永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置

摘要

本发明公开了一种永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置，所述方法包括以下步骤：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ud和Q轴输出电压uq；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uq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。由此，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。

权利要求

1.一种永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，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ud和Q轴输出电压uq；

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uq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；

其中，当所述永磁同步电机系统处于过调制区时，根据所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ设定所述输出电压限制阈值；当所述永磁同步电机系统处于线性调制区时，根据所述永磁同步电机系统的直流母线电压设定所述输出电压限制阈值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压us或根据所述α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ获取期望输出电压us；

根据所述期望输出电压us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。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，根据以下公式获取所述Q轴电压限制阈值：其中，uqlim为所述Q轴电压限制阈值，ulim为所述输出电压限制阈值，ud为所述D轴输出电压。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述Q轴输出电压uq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uq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。

6.根据权利要求1或5所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，在根据所述Q轴输出电压uq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。

7.根据权利要求1所述的永磁同步电机系统的弱磁控制方法，其特征在于，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。

8.一种永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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ud和Q轴输出电压uq；

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uq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；

其中，所述第二获取模块用于在所述永磁同步电机系统处于过调制区时，根据所述永磁同步电机系统的旋转坐标系下的D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ设定所述输出电压限制阈值，以及在所述永磁同步电机系统处于线性调制区时，根据所述永磁同步电机系统的直流母线电压设定所述输出电压限制阈值。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压us或根据所述α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ获取期望输出电压us，并根据所述期望输出电压us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。

10.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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。

11.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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，uqlim为所述Q轴电压限制阈值，ulim为所述输出电压限制阈值，ud为所述D轴输出电压。

12.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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uq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。

13.根据权利要求8或12所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，在根据所述Q轴输出电压uq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。

14.根据权利要求8所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置，其特征在于，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。

15.一种永磁同步电机系统，其特征在于，包括根据权利要求8-14中任一项所述的永磁同步电机系统的弱磁控制装置。

说明书

永磁同步电机系统及其弱磁控制方法和装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

发明内容

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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ud和Q轴
输出电压uq；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uq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。

[0007] 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ud和Q轴输出电压uq，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uq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。

[0008] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出
电压uα和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压us或根
据所述α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ获取期望输出电压us；根据所述期望输出电压us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。

[0009] 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。

[0010] 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：

[0011]

[0012] 其中，uqlim为所述Q轴电压限制阈值，ulim为所述输出电压限制阈值，ud为所述D轴输出电压。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述根据所述Q轴输出电压uq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uq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。

[0014] 根据本发明的一个实施例，在根据所述Q轴输出电压uq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。

[0015] 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。

[0016] 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ud和Q轴输出电压uq；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uq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。

[0017] 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ud和Q轴输出电压uq，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uq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。

[0018] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电
压uα和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压us或根据
所述α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ获取期望输出电压us，并根据所述期望输出电压us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。

[0019] 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。

[0020] 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：

[0021]

[0022] 其中，uqlim为所述Q轴电压限制阈值，ulim为所述输出电压限制阈值，ud为所述D轴输出电压。

[0023] 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uq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。

[0024] 根据本发明的一个实施例，在根据所述Q轴输出电压uq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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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

[0028] 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；

[0029] 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；

[0030] 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；

[0031] 图4是根据本发明一个实施例的空间电压调制的示意图；

[0032] 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；

[0033] 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；

[0034] 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；

[0035] 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

[0036] 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

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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：

[0040] 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ud和Q轴输出电压uq。

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 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ulim，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ulim。输出电压限制阈值ulim的具体获取方式在后续的实施例中描述。

[0044] 具体地，可根据以下公式获取Q轴电压限制阈值：

[0045]

[0046] 其中，uqlim为Q轴电压限制阈值，ulim为输出电压限制阈值，ud为D轴输出电压。

[0047] S3：根据Q轴输出电压uq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。

[0048] 也就是说，可根据D轴输出电压ud与输出电压限制阈值ulim计算Q轴电压限制阈值uqlim，即 然后根据Q轴输出电压uq与Q轴电压限制阈值uqlim进行弱磁控制。

