車(chē)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制研究

李永曠，林立，袁旭龍，趙海艷，彭志華

(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系，湖南 邵陽(yáng)，42200)

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車(chē)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制研究

李永曠，林立，袁旭龍，趙海艷，彭志華

(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系，湖南 邵陽(yáng)，42200)

為提高車(chē)用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，本文研究了弱磁控制策略，并在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了高速區(qū)弱磁控制系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，為高速巡航及超車(chē)等工況的進(jìn)一步研究提供一定的借鑒意義．

電力牽引；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)；弱磁控制

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)因其高轉(zhuǎn)矩功率密度，高功率因素，恒功率寬調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、軌道牽引、電主軸等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]．電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速時(shí)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制，高速時(shí)實(shí)現(xiàn)恒功率寬調(diào)速．此外，在高速牽引等軌道交通領(lǐng)域，也極力追求IPMSM系統(tǒng)恒功率寬調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)速度提升，因此，對(duì)電力牽引用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制，提升IPMSM的調(diào)速范圍，具有重要意義[4-5]．本文研究?jī)?nèi)置式永磁電機(jī)弱磁控制策略，借助Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建車(chē)用IPMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，為高速巡航及超車(chē)等工況的進(jìn)一步研究提供一定的借鑒意義．

1 IPMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化IPMSM數(shù)學(xué)模型的分析，假設(shè)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，阻尼繞組對(duì)電機(jī)永磁體沒(méi)有阻尼作用；定子氣隙均勻分布；反電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波形；忽略電機(jī)鐵心飽和及電機(jī)渦流、磁滯損耗．在此假設(shè)條件下，IPMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型為：

電壓方程：

(1)

轉(zhuǎn)矩方程：

Te=p(ψdiq-ψqid)=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](2)

運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

式(1)-(3)中，ψf為永磁磁鏈；idiq，uduq，ψdψq，LdLq分別為dq軸定子電流、電壓、磁鏈和電感分量；ω為電機(jī)電角速度；p為極對(duì)數(shù)；Te,TL,F,J分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、粘滯摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Rs為定子相電阻．

2 IPMSM弱磁控制策略

IPMSM的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，通過(guò)增加定子直軸電流id，利用直軸電樞反應(yīng)減弱電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，等效達(dá)到“弱磁”效果，由于端電壓us和定子電流is，受到逆變器輸出的能力限制，在dq坐標(biāo)系下，假設(shè)電流和電壓的極限值分別為ilim、ulim，則可得：

(4)

(5)

由于電機(jī)高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電阻值遠(yuǎn)小于電抗值，因此電阻上的壓降可忽略不計(jì)，由式(1)可知穩(wěn)態(tài)電壓方程；

(6)

將式(6)代入式(5)，整理可得電壓極限橢圓方程：

(7)

由式(7)可知，當(dāng)電機(jī)的電壓達(dá)到逆變器所能夠輸出的電壓極限ulim時(shí)，若繼續(xù)提速，則需進(jìn)入弱磁控制區(qū)域，以增加id同時(shí)減少iq的方式達(dá)到保持輸出電壓平衡的效果．

圖1 定子電流矢量軌跡Fig.1 Vector trajectory of stator current

由式(4)和式(7)可得電流極限圓與電壓極限橢圓．如圖1所示，MTPA控制軌跡為曲線OA，當(dāng)進(jìn)入弱磁控制時(shí)，定子電流軌跡沿曲線AB由A點(diǎn)至B點(diǎn)，以此達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的．

2.1 弱磁控制區(qū)域

對(duì)IPMSM進(jìn)行弱磁控制時(shí)，電流軌跡的工作區(qū)域劃分及各區(qū)域中電壓、電流以及轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖2所示，弱磁Ⅱ區(qū)可以認(rèn)為是圖2中標(biāo)出的最優(yōu)控制區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)，功率達(dá)最大，當(dāng)電機(jī)的參數(shù)滿足特定要求時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)．

圖2 弱磁控制工作區(qū)域Fig.2 Working area of flux weakening control

在圖2所示的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變，且可為最大值．電機(jī)的反電勢(shì)與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，成上升趨勢(shì)，因此，輸出功率不斷增加．

圖1中，可以看出逆變器的輸出電壓在A點(diǎn)后達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)速也在此達(dá)到額定值，受電流極限圓的限制作用，此種運(yùn)行機(jī)制下，轉(zhuǎn)速無(wú)法沿著曲線繼續(xù)上升．若想繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入如圖2所示的弱磁控制區(qū)域．

弱磁Ⅰ區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成反比，輸出功率恒定．如若需更高轉(zhuǎn)速，則控制需進(jìn)入弱磁Ⅱ區(qū)，電機(jī)沿著MTPV曲線運(yùn)行．

其方程可以表示為：

(8)

MTPV方向?yàn)槠滠壽E的切線方向，由式(8)得：

(10)

根據(jù)ΔU的大小，可得電流參考修正值為：

(11)

(12)

為了使輸出電壓不超過(guò)逆變器所能承受的最大電壓，電流調(diào)節(jié)器的輸入電流可以表示為：

(13)

(14)

