面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的PMSM控制教學(xué)研究

周華偉, 劉國(guó)海, 張 多, 毛彥欣

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的PMSM控制教學(xué)研究

周華偉, 劉國(guó)海, 張 多, 毛彥欣

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求培養(yǎng)學(xué)生具備運(yùn)用綜合知識(shí)解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。本文以永磁同步電機(jī)(PMSM)控制為例，以電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)為工程背景，從解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的一般性方法和規(guī)律出發(fā)，建立電機(jī)模型，設(shè)計(jì)控制策略，并且進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該教學(xué)方法能豐富教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)。

PMSM驅(qū)動(dòng)控制; 仿真分析; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是高等學(xué)校電氣自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的知識(shí)綜合性和實(shí)踐性[1]。僅通過(guò)課堂的理論教學(xué)和少量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生難以具備靈活貫通運(yùn)用所學(xué)的該專業(yè)課程知識(shí)的能力，更無(wú)法達(dá)到工程教育認(rèn)證對(duì)工程類(lèi)專業(yè)特別強(qiáng)調(diào)的“運(yùn)用綜合知識(shí)解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求[2]。如何在該課程教學(xué)中提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用綜合專業(yè)知識(shí)解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，是新形勢(shì)下提高該課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文以“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程中永磁同步電機(jī)(PMSM)控制的教學(xué)內(nèi)容為例，以學(xué)生為中心，引入電動(dòng)汽車(chē)為工程應(yīng)用背景，從電動(dòng)汽車(chē)對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能需求出發(fā)，通過(guò)建立PMSM模型、設(shè)計(jì)矢量控制策略、采用Matlab/Simulink構(gòu)建PMSM控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，然后讓學(xué)生設(shè)計(jì)制作電機(jī)控制器，并利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源搭建模擬實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)解決這一特定對(duì)象的實(shí)際工程問(wèn)題，讓學(xué)生建立起解決實(shí)際工程問(wèn)題的一般性方法和思路。本方法凸顯實(shí)際工程背景，可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，切實(shí)提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

在課堂教學(xué)中根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)PMSM特性需

圖1 PMSM驅(qū)動(dòng)控制器拓?fù)?/p>

求講解PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及控制策略。

1.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)汽車(chē)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度和寬恒功率調(diào)速范圍，因此一般采用V型永磁體內(nèi)嵌式PMSM，其三相驅(qū)動(dòng)逆變器的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)如圖1所示。

假設(shè)電機(jī)磁路為線性；不計(jì)鐵心中的渦流和磁滯損耗；氣隙磁場(chǎng)在空間為正弦分布；三相定子繞組對(duì)稱。PMSM在三相靜止坐標(biāo)系上的模型為

(1)

(2)

式中：uA、uB、uC、iA、iB、iC、ΨA、ΨB、ΨC分別是電機(jī)相電壓、相電流和定子相磁鏈，LAA、LBB、LCC、LAB、LCA、LBC分別是三相繞組自感、互感，R為繞組電阻，Ψf為永磁磁鏈，θ是轉(zhuǎn)子位置角。

可見(jiàn)定子相磁鏈相互之間存在耦合，在自然坐標(biāo)系上很難使該電機(jī)的性能和獨(dú)立勵(lì)磁的直流電機(jī)一樣。為提高該電機(jī)運(yùn)行性能需要解耦，采用CLARK和PARK變換將式(1)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上得[3]

(3)

式中：Ld、Lq、id、iq、ud、uq分別為d、q軸電感、電流、電壓；ω為電角速度。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中：np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

1.2 PMSM控制和弱磁性能分析

由式(3)可知在d-q軸上PMSM定子電壓由三部分構(gòu)成：阻抗壓降、耦合電壓、反電勢(shì)。隨著轉(zhuǎn)速升高，耦合電壓占的比重增加。因此低速時(shí)d-q軸電流耦合作用影響不大，但隨著速度升高，耦合作用的影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。PI電流控制只對(duì)d-q軸的兩個(gè)電流環(huán)單獨(dú)作用，忽略了交叉耦合，導(dǎo)致當(dāng)其中一軸上電流指令發(fā)生變化時(shí)，另一軸上電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)誤差，引起轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)畸變，影響其動(dòng)態(tài)性能[4]。因此需要消除該耦合電壓，才能使PMSM獲得和獨(dú)立勵(lì)磁的直流電機(jī)一樣的性能。觀察式(3)可知最簡(jiǎn)單有效的方法是從式(3)中減去耦合電壓。于是采用如圖2所示的電壓前饋解耦控制就能消除d-q軸電流間的耦合[4]。