[0049] 根据本发明的一个具体实施例，根据所述Q轴输出电压uq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uq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。

[0050] 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。

[0051] 也就是说，如图6所示，可根据D轴输出电压ud与输出电压限制阈值ulim计算Q轴电压限制阈值uqlim，即 然后将Q轴电压限制阈值uqlim减去Q轴电压uq以得到弱
磁控制的电压差值Δu，即Δu＝uqlim-uq，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。

[0052] 进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据Q轴输出电压uq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。

[0053] 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ifwc，进而根据限幅后的弱磁电流ifwc进行弱磁控制例如
将限幅后的弱磁电流ifwc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id_min。

[0054] 下面描述获取输出电压限制阈值ulim的两种实施例。

[0055] 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ulim。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，

[0056] 也就是说，输出电压限制阈值ulim可设定为不超过直流母线电压udc的0.577倍的数值，即ulim≤0.577udc。

[0057] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ设定输出电压限制阈值ulim。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
ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出
电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压 或根据α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ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。

[0058] 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ud与q轴上的Q轴输出电压uq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θe对D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq进行逆park坐标转换以获得静
止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ，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uα与β轴输出电压uβ合成的电压矢量。具体地，根据旋转坐标系下输
出电压ud/uq或者静止坐标系下输出电压uα/uβ计算期望输出电压 的幅值us为，

[0059] 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ulim。

[0060] 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ud/uq，或者表示为uα/uβ)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。

[0061] 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ulim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。

[0062] 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ulim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。

[0063] 需要说明的是，上述两种获取输出电压限制阈值ulim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。

[0064] 具体来说，可根据期望输出电压 的幅值us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us的幅值大于直流母线电压udc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us的幅值小于或等于直流母线电压udc的0.577倍时，判断永
磁同步电机系统处于线性调制区。

[0065] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压
uβ设定输出电压限制阈值ulim；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ulim，例如设定ulim≤0.577udc。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ulim设置为ulim≤0.577udc，并基于线性调制
区对应的输出电压限制阈值ulim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ulim设置为期望输出电压us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ulim进行弱磁控制。

[0066] 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。

[0067] 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

[0068] 在表贴式永磁同步电机中，根据给定转矩 与转矩电流系数Kt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ifwc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Kt以及弱磁电流ifwc
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)

[0069] 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id和交轴反馈电流iq进行电流校正以获得直轴电压ud和交轴电压uq。然后，逆park坐标转换单元根据
估计角度 对直轴电压ud和交轴电压uq进行逆park坐标转换以获得α轴电压uα与β轴电压
uβ。进而空间矢量调制单元再对α轴电压uα与β轴电压uβ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。

[0070] 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iα/iβ；park坐标转换单元根据估计角度 对两相电
流iα/iβ进行park坐标转换以获得直轴(D轴)反馈电流id和交轴(Q轴)反馈电流iq。位置估计
单元例如速度磁链观测器根据输出电压uα/uβ和两相电流iα/iβ以及电机参数(电机电阻Rs、
直轴电感Ld和交轴电感Lq)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

[0071] 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。

[0072] 在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流ifwc叠加至D轴电流闭环，D轴电流闭环根据弱磁电流ifwc对D轴反馈电路id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Kt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
iq进行调节。

[0073] 基于此，弱磁控制环路可将将Q轴电压限制阈值uqlim减去Q轴电压uq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ifwc；弱磁电流ifwc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id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。

[0074] 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ud和Q轴输出电压uq，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uq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。

[0075] 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。

[0076] 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。

[0077] 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ud和Q轴输出电压uq；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uq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。

[0078] 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ulim，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ulim。输出电压限制阈值ulim的具体获取方式在后续的实施例中描
述。

[0079] 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：

[0080]

[0081] 其中，uqlim为Q轴电压限制阈值，ulim为输出电压限制阈值，ud为D轴输出电压。

[0082] 也就是说，弱磁控制模块30可根据D轴输出电压ud与输出电压限制阈值ulim计算Q轴电压限制阈值uqlim，即 然后根据Q轴输出电压uq与Q轴电压限制阈值uqlim
进行弱磁控制。