2.2 弱磁控制策略

電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩輸出，以適應(yīng)快速起動(dòng)、爬坡、加速等要求；高速時(shí)實(shí)現(xiàn)恒功率弱磁調(diào)速，以滿足電動(dòng)汽車(chē)高速巡航、超車(chē)等要求．考慮到電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和特殊要求，設(shè)計(jì)車(chē)用IPMSM的控制系統(tǒng)時(shí)，采用弱磁控制策略，以拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)高速恒功率運(yùn)行．

圖3 IPMSM弱磁控制策略總體框圖Fig.3 Overall block diagram of the IPMSM flux weakening control strategy

圖3為IPMSM弱磁控制策略總體框圖，主要包括：弱磁控制模塊、IPMSM電機(jī)模塊、SVPWM產(chǎn)生模塊、坐標(biāo)變換模塊、逆變器模塊、轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)模塊等．

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

以永磁同步電機(jī)弱磁控制原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，依據(jù)如圖3所示的IPMSM弱磁控制策略總體框圖，以及應(yīng)用上述的弱磁控制策略，在Matlab/Simulink中，利用SimPowerSystems豐富的模塊，搭建了IPMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示．

圖4 IPMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of IPMSM flux weakening control system

圖4中電機(jī)模塊的參數(shù)為：定子電阻Rs=0.86Ω，直軸電感Ld=0.0055H，交軸電感Lq=0.0113H，永磁磁鏈ψf=0.205Wb，極對(duì)數(shù)p=4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=5.345×10-3kg·m2，粘滯摩擦系數(shù)F=1×10-3N·m·s．直流母線電壓Udc=537V．額定轉(zhuǎn)速N=3000r/min．

圖5 弱磁的交、直軸電流id、iq、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真波形Fig.5 Simulation waveform of the id、iq、Te and n

圖5是實(shí)驗(yàn)條件為給定轉(zhuǎn)速n=5000r/min，0-0.3s負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L=3N·m，0.3-0.5s負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L=10N·m的IPMSM限幅變載弱磁調(diào)速的系統(tǒng)仿真波形圖．起動(dòng)限幅轉(zhuǎn)矩為20N·m，由圖5可知0-0.15s，IPMSM系統(tǒng)速度迅速上升到5000r/min，此階段交、直軸電流分別為id=-50A、iq=7A；0.15-0.2s是電機(jī)速度調(diào)節(jié)過(guò)程，電磁轉(zhuǎn)矩Te=3 N·m與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，此階段iq=1A、id=-40A；0.3s以后負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載到TL=10N·m時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)e=10 N·m與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，此時(shí)iq=4A、id=-45A，轉(zhuǎn)速降低n=4800r/min．以上速度調(diào)節(jié)過(guò)程，證明了恒功率弱磁調(diào)速控制策略的有效性．

4 結(jié)論

本文研究了車(chē)用IPMSM寬調(diào)速控制策略，分析了弱磁擴(kuò)速的基本原理，并對(duì)弱磁擴(kuò)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，仿真分析結(jié)果表明，采用恒功率弱磁調(diào)速以后，整個(gè)系統(tǒng)的速度由額定轉(zhuǎn)速3000r/min,擴(kuò)速到5000r/min，有效的提高了速度范圍，為車(chē)用電機(jī)高速巡航及超速的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，為研究高性能車(chē)用電機(jī)控制器具有較好的參考價(jià)值．

[1]Seung-ki Sul，張永昌，李正熙，等．電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．

[2]盛義發(fā)，喻壽益．軌道車(chē)輛用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)弱磁控制策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010,(30)：74-79．

[3]羅德榮，曾智波，黃守道，等．電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)超前角弱磁控制[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,38(3)：1-5．

[4]唐朝輝，丁強(qiáng)，喻壽益，等．內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)弱磁控制策略[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010,14(5)：68-72．

[5]于家斌，秦曉飛，鄭軍，等．一種改進(jìn)型超前角弱磁控制算法[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16(3)：101-106．

Flux-weakening control research for interior permanent magnet synchronous motor in electric vehicle

LI Yongkuang，LIN Li，YUAN Xulong，ZHAO Haiyan，PENG Zhihua

(Department of Electrical Engineering，Shaoyang University，Shaoyang 42200，China)

In order to improve the vehicle speed range of the interior permanent magnet synchronous motor, the flux weakening control strategy is studied in this article.The interior permanent magnet synchronous motor flux weakening control system simulation model is established based on the platform of MATLAB/Simulink, and high speed weak magnetic control system simulation is carried out.The simulation results show that the system has a wide range of speed regulation, and these provide a

ignificance for further study on the high-speed cruise and overtaking and other conditions.

electric traction；interior permanent magnet synchronous motor；flux-weakening

1672-7010(2016)01-0071-04

2016-02-28

湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GK3033)；湖南省2015年普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(湘教通〔2015〕291號(hào))；湖南省2009 年教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(09C884)；2015年湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015GK2033)；邵陽(yáng)學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(Cx2015SY018)

李永曠(1989-)男，湖南婁底人，碩士研究生，從事新能源電動(dòng)汽車(chē)及風(fēng)力發(fā)電等方面的研究

林立(1972-)，男，湖南武岡人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，從事電力電子與電力傳動(dòng)、新能源電動(dòng)汽車(chē)及風(fēng)力發(fā)電等方面的教學(xué)與科研工作；E-mail:linlidexin@163.com

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