徐振,譚建豪,陳文科
(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)
近年來,隨著節(jié)能減排意識(shí)的增強(qiáng),電動(dòng)汽車的研制成為國內(nèi)外一個(gè)研究熱點(diǎn)。在電動(dòng)汽車眾多技術(shù)當(dāng)中,電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),許多學(xué)者開展了這方面的研究工作[1-5]。在各種交直流電機(jī)中,內(nèi)置式永磁電機(jī)(IPMSM)以其重量輕、體積小、效率高、具有弱磁擴(kuò)速潛力等諸多優(yōu)點(diǎn),成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇。不少學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車用IPMSM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)展開了研究,這些研究工作主要包括兩個(gè)方面:一方面是基速范圍內(nèi)IPMSM的控制策略的研究;另一方面是IPMSM的弱磁控制策略的研究。文獻(xiàn)[6]研究了交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的線性化控制技術(shù),文獻(xiàn)[7]研究了基于端口受控哈密頓方法的PMSM最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法,但這些文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)均為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)?;谌醮艛U(kuò)速的基本思想,學(xué)者們提出了許多控制策略用于改善。文獻(xiàn)[8]提出了單電流調(diào)節(jié)器控制算法,通過選擇最優(yōu)直軸電壓來改善永磁同步電機(jī)弱磁控制性能。文獻(xiàn)[9]提出了一種6步電壓法,通過最大利用直流母線電壓,來提高永磁同步電機(jī)弱磁控制性能。但這些論文的研究重點(diǎn)在于IPMSM的弱磁控制研究,忽略了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)研究,電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍的運(yùn)用受到限制。
實(shí)際應(yīng)用中電動(dòng)車對(duì)IPMSM的變速范圍和轉(zhuǎn)矩要求較高,既要研究其恒轉(zhuǎn)矩區(qū),同時(shí)也要對(duì)其弱磁控制進(jìn)行研究,兩個(gè)區(qū)域之間的切換也要滿足平穩(wěn)的要求。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,開展了全速度范圍的IPMSM控制技術(shù)研究,在分析IPMSM理想數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種新的IPMSM控制方法。該方法按IPMSM運(yùn)行轉(zhuǎn)速不同分為3個(gè)區(qū)間,分別用3種不同的策略對(duì)電流進(jìn)行控制,并且通過搭建仿真平臺(tái)對(duì)該控制策略進(jìn)行了理論研究。理論和仿真結(jié)果顯示該控制策略具有良好的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性,滿足電動(dòng)車對(duì)IPMSM控制的基本要求。
為了分析IPMSM的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,建立其d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型是非常必要的,通過該模型可以分析電機(jī)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。本文沿用理想電機(jī)的一系列假設(shè),即:忽略電機(jī)的鐵芯飽和;不計(jì)電機(jī)的渦流和磁滯損耗;忽略漏磁通的影響等[10]。d-q 坐標(biāo)系中IPMSM 的數(shù)學(xué)模型如下[11]:
式中:ud,uq,id,iq分別為定子電壓、電流的d,q軸分量;Ld和Lq分別為定子繞組的d,q軸電感(對(duì)于IPMSM,一般有:Ld<Lq);Ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈;np為極對(duì)數(shù)。
由電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可以看出,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩包含兩個(gè)部分:永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。磁阻轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子不對(duì)稱產(chǎn)生的,為了充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩,應(yīng)使id<0。
電機(jī)的控制和運(yùn)行與系統(tǒng)中為其供電的逆變器密切相關(guān),電機(jī)的性能受到一定的約束。系統(tǒng)中存在最大電壓Usmax和最大電流Ismax的限制,使得:
要分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制本質(zhì),就必須從電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓方程著手。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電樞電阻遠(yuǎn)小于電樞電抗。在忽略電樞電阻的情況下,電機(jī)在d-q坐標(biāo)系中的電壓方程如下:
當(dāng)轉(zhuǎn)速增加達(dá)到ω2(ω2>ω1)時(shí),id將達(dá)到電機(jī)的最大去磁電流Idmax,為繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速,iq需要進(jìn)一步減小。另一方面,電機(jī)超過某一轉(zhuǎn)速后,在任一給定速度下,在電機(jī)的電壓極限橢圓上存在一點(diǎn),該點(diǎn)的電機(jī)功率最大。當(dāng)Ψf<Ldis時(shí),is隨著ω的增加而減少,電壓保持Usmax不變。這時(shí)采用最大輸入功率弱磁控制策略,可得到最大輸出功率。電機(jī)輸入功率為
在給定速度下,要得到最大輸入功率,應(yīng)有:
此時(shí)的電流控制策略為
其中
為了從理論上驗(yàn)證本文所提出IPMSM控制方法的效果,在Simulink7.3的環(huán)境下搭建了仿真平臺(tái),如圖1所示。仿真采用ode1算法,步長為1e-5。電機(jī)的參數(shù)分別為:定子電阻0.86Ω;交、直軸電感分別為18mH,14mH;磁鏈為0.205Wb;極對(duì)數(shù)為4。PID_ID和PID_IQ為2個(gè)PI調(diào)節(jié)器,經(jīng)過多次試驗(yàn),其P,I參數(shù)分別為:9,0.01;8,0.06。模型中Fcn的表達(dá)式為
亦即式(7),為電壓限制條件。Subsystem2為前面分析的電流給定算法。
仿真波形如圖2、圖3所示,從中可以看出:在給定速度為3000r/min時(shí),電機(jī)按最大轉(zhuǎn)矩電流比策略運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩保持恒定。id保持不變,iq在加速過程中保持不變,速度到達(dá)給定值時(shí)開始下降,最后保持不變。給定為5000r/min時(shí),低速區(qū)的運(yùn)行狀況和給定速度為3000r/min時(shí)類似。進(jìn)入弱磁區(qū)后,id減小,iq在電流約束范圍內(nèi)隨之減小,轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減??;當(dāng)id的幅值增加到電機(jī)的最大去磁電流時(shí),為進(jìn)一步提速,iq繼續(xù)減小,直至轉(zhuǎn)速到達(dá)給定速度。仿真結(jié)果與前面的理論分析一致。
圖2 ω=2500r/min時(shí)仿真結(jié)果Fig.2 Results of simulation(ω=2500r/min)
圖3 ω=5000r/min時(shí)仿真結(jié)果Fig.3 Results of simulation(ω=5000r/min)
本文從IPMSM的d-q坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型出發(fā),提出了一種新的交直軸電流控制算法,搭建了相應(yīng)的仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果證明了算法的正確性。該算法在全速范圍內(nèi)具有良好的動(dòng)態(tài)性能,在區(qū)間切換的過程中過渡平滑,可為高性能IPMSM控制器設(shè)計(jì)提供借鑒。
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