圖2 電壓前饋解耦控制

由式(4)可知電機(jī)轉(zhuǎn)矩取決于電流id和iq。id和iq在d-q軸電流平面上表示成一個(gè)點(diǎn)，定義為“電機(jī)工作點(diǎn)”，其在d-q軸電流平面上移動(dòng)形成電流軌跡。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)入弱磁運(yùn)行時(shí)，要求電機(jī)工作點(diǎn)沿特定電流軌跡運(yùn)行，以滿足電機(jī)運(yùn)行限制條件下的性能最優(yōu)[5]。

(5)

(6)

為分析電機(jī)弱磁性能，使用電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程且忽略相對(duì)較小的定子電阻壓降，PMSM在d-q坐標(biāo)系上的穩(wěn)態(tài)電壓方程為

(7)

將式(7)代入式(6)使電壓限制轉(zhuǎn)化為電流限制:

(8)

如圖3所示，在d-q軸電流平面上，式(5)表示為一個(gè)以坐標(biāo)O (0, 0)為圓心的圓，稱為電流限制圓；式(8)表示為一個(gè)以坐標(biāo)C (-ψf/Ld, 0)為圓心的橢圓，稱為電壓限制橢圓[5]。

圖3 PMSM的電氣約束

在電機(jī)工作點(diǎn)達(dá)到B點(diǎn)之后，如轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，則應(yīng)沿最大轉(zhuǎn)矩電壓比(MTPV)線向C點(diǎn)移動(dòng)才能獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩[6]，但是圖4所示電壓反饋法只能使電機(jī)工作點(diǎn)繼續(xù)向左移動(dòng)，直到電流圓和電壓圓沒(méi)有交點(diǎn)，這必然導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力大幅降低，更主要的是此時(shí)電流無(wú)法繼續(xù)跟隨給定電流，從而導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)器飽和，引起電流失控，因此需對(duì)id限幅，一般選id限幅值為Ieigen=-Ψf/Ld。

圖4 基于電壓反饋的弱磁控制策略

2 仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Simulink仿真分析

加了讓學(xué)生深入理解PMSM控制策略，布置課后作業(yè)，讓學(xué)生在Matlab/Simulink中搭建PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。PMSM參數(shù)：額定功率是20 kW，額定轉(zhuǎn)速是2030 r/min，極對(duì)數(shù)是3，定子相電阻為26 mΩ，d軸電感是0.52 mH，q軸電感是1.02 mH，永磁磁鏈?zhǔn)?.129 Wb。母線電壓是260 V，d軸限幅電流是-140 A，MTPA角是20度。

圖5是PMSM轉(zhuǎn)速為1500 r/min，d-q軸電流指令階躍時(shí)的電流響應(yīng)?？梢?jiàn)僅采用PI控制時(shí)，由于d-q軸之間存在電壓耦合，電流指令突變時(shí)，d-q軸電流之間相互影響，無(wú)法跟隨電流指令。而采用電壓前饋控制之后d-q軸電流間的耦合就消除了，電流能很好地跟隨電流指令，因此PMSM動(dòng)態(tài)性能提高了。圖6是PMSM轉(zhuǎn)速為5000 r/min，轉(zhuǎn)矩在56 Nm和0 Nm之間階躍時(shí)的電流響應(yīng)波形。整個(gè)過(guò)程電流跟隨較好，驗(yàn)證了弱磁策略的可行性。

學(xué)生在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上可以通過(guò)修改PI參數(shù)、PWM發(fā)波方式、電機(jī)參數(shù)、負(fù)載等，觀測(cè)轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩的變化，從而加深對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的理解。在此基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)拓展，設(shè)計(jì)其它的控制策略，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。

