永磁同步電機弱磁控制的控制策略研究

1、永磁同步電機弱磁控制的控制策略研究摘要永磁同步電機是數控機床、機器人控制等的主要執(zhí)行元件，隨著稀土永磁材料、永磁電機設計制造技術、電力電子技術、微處理器技術的不斷發(fā)展和進步，永磁同步電機控制技術成為了交流電機控制技術的一個新的發(fā)展方向?；谒膬?yōu)越性，永磁同步電機獲得了廣泛的研究和應用。本文對永磁同步電機的弱磁控制策略進行了綜述，并著重對電壓極限橢圓梯度下降法弱磁控制、采用改進的超前角控制弱磁增速、內置式永磁同步電動機弱磁控制方面進行了調查、研究。關鍵詞：永磁同步電機、弱磁控制、電壓極限橢圓梯度下降法、超前角控制、內置式永磁同步電動機一、永磁同步電機弱磁控制研究現狀1永磁同步電機及其控制技術的

2、發(fā)展任何電機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產生的。直流電機的主磁場和電樞磁場在空間互差90°電角度，因此可以獨立調節(jié)；而交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，交流電機的轉矩控制性能不佳。經過長期的研究，目前交流電機的控制方案有：矢量控制、恒壓頻比控制、直接轉矩控制等1劉暢，馬成祿, 2010.11 #1。11 矢量控制1971年德國西門子公司FBlaschke等與美國PCCustman等幾乎同時提出了交流電機磁場定向控劉暢，馬成祿, 2010.11 #1制的原理，經過不斷的研究與實踐，形成了現在獲得廣泛應用的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是通過坐標變換，把交流電機

3、在按照磁鏈定向的旋轉坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機的調速性能達到或超過直流電機的性能。12 恒壓頻比控制恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制，它根據系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調制轉化為期望的輸出 進行控制，使電機以一定的轉速運轉。但是它依據電機的穩(wěn)態(tài)模型，從而得不到理想的動態(tài)控制性能。 要獲得很高的動態(tài)性能，必須依據電機的動態(tài)數學模型，永磁同步電機的動態(tài)數學模型是非線性、多變量，它含有角速度 與電流 或 的乘積項，因此要得到精確控制性能必須對角速度和電流進行解耦。 近年來，研究了各種非線性控制器，來解決永磁同步電機非線性的特性。13 直接轉矩控制矢量控制方案是一種很有效的

4、交流伺服電機控制方案，但是由于該方案需要進行矢量旋轉變換，坐標變換比較復雜。此外，由于電機的機械常數慢于電磁常數，矢量控制中轉矩響應的速度不夠迅速。針對矢量控制的上述缺點，德國學者 Depenbrock于上世紀80年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案直接轉矩控制(DTC)方案。直接轉矩摒棄了矢量控制中解耦的控制思想以及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電機的定子磁鏈和轉矩進行調節(jié)，具有結構簡單，轉矩響應快等優(yōu)點2。2永磁同步電機弱磁控制研究現狀弱磁控制是目前PMSM的一個研究熱點，電動機減弱磁場就可以實現高速運行(轉矩也隨之減小)，因此，直流電機和感應電機

5、都積極地進行弱磁控制，以便擴展最高轉速。對于PMSM由于轉子是永磁體，不能簡單通過控制勵磁電流實現弱磁控制，可以在抵消永磁體磁通的方向上施加一個勵磁性質的電流，實現弱磁控制。但是，對于永磁體來說，存在著一個如何避免不可逆退磁的問題。目前，具有高磁能積的永磁材料的實用化，使得PMSM的弱磁控制得以實現，以下是現階段國內弱磁控制的發(fā)展狀況。21 從控制角度梁振鴻等人采用過調制技術3，根據零電壓矢量作用時間判斷過調制起始點，用查表法確定調制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實現對永磁同步電動機弱磁運行區(qū)域的擴展。slligo Morilnoto 4等人采用電流調節(jié)器，實現永磁同步電動機的弱磁控制，電

6、流調節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補償環(huán)節(jié)，定子交軸電流由電機角頻率給定值與實際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉矩控制方案決定。Jang-Molll kim 5等人提出了將直流母線電壓作為一個反饋量用于電壓外環(huán)調節(jié)的改進方案，從而使系統(tǒng)工作在最大電壓利用狀態(tài)?？刂仆猸h(huán)的電壓可以確保電流調節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿意的控制效果。Sozer等人提出了自適應弱磁控制法6以克服電流調節(jié)器飽和的問題。Jiunn-Jiang Chen7等人將非線性降維狀態(tài)觀測器應用于弱磁控制，從而提高控制系統(tǒng)對電機參數變化的魯棒性。22 從電機本體角度傳統(tǒng)結構的永磁同步電動機弱磁效果較差從結構上看，

