PMSM控制方式FOC-MTPA-弱磁簡(jiǎn)介

主要內(nèi)容

一、IPMSM簡(jiǎn)介二、PMSM的數(shù)學(xué)模型及FOC控制方式三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制四、弱磁控制一、IPMSM簡(jiǎn)介永磁同步電機(jī)（PMSM)根據(jù)永磁體的裝嵌方式分為面裝式PMSM和插入式PMSM（interiorpermanentmagnetsynchronousMotor,IPMSM）。對(duì)于IPMSM，由于永磁材料的磁導(dǎo)率近似于空氣磁導(dǎo)率故具有凸極效應(yīng)，結(jié)構(gòu)性凸極會(huì)產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩，在弱磁的恒功率區(qū)域具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，使IPMSM有更寬廣的調(diào)速范圍。

IPMSM的轉(zhuǎn)子采用永磁體且沒有繞組，控制的復(fù)雜性要低于異步電動(dòng)機(jī)；同時(shí)由于其本身的高功率密度與高效率，使其在電動(dòng)乘用車的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展前景十分廣闊。

目前技術(shù)已非常成熟的豐田“普銳斯”混合動(dòng)力汽車的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)“ToyotaHybridSystem”正是采用IPMSM作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。二、PMSM的數(shù)學(xué)模型及FOC控制方式正弦波PMSM按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式可分為（a）表貼式PMSM：隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Ld=Lq，但氣隙較大導(dǎo)致磁阻較小，電感較?。╞）嵌入式PMSM：凸極式Ld<Lq,功率密度大，輸出轉(zhuǎn)矩能力強(qiáng)，適用于較高轉(zhuǎn)速，但漏磁系數(shù)大（c）內(nèi)埋式PMSM：凸極式，高氣隙磁通密度，適用于超高速，輸出轉(zhuǎn)矩能力最大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴

PMSM的在d-q軸上的數(shù)學(xué)模型二、PMSM的數(shù)學(xué)模型及FOC控制方式坐標(biāo)變換Clark變換Park變換iclark變換iPark變換二、PMSM的數(shù)學(xué)模型及FOC控制方式PMSM矢量控制方法（FOC）原理借助于坐標(biāo)變換，將各變量從三相靜止坐標(biāo)系變換到跟隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，定子電流矢量按d-q軸被分解id和iq（其中id為勵(lì)磁電流分量，iq為轉(zhuǎn)矩電流分量），轉(zhuǎn)矩方程（2）中，通過(guò)對(duì)id和iq的控制可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。（1）（2）二、PMSM的數(shù)學(xué)模型及FOC控制方式MTPA控制方式即最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式，在該控制方式下，幅值一定的電子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，等價(jià)于對(duì)應(yīng)相同的電磁轉(zhuǎn)矩，在該控制下所需的定子電流最小，進(jìn)而對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)銅損也最小。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(maximumtorqueperampere,MTPA)的優(yōu)點(diǎn)：（1）在定子電流給定的情況下，獲得最佳的d、q軸電流分量，使得電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩最大。

（2）在輸出電磁轉(zhuǎn)矩給定的情況下，使電機(jī)輸入電流最小。

MTPA控制在不影響輸出轉(zhuǎn)矩的前提下可以降低電機(jī)的銅耗，提高運(yùn)行效率，尤其是在汽車啟動(dòng)、加速以及爬坡時(shí)降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際容量。三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制Id、Iq、Ia的關(guān)系為：將式（1）帶入扭矩公式，再將Te對(duì)iq求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)等于零，可以得到：(1)(2)式（2）能簡(jiǎn)化為：(3)解得id：(4)三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制在實(shí)際控制中，一般將各矢量標(biāo)幺化，所以將上式進(jìn)行標(biāo)幺化，并代入恒轉(zhuǎn)矩公式表達(dá)式的標(biāo)幺化結(jié)果

Te*=iq*(1-id*)

可以得到電磁轉(zhuǎn)矩用dq軸電流分量的標(biāo)幺值表示為

(6)(5)三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制反過(guò)來(lái)，此時(shí)用電磁轉(zhuǎn)矩的函數(shù)式f1(Te*)和f2(Te*)可以表示出定子電流分量id*

和iq*

。根據(jù)函數(shù)式f1(Te*)和f2(Te*)，在轉(zhuǎn)矩給定已知的情況下，可以求出最小的交直軸電流，以此結(jié)果作為電流給定，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的MTPA控制，其框圖如圖所示。這種控制方式具有減小電機(jī)損耗，提高系統(tǒng)工作效率等優(yōu)點(diǎn)，但由于計(jì)算公式復(fù)雜而不便于工程應(yīng)用。所以，如何實(shí)現(xiàn)有效可行且各項(xiàng)性能較好的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制系統(tǒng)框圖四、弱磁控制PMSM轉(zhuǎn)速要上升到基速之上，就必須通過(guò)弱磁控制來(lái)調(diào)節(jié)定子電流。假如電機(jī)的控制系統(tǒng)中沒有采用弱磁控制，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將快速下降使電機(jī)很快喪失負(fù)載能力。如果僅依靠?jī)?yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)本身來(lái)提高速情況下的負(fù)載能力，那樣設(shè)計(jì)出的PMSM定子電感偏小，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下定子電流很大，加重了變頻器容量負(fù)擔(dān)，必須采用額定參數(shù)較大的電力電子器件，提高了系統(tǒng)成本四、弱磁控制永磁同步電機(jī)不存在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，也沒有勵(lì)磁電流，所以無(wú)法通過(guò)降低勵(lì)磁電流來(lái)降低反電動(dòng)勢(shì)。在PMSM中永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)是恒定不變的，只有想辦法調(diào)節(jié)定子電流矢量，使之去磁分量增加來(lái)“抵消”一部分永磁磁通，進(jìn)而使電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。對(duì)于PMSM的定子電壓有：

從式可以知道要通過(guò)控制定子電流矢量來(lái)減小定子電壓只有2個(gè)方法：減小Iq或者是給定一個(gè)負(fù)的Id。方程式中其他參數(shù)基本都是隨著電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變而基本維持不變的。

四、弱磁控制方法1：在電流環(huán)的控制過(guò)程中人為的加入一個(gè)負(fù)id

，并且是它的幅值隨著同步轉(zhuǎn)速的上升而增加，使去磁作用不斷增加以維持定子上的電壓平衡。方法2：在電流環(huán)的控制過(guò)程中人為的減小iq，其實(shí)質(zhì)上就是減小定子電流矢量的助磁作用及氣隙合成磁場(chǎng)。提高定子的交軸電感Lq可以放大這種等效弱磁作用。但是減小iq對(duì)于PMSM的轉(zhuǎn)矩有很大的影響，從上式可知道PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩主要由iq貢獻(xiàn)，減小iq實(shí)質(zhì)上是以降低電機(jī)的性能來(lái)?yè)Q取調(diào)速范圍。因此，一般是通過(guò)增加負(fù)id的方式來(lái)擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍，即采用方法一來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行弱磁。四、弱磁控制系統(tǒng)運(yùn)行在弱磁控制模式時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)輸出功率恒定不變。只要電流分控制在電壓極限圓和電流極限圓的交集中，就可以形成一個(gè)恒定功率的調(diào)速區(qū)域。這時(shí)PMSM的定子電流矢量將沿著電流極限圓向著d軸的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。運(yùn)用不等式來(lái)表述恒功率弱磁的前提條件為：E0、Xd分別是永磁同步電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和直軸電抗。電機(jī)能夠運(yùn)行在極限大