CN116526915B - 一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置，包括：获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；若D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数；按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值、Q轴的第二电压值。本发明提供的电压限幅方法通用性好，适用于多种微控制器平台，对系统成本要求低。

Description

一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤指一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置。

背景技术

典型的永磁同步电机双闭环控制框图如图3所示。双闭环控制包括外环控制和内环控制。内环一般指电流环，外环指速度环、功率环、扭矩环或者位置环等，本图以速度环为例。

典型的永磁同步电机控制算法为FOC控制算法，FOC（Field Oriented Control）即磁场定向控制。

FOC控制算法的主要步骤包含：

Clarke变换(克拉克变换)，用于将电机的三相交流定子电流变换为两相交流定子电流。

Park变换(帕克变换)，用于将两相交流定子电流变换为两相正交直流定子电流（D轴电流Id和Q轴电流Iq，D轴电流又称为励磁电流，Q轴电流又称为交轴电流）。

角度、速度检测（观测）器，用于实时获取电机转子的位置(角度)和速度。

转速控制器，用于计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，并对转速误差进行PI调节，输出电流环需要的D轴电流给定值和Q轴电流给定值。

电流控制器，用于检测D轴电流给定值、Q轴电流给定值与实际值的电流误差，并对电流误差进行PID调节，得到D轴和Q轴的第一电压值。

电压限幅，用于对D轴和Q轴的第一电压值进行电压限幅，得到D轴和Q轴的第二电压值。

Ipark变换（反帕克变换），用于将正交旋转坐标系下的D轴第二电压和Q轴第二电压变换为正交静止坐标系下的α轴电压和β轴电压。

SVPWM生成（空间矢量脉宽调制波生成），用于根据α轴电压和β轴电压计算得到电压脉冲，控制三相全桥逆变器中功率开关管，以实现追踪转子磁链的旋转定子磁链。

其中，电压限幅环节对电机控制过程中的稳定非常重要，不做电压限幅处理或者处理不当都有导致电机失控、系统电流过大进而损坏控制器甚至危及人身安全的可能。电压限幅模块的主要作用是既保证电机运行中能够输出尽量高的转速或者功率，同时又避免电机失控。

现有电压限幅方法有：

1）浮点电压限幅

可采用以下公式直接计算限幅后的D轴电压和Q轴电压，使限幅后的D轴电压和Q轴电压构成的电压矢量的幅值小于电压阈值V：

，/>；.

其中，为D轴的第一电压值，/>为Q轴的第一电压值，/>为限幅后的D轴电压，又称为D轴的第二电压值，/>为限幅后的Q轴电压，又称为Q轴的第二电压值。

该方法通常用于支持浮点运算的微控制器。实际中，很多场景下考虑到成本因素用户并不会使用支持浮点运算的微控制器，而是使用定点微控制器。对于定点微控制器平台，以上公式中的除法运算和开平方运算都很耗时。而电机控制的频率往往很高，通常在32KHz到5KHz之间，也就是每31.25uS到200uS之间就要进行一次功率开关管的控制刷新。定点微控制器平台按上述公式直接运算难以满足实时性要求，所以有的厂商提出了查表电压限幅方法。

2）查表电压限幅

原理大致如下：事先将不同的电压限幅系数对应的查表表格保存到程序中，程序检测某时刻和/>的幅值是否大于所设定的限幅值，如果大于则根据此时的幅值计算得到对应表格的索引值，由索引值得到等比例缩小系数，然后分别将/>和/>按照此系数进行等比例缩小。

上述方法对微控制器的存储空间要求较高；且电压限幅越宽，需要的表格体量越大。

3）增加硬件加速器

还有的厂商，在定点微控制器平台上，构建硬件加速器，比如硬件除法器和硬件开方器，以提高电压限幅的运算速度，但这样会增加系统成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置，用于解决现有电压限幅方案中存在的至少部分问题，以降低系统成本，提高通用性。

本发明提供的技术方案如下：

一种永磁同步电机的电压限幅方法，包括：

获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

若所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值和Q轴的第二电压值。

在一些实施例中，所述通过定步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：初始化电压限幅系数和调节步长；

按所述电压限幅系数分别对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

若所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按所述调节步长减小所述电压限幅系数，按减小后的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；重复以上过程，直至得到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方。