7、由于永磁體磁阻率接近于空氣，傳統(tǒng)結構的永磁同步電動機，其永磁體總是串聯在電機的直軸磁路上，等效氣隙很大，直軸電抗很小，在正常的電樞電壓下，不可能獲得很大的直軸電流，因而無法獲得滿意的弱磁效果。這就要求尋找特種結構的永磁同步電動機，以適應弱磁運行的要求8。Richard FSchifcrl、伊華杰等設計了一種復合轉子結構永磁同步電動機，從電機的本體上解決了弱磁擴速難的問題。二、永磁同步電機弱磁控制的控制策略（一）電壓極限橢圓梯度下降法弱磁控制文獻9提出了電壓極限橢圓的梯度下降法進行弱磁，該方法主要分為確定弱磁區(qū)域和修正電流參考值兩部分。這種方法快速性強，控制精度高，不需查表，實現簡單且準確率高，

8、魯棒性好。1. 電壓極限橢圓和電流極限橢圓定子電壓要受逆變器電壓極限的制約，于是有 (1)同樣，逆變器輸出電流的能力也要受其容量的限制，定子電流也有一個極限值，即 (2)若以定子電流矢量的兩個分量表示，則有 (3)由上式構成了電壓極限橢圓和電流極限圓，如圖1所示。圖中，電流極限圓的半徑為1，即設定等于額定值。由式(1)可以看出，電壓極限橢圓的兩軸長度與速度成反比，隨著速度的增大便形成了逐漸變小的一簇套裝橢圓。因為定子電流矢量既要滿足電流極限方程，又要滿足電壓極限方程，所以定子電流矢量一定要落在電流極限圓和電壓極限橢圓內。例如，當時，要被限制在ABCDEF范圍內。圖1 電流極限圓和電壓極限圓2.

9、 弱磁區(qū)域的確定永磁同步電動機運行過程中的電流、電壓軌跡如圖2所示。根據運行情況，可劃分為兩個弱磁區(qū)域：1) 弱磁區(qū)域I。定義電磁轉矩與產生其所需的電流的比為轉矩電流比?；l以下電動機恒轉矩運行，采用線性最大轉矩電流比控制，如圖中OA所示； 最大轉矩電流比曲線和最大轉矩電壓比曲線之間的區(qū)域稱為弱磁區(qū)域I。2) 弱磁區(qū)域 II。在基頻以上，電動機沿著 MT-PV 曲線運行，稱為弱磁區(qū)域 II。圖2 永磁同步電動機運行過程中的電流、電壓軌跡3. 系統(tǒng)結構框圖圖3為永磁同步電動機調速系統(tǒng)結構框圖。虛線部分為電流修正值計算模塊。速度指令信號與檢測到的轉子速度信號相比較，經速度控制器的調節(jié)，輸出電磁轉矩

10、Te指令信號，經MTPA模塊后輸出d、q軸電流、作為指令信號。、分別為 d、q 軸的電流修正值。圖3 永磁同步電動機調速系統(tǒng)結構框圖4. 基于梯度下降法的內埋式永磁同步電機弱磁控制策略內埋式永磁同步電機(IPMSM)由于結構上的特點使其在性能上有很多突出的優(yōu)點，如高功率密度、高功率因數、結構緊湊、調速范圍寬等，正是由于這些優(yōu)點使其廣泛應用于家用電器、交通運輸、磁盤驅動器以及機床、機器人等數控系統(tǒng)。軌道交通和電力牽引傳動系統(tǒng)要求電機在速度較低的時候能夠輸出比較大的轉矩，這樣可以滿足起動、加速、低速爬坡等要求，除了對基速以下的一些要求外，還要求在速度范圍上能夠更加寬廣，這就對電機的弱磁性能提出了要

11、求，要求其調速的范圍大。內埋式永磁同步電機由于存在結構轉矩，比較容易弱磁，且輸出轉矩大，因此對內埋式永磁同步電機的研究具有重要的意義10?；谔荻认陆捣ǖ娜醮趴刂扑惴ǎ恍枰楸?，控制精度高，響應速度快，且魯棒性好。具體算法描述如下。內埋式永磁同步電機運行過程中電流、電壓軌跡曲線如圖4所示?；僖韵?，電機運行在恒轉矩區(qū)域，采用線性最大轉矩電流比(MTPA)控制可以使永磁同步電機獲得最大的電磁轉矩11，如圖中OA曲線所示。隨著轉速的升高，電機將沿著最大轉矩電流比曲線OA和最大轉矩電壓比(MTPV)曲線BC之間的恒轉矩曲線運行，即為弱磁區(qū)域I(FWRl)。在更高的轉速范圍，電機沿著MTPV曲線BC

