永磁同步電機(jī)弱磁與過調(diào)制控制策略研究*

陳亞愛, 陳煥玉, 周京華, 甘時(shí)霖

(1. 北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心,北京 100144;2. 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,北京 100081;3. 國家電網(wǎng)北京市電力公司順義供電公司,北京 101004)

永磁同步電機(jī)弱磁與過調(diào)制控制策略研究*

陳亞愛1, 陳煥玉2, 周京華1, 甘時(shí)霖3

(1. 北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心,北京 100144;2. 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,北京 100081;3. 國家電網(wǎng)北京市電力公司順義供電公司,北京 101004)

在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種提升永磁同步電機(jī)(PMSM)高速帶載能力的控制策略。該控制策略能克服電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)無法帶載的弱點(diǎn)，可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)該控制策略的算法包含PMSM的弱磁控制和電壓空間矢量的過調(diào)制控制，使電機(jī)能寬范圍帶載調(diào)速。為驗(yàn)證該控制策略，建立了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)的仿真模型，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該控制策略的可行性和有效性。

永磁同步電機(jī)；弱磁控制；過調(diào)制；控制策略；寬范圍帶載調(diào)速

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)轉(zhuǎn)子安裝方式可分為表貼式和內(nèi)置式。較之表貼式永磁同步電機(jī)(Surface-mount Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)電感值更大，更適于在恒功率區(qū)進(jìn)行弱磁控制。由于動(dòng)態(tài)性能的提高最終要受電機(jī)所能輸出轉(zhuǎn)矩極限值的限制，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及帶載能力，文獻(xiàn)[1]研究了電機(jī)處于深度弱磁狀態(tài)時(shí)，通過對(duì)電流軌跡的合理規(guī)劃，能有效避免電機(jī)失控，但對(duì)id最小值要進(jìn)行限幅，因此無法使電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[2]在分析IPMSM模型的基礎(chǔ)上，提出基于電機(jī)模型的弱磁控制策略，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于最高轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[3]以最小磁鏈轉(zhuǎn)矩比為基礎(chǔ)，提出了一種深度挖掘電機(jī)控制潛力的控制策略。但僅從電機(jī)角度考慮，并未充分研究整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，沒有充分利用母線電壓。文獻(xiàn)[4]提出一種應(yīng)用于電壓閉環(huán)弱磁控制方法簡化的過調(diào)制算法，但這種算法使弱磁電流存在較大波動(dòng)。為了使電機(jī)有寬的調(diào)速范圍以及強(qiáng)的帶載能力，論文在前人對(duì)弱磁控制研究的基礎(chǔ)上[1-7]，重點(diǎn)深入研究提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的控制策略[8-10]，解決在相同的電流條件下輸出更大轉(zhuǎn)矩的問題。

1 PMSM寬范圍帶載調(diào)速原理

弱磁控制和過調(diào)制研究組成了現(xiàn)代PMSM大范圍負(fù)載調(diào)速的研究。一般情況下逆變器容量的大小限制了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，因此電機(jī)電壓會(huì)在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)達(dá)到最大值，從而使電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓達(dá)到飽和，引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流與轉(zhuǎn)速等電機(jī)固有性能的下降?？紤]到通過弱磁控制能夠使PMSM處于低速恒轉(zhuǎn)矩或高轉(zhuǎn)速恒定功率的運(yùn)行狀態(tài)，而且還能有效地改善整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能；鑒于空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)方法的母線電壓利用率相較于正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)要高出15.5%，并且六階梯法能夠使母線的電壓利用率達(dá)到最高，因此通過引進(jìn)過調(diào)制技術(shù)能夠使弱磁控制時(shí)PMSM的輸出性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