2.2 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在前述仿真研究的基礎(chǔ)上，為讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)的重要性，極大調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程設(shè)計(jì)中安排了實(shí)踐環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，采用Altium Designer設(shè)計(jì)制作圖7所示PMSM控制器，搭建了電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。

(a) PI

(b) 電壓前饋控制圖5 額定轉(zhuǎn)速下的電流響應(yīng)性能

圖6 弱磁情況下的電流響應(yīng)性能

圖7 永磁電機(jī)控制器及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8是轉(zhuǎn)矩階躍時(shí)電流響應(yīng)，可看出PI控制時(shí)d-q軸電流相互影響導(dǎo)致畸變，不能很好地跟隨電流指令變化；而采用電壓前饋解耦時(shí)的電流響應(yīng)，d-q軸電流沒(méi)有發(fā)生畸變，能較好地跟隨指令突變。圖9是d-q電流平面上的電流軌跡。在整個(gè)升降速過(guò)程中d-q軸電流均能很好地跟隨電流指令變化。

此環(huán)節(jié)難度較大且時(shí)間緊張，學(xué)生需要將所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用并靈活貫通，需要帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)新知識(shí)，同時(shí)需要相互交流與合作。通過(guò)此環(huán)節(jié)培養(yǎng)，學(xué)生掌握了PMSM驅(qū)動(dòng)控制策略，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，明白了不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的重要性；另外此環(huán)節(jié)也培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用綜合知識(shí)分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的一般性方法和能力。

(a) PI

(b) VFDC圖8 額定轉(zhuǎn)速下的電流響應(yīng)

圖9 d-q電流平面上的電流軌跡

3 結(jié)語(yǔ)

本文從電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)這一實(shí)際工程運(yùn)用背景出發(fā)，循問(wèn)題分析、數(shù)學(xué)建模、仿真分析、控制器設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、程序編寫(xiě)調(diào)試以及最終的實(shí)驗(yàn)研究之軌，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。該過(guò)程需要學(xué)生綜合、靈活運(yùn)用“電路”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“電力電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”、“電機(jī)學(xué)”、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”等多門(mén)課程的知識(shí)以及現(xiàn)代工具軟件。整個(gè)過(guò)程中，尤其需要學(xué)生帶著問(wèn)題去查閱資料和學(xué)習(xí)知識(shí)、需要相互溝通、幫助，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了其自我學(xué)習(xí)和不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)，加深了其對(duì)所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)了其創(chuàng)新思維能力，加強(qiáng)了其工程實(shí)踐能力。

由實(shí)際工程問(wèn)題入手，從建模、仿真、實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，從而滿足工程教育認(rèn)證對(duì)工程類(lèi)本科專業(yè)特別強(qiáng)調(diào)的“”解決復(fù)雜工程問(wèn)題“”要求。

[1] 阮毅, 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)--運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

[2] 秦海鴻, 黃文新, 曹鑫, 王曉琳. 電氣工程專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題教學(xué)改革探究[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 38(5): 7-9.

[3] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)-理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京; 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

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Teaching Study of PMSM Control for Engineering Education Accreditation

ZHOU Hua-wei, LIU Guo-hai, ZHANG Duo, MAO Yan-xin

(SchoolofElectricalandInformationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Engineering education accreditation requires that students have the ability of using comprehensive knowledge to solve complex engineering problems in their major field. To achieve the object, permanent magnet synchronous motor (PMSM) control for electric vehicle is used as an example to build motor model, design control strategy, conduct simulation and experiment. The method can enrich teaching content and achieve the objective of engineering education accreditation.

PMSM drive control; simulation analysis; experimental verification

2016-12-23;

2017-04- 26 基金項(xiàng)目：江蘇大學(xué)高等教育教學(xué)改革與研究課題(2015JGYB034)

周華偉(1980-)，男，博士，副教授，主要從事運(yùn)動(dòng)控制方面的教學(xué)與研究工作，E-mail: zhouhuawei@ujs.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)03-0024-05