12、運行，即上述弱磁區(qū)域2(FWR2)，如圖2所示。對于給定參考轉矩瓦，隨著轉速的升高，電機沿著恒轉矩曲線DE運行，到達E點之后，如果轉速繼續(xù)升高，電機將沿著MTPV曲線EC運行，其輸出轉矩逐漸減小M。在弱磁過程中，最主要的是確定設定電流修正值的大小。首先根據電機的運行曲線確定其所在的弱磁區(qū)域(FWRl、FWR2)，再根據所在的弱磁區(qū)域，對電流設定值進行相應的修正。（二）采用改進的超前角控制弱磁增速超前角弱磁控制算法是目前較為常用的弱磁控制方法12。運用該算法控制表貼式永磁同步電機運行于弱磁區(qū)時，隨著負載的增加，通常會出現如下問題： 從恒轉矩區(qū)到恒功率區(qū)的過渡過程中，出現較大的電流震蕩，從而引起速

13、度波動，系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。而在恒功率區(qū)，會出現穩(wěn)態(tài)速度下降的現象，穩(wěn)態(tài)時的速度和電流波動也會變大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不佳。1. 表貼式永磁同步電機數學模型及傳統(tǒng)超前角弱磁控制算法dq軸系下表貼式永磁同步電機定子電壓方程為13 （4） 式中：和分別為直軸和交軸同步電感，且=，為定子相電阻，為轉子的電角速度，為轉子永磁體產生的勵磁磁場的基波磁鏈。電機高速穩(wěn)定運行時，忽略定子壓降，電壓方程可以改寫為 （5） 電機定子電壓 由式（5）可得 （6）由式（6）可以看出，當電機定子電壓達到逆變器的輸出極限時，為了使轉速升高，只能通過增加直軸去磁電流分量和減小交軸電流分量 ，以維持電壓平衡，達到弱磁調速的目的。

14、圖4為傳統(tǒng)超前角弱磁算法的控制框圖，其基本原理為：以電流環(huán)的輸出值作為電壓 PI 調節(jié)器的輸入控制量，與給定電壓 之間的差值通過電壓PI 調節(jié)器來控制電機定子電流矢量與 q 軸之間的超前角 。為，其中為逆變器直流母線電壓。當 低于 時，由于飽和環(huán)節(jié)的作用，PI 調節(jié)器處于正向飽和，輸出電流超前角=0，此時= ，= 0，電機運行在恒轉矩區(qū)。當 高于 時，電壓 PI 調節(jié)器輸入為負值，PI 調節(jié)器開始退出飽和，輸出負的超前角，產生負向 d 軸電流分量，電機進入弱磁工作區(qū)。同時對還要采取一定的限制，使其小于電機的最大去磁電流。14圖4傳統(tǒng)超前角弱磁算法框圖2改進的 SVPWM 過調制算法表貼式永磁同

15、步電機采用傳統(tǒng)超前角弱磁控制算法加載運行時，當給定電機轉速超過其轉折速度，在其升速階段，會出現 d，q 軸電流的劇烈震蕩，進而導致速度的波動，電機沒有實現從恒轉矩區(qū)到恒功率區(qū)的平滑過渡。電流的劇烈震蕩通常會引起驅動器的過流保護，同時引發(fā)逆變電路較大的di / dt 和 dv / dt，增大電機運行時的電磁干擾，降低功率器件的使用壽命。通過分析得出在弱磁調速的升速階段，電流環(huán)的輸出即電壓指令值在某些瞬會超過 SVPWM 算法的輸出范圍，由于 PI 調節(jié)器固有的延遲性，依靠弱磁控制的電壓閉環(huán)并不能快速地將電壓調整過來，從而造成了輸出電壓在某些瞬間不可控，引起了電流的震蕩。為此，本文嘗試采用一種改進

16、的 SVPWM 過調制算法，在逆變器直流側電壓不變的情況下增大其交流電壓輸出，提高電壓輸出能力，改善弱磁調速時的動態(tài)性能15。（三）內置式永磁同步電動機弱磁控制內置式永磁電機的永磁體埋在轉子鐵心里面，在弱磁運行時使其具有退磁的防護作用，所以內置式永磁電機比表貼式永磁電機不易退磁。由于內置式永磁電機d軸電感大于表貼式永磁機，且d軸電感小于q軸電感，具有磁阻轉矩，所以其具有更寬的恒功率范圍和優(yōu)良的弱磁擴速能力1617，非常適用于啟動、低速或爬坡時輸出大轉矩，在高速時輸出大功率，以及寬調速范圍、高可靠性的車輛環(huán)境中。與傳統(tǒng)電勵磁電機相比，內置式永磁同步電動機具有體積小、質量輕、損耗小、效率高、結構簡