1.1PMSM弱磁控制

恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的復(fù)合控制策略能夠使PMSM在大范圍調(diào)速時(shí)性能達(dá)到最優(yōu)。所謂恒轉(zhuǎn)矩控制，即是電機(jī)控制系統(tǒng)所允許的最大轉(zhuǎn)矩作為電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行的加速轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)控制系統(tǒng)控制電機(jī)輸出的加速轉(zhuǎn)矩保持不變；所謂恒功率控制，即以電機(jī)控制系統(tǒng)所允許的最大功率作為整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的加速功率，進(jìn)而保持整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的加速功率恒定。一般情況下，恒轉(zhuǎn)矩控制策略用在電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)基速以下，而恒功率調(diào)速系統(tǒng)則應(yīng)用在電機(jī)基速以上，控制系統(tǒng)宜采用內(nèi)環(huán)電流環(huán)、外環(huán)速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。

上文提到，恒轉(zhuǎn)矩控制是以系統(tǒng)能允許的最大轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩，對(duì)于IPMSM，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)可充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩。所謂最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，即當(dāng)電機(jī)定子電流的幅值保持在一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，意味著在相同的電磁轉(zhuǎn)矩下，恒轉(zhuǎn)矩控制策略所需電機(jī)的定子電流最小，因此，對(duì)應(yīng)電機(jī)的銅損也達(dá)到最小[1]。

為PMSM建立dq坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型時(shí)，定子電壓方程為

定子磁鏈方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中：ud、uq，id、iq，Ld、Lq——d、q軸電壓、電流和電感；

ψd、ψq——d、q軸磁鏈；

ωr——轉(zhuǎn)子角速度；

Rs——轉(zhuǎn)子電阻；

ψf——轉(zhuǎn)子磁鏈；

p——極對(duì)數(shù)；

Te——電磁轉(zhuǎn)矩。

圖1 PMSM相量圖

dq坐標(biāo)系下PMSM相量圖如圖1所示。其中：is表示電機(jī)定子的電流;α、β表示電機(jī)定子電流與d軸和q軸之間的夾角。

由圖1可知，id=iscosα、iq=issinα，代入電磁轉(zhuǎn)矩方程式(3)可得：

Te=p(iqψd-idψq)=p[iqψf+(Ld-Lq)idiq]=

因此

由于逆變器直流側(cè)的最大電壓和輸出電流能力的強(qiáng)弱,直接導(dǎo)致了電機(jī)的定子電壓和電流存在極限值的情況，因此當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行速度處在基速以上時(shí)，弱磁控制策略能夠使電機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。弱磁控制策略又可以細(xì)分為基于電機(jī)模型和電機(jī)參數(shù)或基于非模型和電機(jī)參數(shù)兩大類[2]。其中基于模型與參數(shù)弱磁控制策略可準(zhǔn)確計(jì)算電流給定值，論文主要研究基于模型與參數(shù)弱磁控制策略。

為了避免電機(jī)過電壓或過電流故障的發(fā)生，PMSM的工作狀態(tài)需要滿足以下電流、電壓極限方程：

式中:ismax、usmax——電機(jī)定子相電流、相電壓的最大值。

由式(9)可得弱磁控制方程為

式中:ω——電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度；

um——消除內(nèi)阻影響的定子相電壓最大值，um=usmax-Rs·ismax。

圖2 PMSM弱磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從以上分析可以得出MTPA控制策略以及弱磁控制算法電流軌跡圖，如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)的工作點(diǎn)正好處在電機(jī)電流圓和MTPA線的交點(diǎn)A處，此時(shí)程序中弱磁控制模塊不工作，整個(gè)系統(tǒng)處于MTPA工作模式。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的逐步升高，d軸的電流出現(xiàn)負(fù)向增加的狀況，電機(jī)電流的軌跡繞著電流極限圓移動(dòng)至圖3所示B點(diǎn)處，相對(duì)應(yīng)的，電壓極限圓在縮小。當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，電流軌跡移動(dòng)至C點(diǎn)。

