[发明专利]一种拓展IMC-SPMSM系统高速运行范围的方法

说明书

本发明公开了一种拓展IMC‑SPMSM系统高速运行范围的方法，设计了一种整流级调制策略，使得IMC输出的中间直流电压平均值V_pn在范围内变化。逆变级在线性调制区和过调制区分别采用空间矢量调制及最小相位差过调制，最终通过整流、逆变两级调制策略的适当组合，使得IMC最大电压传输比达到1；在控制策略设计方面，结合电压误差反馈弱磁控制方法，设计了整流级过调制深度控制器，在弱磁运行达到功率极限时提升整流级电压。

技术领域

本发明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。

背景技术

表贴式永磁同步电机(Surface Mounted Permanent Magnet SynchronousMachines，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。

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。

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。

发明内容

本发明以拓展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。

本发明具体采用的技术方案如下：

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：

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；

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；