17、單、運行可靠等顯著優(yōu)點，在高性能、轉矩響應快速性的場合具有很好的應用前景，所以在電動汽車中采用永磁同步電動機驅動成為發(fā)展趨勢18。1 內置式永磁同步電機移相弱磁控制策略圖5是本設計提出的弱磁控制策略方框圖。圖5 IPMSM移相弱磁控制方框圖圖中轉速環(huán)主要得到轉子位置角度，經取微分得到電角速度。通過轉速調節(jié)器得到轉矩，由電流發(fā)生器按照最大轉矩電流比控制的電流輸出公式給出和，d、q軸的電流參考值在角度運算器中做極坐標到直角坐標的變換以及逆變換。當轉速超過基速時切換到弱磁控制模式，弱磁控制器生成系數作用到電流相位角上生成和。d、q軸電流分量經過PI調節(jié)和電流解耦后得到和，最后通過旋轉至靜止的坐標變換

18、，便可獲得用于控制變頻器輸出的靜止坐標系中的定子電壓、。與傳統(tǒng)的基速下采用=0的弱磁控制方式比較，該系統(tǒng)增加了一個帶弱磁控制其的電壓反饋環(huán)節(jié)。弱磁控制其的作用就是檢測給定定子電壓，并用它與實際定子端電壓做一種方式上的比較，最后經過PI調制得到比例系數，再經由角度元算器將它作用到電流相位角上以起到弱磁效果。經由給和。運算得到的和包含著此時電機負載的信息，通過它與定子端電壓做比較就保證潛在弱磁區(qū)間中選擇一個依賴于負載的點進入弱磁模式。這里的弱磁控制器的設計需要滿足一下幾個條件：(1)運算給定低于端電壓時，輸出的系數的作用應不改變相位角，相當于電機處于最大轉矩電流比控制。此時，電動機處于基速以下恒轉

19、矩運行或者是潛在弱磁區(qū)域中的最大轉矩電流比容許部分。(2)電動機端電壓隨著IPMSM轉速的增加逐步升高，當運算給定大于時，弱磁控制器要快速響應，迅速給出調制系數，使它在角度運算器的作用下得到以保證弱磁控制開始，使IPMSM的轉速的一繼續(xù)升高。在調制的過程中，由于響應速度的要求，PI調制要快速退飽和，要求對PI控制器作出特殊的設計。(3)在調速過程中，注意對電流要限制，和都要在電流極限的容許范圍內19。2 具有快速動態(tài)響應的前饋弱磁控制策略基于前饋控制的弱磁控制策略，將交、直軸電隨轉矩及定子磁鏈的變化關系繪制成表格。在電機運行過程中，根據轉矩及定子磁鏈的參考值通過實時查表得出電機的交、直軸電流給

20、定值。由于該方法可以根據實際工況要求同時得出交、直軸電流參考值，因此可以有效地提高系統(tǒng)的快速響應能力20。圖6 IPMSM移相弱磁控制方框圖如圖6所示，弱磁控制策略的實現過程主要包括4個部分。第四部分是根據逆變器直流側電壓及電機的轉速計算定子磁鏈限幅值。這里假定電壓參考值為最大輸出電壓值，即： （7）第二部分即根據電機的轉矩、磁鏈參考值查表得出電機的交、直軸電流給定值，以實現系統(tǒng)的前饋控制。第三部分是根據轉速的升高實時限定電機可能輸出的最大轉矩，從而實現電機的恒功率運行。前饋控制可以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應，然而，不同的交、直軸電流作用下，電動機的磁路飽和程度不同，因而，電機參數不同，這對系統(tǒng)的

21、弱磁控制性能有直接影響。因為直軸磁路存在永磁體，其磁導率接近空氣的磁導率，不易飽和，所以直軸電流對直軸電感的影響較??；而交軸電流的變化對交軸電感的影響則比較明顯。永磁同步電動機弱磁升速過程中，直軸電流逐漸增大，而交軸電流是逐漸減小的。因此在弱磁過程中，應該考慮交軸電感值的變化造成直軸參考電流的計算誤差。三、結 語本文主要分析、研究了無刷直流電動機的無位置傳感器技術、轉矩脈動控制以及起動方法分析這三個熱點問題。和傳統(tǒng)結構永磁同步電動機和復合轉子永磁同步電動機通過弱磁控制能夠拓寬速度范圍，但是存在一些不足。與之相比，利用設計漏磁通路改變磁通路徑的方法為徹底解決永磁電機的弱磁問題提供了新的希望和途徑

22、，目前這種利用漏磁通路弱磁的方法尚有待更為深入的研究?？梢?，尋找一種能夠完美地滿足弱磁控制要求的新型永磁同步電動機結構和控制方法，是當今電機界的重要研究課題。四、參考文獻1 劉 暢，馬成祿永磁同步電機控制策略簡介科技信息，201011，p107-1082 田淳，胡育文永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究電工技術學，200201，p7-113 Jang-Mok Kim，SeungKi SulSpeed Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor-Drive for the Flux Weakening Operatio

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