內(nèi)置式永磁同步電機(jī)新的弱磁控制策略研究

劉勇，余仕求

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

梁致遠(yuǎn)

(上海泰科工控，上海 200122 )

電機(jī)的調(diào)速性能直接影響著生產(chǎn)產(chǎn)品和設(shè)備的性能，永磁同步電機(jī)因可靠性高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)換效率高而被廣泛應(yīng)用。矢量控制策略是永磁同步電機(jī)最重要控制策略之一，其弱磁控制是當(dāng)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)端電壓達(dá)到極限值時(shí),通過(guò)降低電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)使電機(jī)運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)節(jié)定子交軸電流iq,增加定子直軸電流id分量削弱氣隙磁場(chǎng),來(lái)達(dá)到弱磁增速的目的[1]。筆者基于這些理論，對(duì)弱磁控制策略進(jìn)行了研究，以前的控制方案大都需要知道電機(jī)的參數(shù)，新的控制方案可以無(wú)須知道馬達(dá)的精確參數(shù)，這樣大大加大了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和通用性，在實(shí)現(xiàn)新的閉環(huán)弱磁控制方案的基礎(chǔ)上，提高了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)矢量控制中速度環(huán)控制算法程序的可執(zhí)行性和簡(jiǎn)潔性，通過(guò)軟件和硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的弱磁控制方案，試驗(yàn)結(jié)果證明了所提出方法的可靠性和有效性。

1 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)矢量控制算法

傳統(tǒng)電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制是異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方法之一，與正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方法相比，其諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，直流電壓利用率更高。從電壓空間矢量組合方式來(lái)說(shuō)，有7段式和低開(kāi)關(guān)損耗模式；從PWM(脈寬調(diào)制)驅(qū)動(dòng)波形位置來(lái)說(shuō)，有中心對(duì)稱方式和不對(duì)稱方式。

1.1 矢量控制坐標(biāo)變換

圖1 三相-兩相靜止坐標(biāo)系變換

圖2 兩相靜止-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換

1)三相-兩相靜止坐標(biāo)系變換(Clark變換)。靜止坐標(biāo)系變換是指三相靜止繞組a、b、c和兩相靜止繞組α、β之間的變換，如圖1 所示。

三相靜止坐標(biāo)系a、b、c變換到兩相靜止坐標(biāo)系α、β，被稱為3s/2s變換(Clark變換)；反之將兩相靜止坐標(biāo)系變換到三相靜止坐標(biāo)系則稱為2s/3s變換(Clark逆變換)。且坐標(biāo)變換滿足于功率不變的約束條件。

采用3s/2s變換，則有：

(1)

2)兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(Park變換，亦稱為2s/2r)。兩相靜止坐標(biāo)系α、β和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq(MT)之間的變換(Park變換)如圖2所示。圖中，ω1表示電氣角速度;Fs為id、iq的合成磁勢(shì)。

從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為：

(2)

1.2 基于SVPWM的永磁電機(jī)電流矢量控制算法

矢量控制的基本思想是在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效原則上建立起來(lái)的。矢量控制的目的就是將磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，這樣就有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行高性能調(diào)速。考慮參數(shù)飽和和交叉飽和2種飽和的速度電流雙閉環(huán)電流矢量控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 SVPWM 的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)電流矢量控制系統(tǒng)框圖

2 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制基本原理

當(dāng)永磁同步電機(jī)端電壓達(dá)到極限值時(shí),通過(guò)降低電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)使電機(jī)運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速。可通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流、增加定子直軸電流id分量削弱氣隙磁場(chǎng),達(dá)到弱磁增速的目的[5]。

在小于電流最大限幅值的情況下，定子直軸電流id和定子交軸電流iq關(guān)系式如式(3)所示:

(3)

式中，is為電機(jī)端電流；Imax、Umax分別為電機(jī)端電流和端電壓最大值；Ld、Lq分別為線圈直軸、交軸自感。

圖4 弱磁控制交直軸電流變化關(guān)系圖

圖4為弱磁控制交、直軸電流變化關(guān)系圖。由圖4可知電機(jī)的運(yùn)行情況劃分為3個(gè)區(qū)域：區(qū)域1，MTPA(即最大轉(zhuǎn)矩電流比)運(yùn)行區(qū)域，如圖4中OA段所示，從開(kāi)始運(yùn)行到基速，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定；區(qū)域2，沿著最大轉(zhuǎn)矩電流比與最大轉(zhuǎn)矩電壓比之間的曲線AB段運(yùn)行，電機(jī)速度運(yùn)行在基速上，轉(zhuǎn)矩不變；區(qū)域3，最大轉(zhuǎn)矩電壓比運(yùn)行，如圖4中BC段所示。圖4中，ω1、ω2表示不同時(shí)刻電機(jī)的角速度；T1、T2表示不同時(shí)刻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；MTPV表示最大轉(zhuǎn)矩電壓比。