[0083] 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uq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。

[0084] 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。

[0085] 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ud与输出电压限制阈值ulim计算Q轴电压限制阈值uqlim，即 然后将Q轴电压限制阈值uqlim减去Q轴
电压uq以得到弱磁控制的电压差值Δu，即Δu＝uqlim-uq，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。

[0086] 进一步地，根据本发明的一个实施例，在根据Q轴输出电压uq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。

[0087] 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ifwc，进而根据限幅后的弱磁电流ifwc进行弱磁控制例如
将限幅后的弱磁电流ifwc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id_min。

[0088] 下面描述获取输出电压限制阈值ulim的两种实施例。

[0089] 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ulim。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，

[0090] 也就是说，输出电压限制阈值ulim可设定为不超过直流母线电压udc的0.577倍的数值，即ulim≤0.577udc。

[0091] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压uα
和β轴输出电压uβ，并根据D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq获取期望输出电压us或根据α轴
输出电压uα和β轴输出电压uβ获取期望输出电压us，并根据期望输出电压us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。

[0092] 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ud与q轴上的Q轴输出电压uq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θe对D轴输出电压ud和Q轴输出电压uq进行逆park坐标转换以获得静
止坐标系下的α轴输出电压uα和β轴输出电压uβ，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uα与β轴输出电压uβ合成的电压矢量。具体地，根据旋转坐标系下输
出电压ud/uq或者静止坐标系下输出电压uα/uβ计算期望输出电压 的幅值us为，

[0093] 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
ulim。

[0094] 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ud/uq，或者表示为uα/uβ)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。

[0095] 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ulim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。

[0096] 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ulim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。

[0097] 需要说明的是，上述两种获取输出电压限制阈值ulim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。

[0098] 具体来说，第二获取模块20可根据期望输出电压 的幅值us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us的幅值大于直流母线电压udc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us的幅值小于或等于直流母线电压udc的
0.577倍时，判断永磁同步电机系统处于线性调制区。

[0099] 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ud和Q轴输出电压uq或者静止坐标系下的α轴输出电压
uα和β轴输出电压uβ设定输出电压限制阈值ulim；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ulim，例如设定ulim≤0.577udc。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ulim设置
为ulim≤0.577udc，并基于线性调制区对应的输出电压限制阈值ulim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ulim设置为期
望输出电压us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ulim进行弱磁控制。

[0100] 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。

[0101] 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

[0102] 在表贴式永磁同步电机中，根据给定转矩 与转矩电流系数Kt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ifwc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Kt以及弱磁电流
ifwc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)

[0103] 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id和交轴反馈电流iq进行电流校正以获得直轴电压ud和交轴电压uq。然后，逆park坐标转换单元
104根据估计角度 对直轴电压ud和交轴电压uq进行逆park坐标转换以获得α轴电压uα与β
轴电压uβ。进而空间矢量调制单元105再对α轴电压uα与β轴电压uβ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。

[0104] 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iα/iβ；park坐标转换单元107根据估计角度
对两相电流iα/iβ进行park坐标转换以获得直轴(D轴)反馈电流id和交轴(Q轴)反馈电流
iq。位置估计单元108例如速度磁链观测器根据输出电压uα/uβ和两相电流iα/iβ以及电机参
数(电机电阻Rs、直轴电感Ld和交轴电感Lq)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

[0105] 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。

[0106] 在上述弱磁控制中，以图7的实施例为例，弱磁电流ifwc叠加至D轴电流闭环，D轴电流闭环根据弱磁电流ifwc对D轴反馈电路id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Kt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iq进行调节。

[0107] 基于此，弱磁控制环路可将将Q轴电压限制阈值uqlim减去Q轴电压uq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ifwc；弱磁电流ifwc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id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。

[0108] 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ud和Q轴输出电压uq，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uq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。

[0109] 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。

[0110] 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。

[0111] 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。

[0112] 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。

[0113] 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。

[0114] 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。

[0115] 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。

[0116] 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。