
mid
，其中0≤T
max
，T
mid
≤T
s
，T
max
+T
mid
＝T
s
，则定义下述两种调制方式：
[0023]调制方式1为：
[0024][0025][0026]调制方式2为：
[0027]T
max
＝T
s
,T
mid
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]式中，k
i
＝1,2,
…
,12为输入电压分区编号；
[0029]在输入侧电流为单位功率因数控制下，调制方式1和调制方式2对应的直流输出v
pn
在T
s
内的平均值分别为和计算公式如下：
[0030][0031][0032]通过控制在一个IMC输入电压分区内调制方式1和调制方式2各自单独作用的时间，使IMC中间直流电压平均值V
pn
在线性变化。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拓展IMC
‑
SPMSM系统高速运行范围的方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：S1)、构造一种IMC整流级调制策略，使IMC中间直流电压平均值V
pn
在线性变化，；S2、逆变级调制在线性调制区采用空间矢量调制策略，在过调制区采用最小相位差过调制策略；S3、基于电压误差反馈方法设计弱磁控制器，采用电压误差构造价值函数，利用梯度下降法算出d轴和q轴定子电流的最优参考值，实现在弱磁运行区对IMC整流级输出电压的充分利用；S4、设计整流级过调制深度PI控制器，根据定子电流参考矢量I
ref
的幅值I
ref
与电流限值I
lim
之间的偏差，调节IMC整流级调制深度角α，增加整流级电压输出，使得IMC
‑
SPMSM系统在达到功率限值时，进一步拓宽系统调速范围并提升暂态性能。2.如权利要求1所述的拓展IMC
‑
SPMSM系统高速运行范围的方法，其特征在于，所述S1的具体步骤如下：设IMC的三相输入电压平衡对称，且表达式为：式中，v
a
、v
b
、v
c
为IMC三相输入电压，V
im
和ω
i
为输入相电压幅值和角频率，t表示时间；定义三相输入电压中瞬时最大值v
imax
、中间值v
imid
和最小值v
imin
为：式中，max表示取最大值，mid表示取中间值，min表示取最小值；将ω
i
t∈[0,2π)划分为宽度π/6的12个输入电压分区，即[0,π/6)、[0,π/3)、
……
、[11π/6,2π)，每个分区内定义线电压变量如下：Δv
imax
＝v
imax
‑
v
imin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)定义IMC中间直流电压瞬时值为v
pn
，则通过对整流级开关器件的通断控制，v
pn
∈{Δv
imax
,Δv
imid
}；设开关周期T
s
内，v
pn
＝Δv
imax
和v
pn
＝Δv
imid
的时间分别为T
max
和T
mid
，其中0≤T
max
，T
mid
≤T
s
，T
max
+T
mid
＝T
s
，则定义下述两种调制方式：调制方式1为：
调制方式2为：T
max
＝T
s
,T
mid
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，k
i
＝1,2,
…
,12为输入电压分区编号；在输入侧电流为单位功率因数控制下，调制方式1和调制方式2对应的直流输出v
pn
在T
s
内的平均值分别为和计算公式如下：计算公式如下：通过控制在一个IMC输入电压分区内调制方式1和调制方式2各自单独作用的时间，使IMC中间直流电压平均值V
pn
在线性变化。3.如权利要求2所述的拓展IMC
‑
SPMSM系统高速...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎彦，邹诺凡，史婷娜，张振，俞东，宋鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：