3 新的弱磁控制策略

3.1 閉環(huán)弱磁控制方案的實(shí)現(xiàn)

3.2 MTPA(最大轉(zhuǎn)矩電流比)控制的實(shí)現(xiàn)

(4)

4 控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)

矢量控制是控制策略的基礎(chǔ)理論，F(xiàn)OC實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下；首先CPU獲得采樣電壓，CPU通過(guò)計(jì)算，即Clark和Park變換，當(dāng)馬達(dá)的速度高于其額定值時(shí)，MTPA控制就由弱磁控制代替，當(dāng)馬達(dá)的速度低于其額定值時(shí)，采用MTPA控制，進(jìn)行線性插值，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器，然后進(jìn)行Clark和Park逆變換至結(jié)束。

圖6 線性插值圖

閉環(huán)的速度控制是矢量控制的目標(biāo)，方案流程圖如圖7所示。在CPU的控制執(zhí)行周期，首先CPU讀取目標(biāo)速度，然后讀取定子的飽和(極限)交軸電流iq sat和參考直軸電流id ref，讀取測(cè)量速度，然后進(jìn)行PID速度調(diào)節(jié)，如果定子當(dāng)前交軸電流iq temp大于定子飽和(極限)交軸電流iq sat時(shí)，就把定子飽和交軸電流iq sat賦值給定子當(dāng)前交軸電流iq ref，否則就把定子當(dāng)前交軸電流iq temp賦值給參考交軸電流iq ref，得到電流之后通過(guò)電流來(lái)調(diào)節(jié)速度，這樣無(wú)須知道馬達(dá)的精確參數(shù)就可進(jìn)行調(diào)節(jié)速度。

圖7 閉環(huán)的速度控制流程圖

圖7中，iqref、idref分別表示定子參考交軸、直軸電流；iq temp、id temp分別表示定子當(dāng)前交軸、直軸電流；iq sat,idsat分別表示定子飽和(極限)交軸、直軸電流。

根據(jù)電機(jī)的不同的參數(shù)，只需在定義的函數(shù)中修改參數(shù)即可。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8 交軸電流iq ref和相序電流ia變化情況圖

試驗(yàn)是在以ARM-cortex系列STM32控制器為基礎(chǔ)的永磁同步電機(jī)控制板以及Keil4編譯器上進(jìn)行的。參考交軸電流iq ref和相序電流ia是閉環(huán)弱磁控制的2個(gè)最主要的量，通過(guò)使用STM32的定時(shí)器TIM3的2個(gè)輸出比較通道實(shí)現(xiàn)；在軟件上通過(guò)注釋掉一行代碼下載到控制器STM32上就可以禁止該功能；在Keil4編譯器編譯下載到控制板上后用示波器在永磁同步電機(jī)控制板可以同時(shí)監(jiān)測(cè)2個(gè)變量，而這2個(gè)變量可以實(shí)時(shí)地使用專門(mén)的菜單選擇，如圖8所示。圖8中，示波器通道PB0上接的是參考交軸電流iq ref，顯示如圖8中曲線1所示；通道PB1上接的是相序電流ia，顯示如圖8中曲線2所示。

試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)表明，永磁同步電機(jī)中由于Thumb2指令組的代碼密度非常高，PMSMFOC軟件庫(kù)的總長(zhǎng)度為25kb，排除LCD及Joystick管理，則代碼長(zhǎng)度可減少至13.5kb。由于CortexTM-M3強(qiáng)勁的計(jì)算能力，在無(wú)傳感器和3電阻法模式下，F(xiàn)OC算法總的執(zhí)行時(shí)間為24.5μs(EWARMver4.42，速度優(yōu)化)，使用版本EWARMver.5.11，其執(zhí)行時(shí)間可減少至20.5μs。

6 結(jié)語(yǔ)

討論了基于STM32的永磁同步電機(jī)的弱磁控制策略研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提出了解決基于STM32的永磁同步電機(jī)矢量控制中弱磁控制的基本原理，在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)弱磁控制方案的基礎(chǔ)上，提高了改進(jìn)的弱磁控制的算法可執(zhí)行性，在軟件中得以實(shí)現(xiàn)，軟件執(zhí)行效率明顯提高了很多，計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行時(shí)間比原來(lái)的縮短了1/5，代碼長(zhǎng)度縮小至13.5kb，減小了工作量，可靠性強(qiáng)且適用范圍廣。試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)結(jié)果表明該方法可以明顯改善程序的執(zhí)行性，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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