圖3 MTPA控制和弱磁控制算法電流軌跡圖

1.2電壓空間矢量過調(diào)制策略

所謂電壓SVPWM策略，即通過控制電壓的空間矢量，從而控制電機(jī)的磁鏈軌跡，使其逐步向圓形目標(biāo)逼近的過程，因此，可以將電機(jī)和逆變器以一個(gè)整體來看待，通過采用不同的開關(guān)模式進(jìn)而產(chǎn)生不同的電機(jī)電壓矢量，最終達(dá)到電機(jī)變頻調(diào)速控制的目的。

可定義調(diào)制系數(shù)M為

依參考電壓矢量U*的不同，M可分為0≤Mlt;0.906、0.906≤Mlt;0.952和0.952≤Mlt;1三個(gè)區(qū)間。圖4所示為參考電壓矢量U*的分布。

圖4 參考電壓矢量U*分布

圖5 實(shí)現(xiàn)過調(diào)制算法的控制流程示意圖

2 PMSM寬范圍調(diào)速仿真研究

本文基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)對(duì)上節(jié)所述算法進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證理論的正確性。圖6所示為電機(jī)弱磁與過調(diào)制仿真模型(囊括了弱磁控制算法和SVPWM算法以及過調(diào)制算法)。

圖6 永磁同步電機(jī)弱磁與過調(diào)制

表1列出了仿真用PMSM主要參數(shù)。采用圖6所示仿真模型進(jìn)行仿真研究，得到圖7～圖9所示仿真曲線。

表1 仿真用PMSM主要參數(shù)

圖7 轉(zhuǎn)速仿真波形

從圖7(a)可以看出，電機(jī)由靜止開始逐漸升速，在0.02 s時(shí)，達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 300 r/min，當(dāng)時(shí)間處于0.03 s時(shí)，電機(jī)突然受到外界負(fù)載作用，其轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生細(xì)微的波動(dòng)，但又瞬間恢復(fù)到了最高轉(zhuǎn)速(3 300 r/min)，由此看出采用弱磁及過調(diào)制控制策略，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很大好處，進(jìn)而驗(yàn)證了這種算法可以使電機(jī)在超出額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min的情況下仍能穩(wěn)定地運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速。圖7(b)為未采用過調(diào)制策略的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，同樣，電機(jī)由靜止開始逐漸升速，在0.02 s時(shí)，達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 300 r/min，當(dāng)時(shí)間處于0.03 s時(shí)，電機(jī)突然受到外界負(fù)載作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降非常明顯，由此可得，當(dāng)電機(jī)未采用過調(diào)制策略時(shí)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3 300 r/min時(shí)的帶載能力很差。

如圖8所示為電機(jī)弱磁控制時(shí)的交、直軸電流曲線。由圖8可以看出，在0～0.01 s時(shí)，處于額定轉(zhuǎn)速以下的id存在負(fù)值，iq為12.7 A，電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩加速階段，0.01 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于額定；當(dāng)id逐漸減小，0.03 s電機(jī)受到外加負(fù)載影響，此時(shí)的iq為2.7 A。0.01 s以前，電機(jī)位于MTPA曲線以上，系統(tǒng)id和iq趨于恒定。0.01 s后，電機(jī)位于弱磁區(qū)域，id不斷減小，由于此時(shí)電機(jī)未帶載，隨著iq的幅值的不斷減小，在0.02 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到理論最高轉(zhuǎn)速。將id、iq通過直角坐標(biāo)變換，可得圖9所示的電流圓。圖8(b)為未采用過調(diào)制策略的電機(jī)電流波形，在0.03 s突加負(fù)載時(shí)id增大，表明此時(shí)電機(jī)無法帶載，轉(zhuǎn)速降低后，電機(jī)具備了一定帶載能力，iq穩(wěn)定為2.7 A。

圖8 電流仿真波形

圖9 電流圓仿真波形

仿真研究表明，論文采用的控制策略可使電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩加速至給定轉(zhuǎn)速，并可穩(wěn)定運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速之上，在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，仍具備一定的帶載能力。