在一些实施例中，所述通过变步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：通过二分法找到合适的电压限幅系数。

在一些实施例中，所述获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值包括：计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；

检测所述D轴电流给定值、所述Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。

本发明还提供一种永磁同步电机的电压限幅装置，包括：

获取模块，用于获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

搜索模块，用于若所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

限幅模块，用于按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值和Q轴的第二电压值。

在一些实施例中，所述搜索模块包括：

初始化单元，用于初始化电压限幅系数和调节步长；

限幅单元，用于按所述电压限幅系数分别对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

搜索单元，用于若所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按所述调节步长减小所述电压限幅系数，按减小后的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；重复以上过程，直至得到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方。

在一些实施例中，所述搜索模块，还用于通过二分法找到合适的电压限幅系数。

在一些实施例中，所述获取模块，还用于计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；检测所述D轴电流给定值、所述Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。

与现有技术相比，本发明所提供的一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置，至少能够带来以下有益效果：

本发明可以提供一种应用场景广泛、成本低廉的永磁同步电机的电压限幅方法，在保证输出的电压矢量具有最小失真的前提下，占用微控制器代码存储空间很小，运算速度快，不需要借助硬件除法器，并且巧妙的规避了软件耗时很长的开方数学运算。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种永磁同步电机的电压限幅方法及装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的永磁同步电机的电压限幅方法的一个实施例的流程图；

图2是本发明的永磁同步电机的电压限幅装置的一个实施例的结构示意图；

图3是永磁同步电机的典型控制系统框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种永磁同步电机的电压限幅方法，包括：

步骤S100获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

步骤S200判断D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和是否超过电压阈值的平方；

步骤S300若D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

步骤S400按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值、Q轴的第二电压值；

步骤S500若D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和不超过电压阈值的平方，则D轴的第二电压值等于D轴的第一电压值，Q轴的第二电压值等于Q轴的第一电压值。

具体地，在判断由D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值/>构成的电压矢量/>的幅值是否超出电压阈值V时，通常是先计算电压矢量/>的幅值/>，再比较的幅值与电压阈值V。通过采用“D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和”与电压阈值V的平方进行比较，避免了开方运算。

如果电压矢量的幅值的平方超过电压阈值的平方，则需要进行电压限幅。通过对Q轴的第一电压值和D轴的第一电压值进行等比例限幅，可以使电压矢量/>经电压限幅后仅仅是幅值发生变化，其方向不发生失真。采用等比例限幅，就是为了不引入方向失真。相对幅度的失真，方向的失真对系统的影响更大。

为了使限幅后输出的电压矢量具有尽量小的失真，需要获得合适的电压限幅系数。

针对定点微控制器平台，通过定步长迭代法或变步长迭代法可以快速得到合适的电压限幅系数。相对浮点电压限幅，这样可以避免除法和开平方运算，获得合适的电压限幅系数。

在实际操作中，电压限幅系数可以是实际值的2^M倍，M为整数，根据需要控制的精度来选择。实际值小于1，通过放大2^M倍，可以将电压限幅系数放大为一个整数，在按电压限幅系数对D轴和Q轴的第一电压值进行限幅时，可以将带有小数的乘法运算转换为整数乘法，有利于微控制器运算。

定步长迭代法，比如，将电压限幅系数从最大值开始按一定步长迭代递减搜索，直至出现使限幅后得到的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方的电压限幅系数，则该电压限幅系数为合适的值，它可以使经电压限幅后输出的电压矢量的幅值限制在电压阈值内。当然也可以反向搜索，将电压限幅系数从最小值开始按一定步长迭代递增搜索。一般情况，递减搜索，找到合适值的速度会更快。

变步长迭代法，比如，通过二分法找到合适的电压限幅系数。具体地，在电压限幅系数的最小值a和最大值b之间，通过二分法寻找合适值c，合适值c需满足：，/>，/>为预设的容差范围。

一种实施步骤为：

1）取a、b之间的中点值d，计算f(d)=，即计算中点值对应的限幅后的电压矢量的幅值的平方与电压阈值的平方之差。

2）若f(d)>0，则将[a,b]更新为[a,d]，在[a,d]区间继续搜索合适值c；

若f(d)<=0，且|f(d)|，则c=d；

若f(d)<0，且|f(d)|，则将[a,b]更新为[d,b]，在[d,b]区间继续搜索合适值c。

本实施例提供的电压限幅方法，通用性高，可适用于多种微控制器平台，不需要支持浮点的微控制器，在保证输出的电压矢量具有最小失真的前提下，占用微控制器代码存储空间很小，不需要借助硬件除法器，并且巧妙的规避了软件耗时很长的开方数学运算。

在一个实施例中，步骤S300中通过定步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：

步骤S301初始化电压限幅系数和调节步长；

步骤S302按电压限幅系数分别对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

步骤S303若限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按调节步长减小电压限幅系数，并跳转到步骤S302；

步骤S304若限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，则得到的电压限幅系数为合适的电压限幅系数。

在一个实施例中，步骤S300中通过变步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：

步骤S305通过二分法找到合适的电压限幅系数。

在一个实施例中，步骤S100包括：

步骤S110计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；

步骤S120检测D轴电流给定值、Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，一种永磁同步电机的电压限幅装置，包括：

获取模块100，用于获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

判断模块200，用于判断D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和是否超过电压阈值的平方；

搜索模块300，用于若D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

限幅模块400，用于按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值、Q轴的第二电压值；若D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值的平方和不超过电压阈值的平方，则D轴的第二电压值等于D轴的第一电压值，Q轴的第二电压值等于Q轴的第一电压值。

在一个实施例中，搜索模块300包括：

初始化单元，用于初始化电压限幅系数和调节步长；

限幅单元，用于按电压限幅系数分别对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

搜索单元，用于若限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按调节步长减小电压限幅系数，按减小后的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；重复以上过程，直至得到合适的电压限幅系数，使得按合适的电压限幅系数对D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方。

在一个实施例中，搜索模块300还用于通过二分法找到合适的电压限幅系数。

在一个实施例中，获取模块100用于计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；检测D轴电流给定值、Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。

需要说明的是，本发明提供的一种永磁同步电机的电压限幅装置的实施例与前述提供的永磁同步电机的电压限幅方法的实施例均基于同一发明构思，能够取得相同的技术效果。因而，永磁同步电机的电压限幅装置的实施例的其它具体内容可以参照前述电压限幅方法的实施例内容的记载。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的电压限幅方法，其特征在于，包括：

获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

若所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值和Q轴的第二电压值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的电压限幅方法，其特征在于，所述通过定步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：

初始化电压限幅系数和调节步长；

按所述电压限幅系数分别对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

若所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按所述调节步长减小所述电压限幅系数，按减小后的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；重复以上过程，直至得到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的电压限幅方法，其特征在于，所述通过变步长迭代法找到合适的电压限幅系数包括：

通过二分法找到合适的电压限幅系数。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的电压限幅方法，其特征在于，所述获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值包括：

计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；

检测所述D轴电流给定值、所述Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。

5.一种永磁同步电机的电压限幅装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值；

搜索模块，用于若所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值的平方和超过电压阈值的平方，则通过定步长迭代法或变步长迭代法找到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方，且所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和与电压阈值的平方的差值在预设范围内；

限幅模块，用于按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，将得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值分别作为D轴的第二电压值和Q轴的第二电压值。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的电压限幅装置，其特征在于，所述搜索模块包括：

初始化单元，用于初始化电压限幅系数和调节步长；

限幅单元，用于按所述电压限幅系数分别对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；

搜索单元，用于若所述限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和超过电压阈值的平方，则按所述调节步长减小所述电压限幅系数，按减小后的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅，得到限幅后的D轴电压值和Q轴电压值；重复以上过程，直至得到合适的电压限幅系数，使得按所述合适的电压限幅系数对所述D轴的第一电压值和所述Q轴的第一电压值进行等比例限幅后得到的限幅后的D轴电压值和Q轴电压值的平方和不超过电压阈值的平方。

7.根据权利要求5所述的永磁同步电机的电压限幅装置，其特征在于，所述搜索模块，还用于通过二分法找到合适的电压限幅系数。

8.根据权利要求5所述的永磁同步电机的电压限幅装置，其特征在于，

所述获取模块，还用于计算给定电机转速与实时采集的电机转速的误差，对转速误差进行PID调节，计算得到D轴电流给定值和Q轴电流给定值；检测所述D轴电流给定值、所述Q轴电流给定值与实际值的电流误差，对电流误差进行PID调节，得到D轴的第一电压值和Q轴的第一电压值。