3 PMSM寬范圍帶載調(diào)速試驗(yàn)研究

在仿真研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建了3 kW PMSM的試驗(yàn)平臺(tái)。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，母線電壓540 V，其他參數(shù)均參照表1，試驗(yàn)時(shí)，將IGBT的載波頻率設(shè)定為5 kHz。系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖10所示。其硬件主要由主電路和雙向變頻器組成。電機(jī)的控制、檢測以及通信組成了變頻器。計(jì)算機(jī)、示波器、接線板以及仿真器等構(gòu)成了系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，依托CCS3.3的C語言為基礎(chǔ)編寫了控制程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PMSM的寬范圍帶載調(diào)速控制的目的。

圖10 PMSM寬范圍帶載調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)框圖

整個(gè)試驗(yàn)過程可簡述為：轉(zhuǎn)子定位→電機(jī)升速→額定轉(zhuǎn)速以下(采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制算法)→額定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行→切入弱磁算法進(jìn)行控制→減小負(fù)載→理論最高轉(zhuǎn)速。

圖11所示為電機(jī)在弱磁控制時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 600 r/min的試驗(yàn)波形。從圖11中可以看出，電機(jī)在弱磁控制時(shí)其轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速，整個(gè)電機(jī)的升速達(dá)到兩倍，但因電機(jī)轉(zhuǎn)速過高，系統(tǒng)電流將出現(xiàn)輕微波動(dòng)。

圖11 弱磁控制線電壓、電流試驗(yàn)波形

圖12為采用弱磁控制策略時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于2 200 r/min的轉(zhuǎn)速波形。由于試驗(yàn)硬件平臺(tái)沒有D/A轉(zhuǎn)換功能，因此通過間接方法(由程序采集離散點(diǎn)進(jìn)行繪制)。從圖12可見，電機(jī)轉(zhuǎn)速非常平穩(wěn)，MTPA到弱磁控制的切換過程十分平滑，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速無超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期控制效果。

圖12 弱磁控制轉(zhuǎn)速試驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

論文針對(duì)PMSM寬范圍帶載調(diào)速系統(tǒng)，提出了一套完善的弱磁控制方法，并且運(yùn)用空間電壓矢量的過調(diào)制策略，提升了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的帶載能力，運(yùn)用本文提出的控制策略控制PMSM，可確保電機(jī)高頻穩(wěn)定運(yùn)行。該算法實(shí)時(shí)性能好，且簡單易于工程實(shí)現(xiàn)。在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，又在搭建的PMSM寬范圍帶載調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該控制方法的正確性和可靠性。

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ResearchonControlStrategyofPermanentMagnetSynchronousMotorwithWeakMagnetismandOverModulation*

CHENYaai1,CHENHuanyu2,ZHOUJinghua1,GANShilin3

(1. The Power Electronics amp; Motor Drives Engineering Research Center,North China University of Technology, Beijing 100144, China;2. Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Ltd., Beijing 100081, China;3. State Grid Corporation of Beijing Shunyi Power Supply Company, Beijing 101004, China)

On the basis of previous research, the control strategy of permanent magnet synchronous motor (PMSM) with high speed of load capacity was promoted, and the control strategy could overcome the weakness that the motor at the highest speed could not be loaded, high reliability and easy to implement. The algorithm of the control strategy includes the weak magnetic control of PMSM and the over modulation control of voltage space vector, so that the motor could be controlled in a wide range of speed. In order to verify the control strategy, the simulation model of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) was built, the experimental platform was built, the simulation and experiment were carried out, and the feasibility and effectiveness of the control strategy were verified by simulation and experiment.

permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);weakmagneticcontrol;overmodulation;controlstrategy;widerangebeltspeedregulation

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3142008)

陳亞愛(1961—)，女，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。陳煥玉(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)11- 0026- 06

2017 -01 -11