永磁同步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)弱磁控制策略

施新華, 周芝峰

(上海電機(jī)學(xué)院 工業(yè)技術(shù)中心， 上海 201306)

永磁同步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)弱磁控制策略

施新華, 周芝峰

(上海電機(jī)學(xué)院 工業(yè)技術(shù)中心， 上海 201306)

以表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析了傳統(tǒng)直流母線電壓反饋弱磁控制算法原理和實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)傳統(tǒng)直流母線電壓反饋弱磁控制系統(tǒng)的滯后性和控制量由零開始緩慢增長(zhǎng)等問(wèn)題，提出在PI控制基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)定子交軸電流分量iq進(jìn)行前饋控制，將得到的直軸電流分量id限定的最大值作為預(yù)給定值，在不改變傳統(tǒng)電壓反饋控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更快地獲得準(zhǔn)確的id取值，實(shí)現(xiàn)快速自適應(yīng)控制。通過(guò)Matlab/Simulink仿真和借助dSPACE半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，電流自適應(yīng)弱磁控制策略使得系統(tǒng)具有更好的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的帶負(fù)載能力。

弱磁控制； 前饋控制； 永磁同步電動(dòng)機(jī)； 自適應(yīng)控制

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)是利用永磁體代替了電勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、效率更高、運(yùn)行更可靠。高速化是數(shù)控系統(tǒng)及電動(dòng)汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[1-2]，為了滿足PMSM高速運(yùn)行，在逆變器容量有限的條件下PMSM不僅僅需要有較寬的調(diào)速范圍，同時(shí)在高速運(yùn)行時(shí)能具有較強(qiáng)的帶載能力[3]。因而，通過(guò)弱磁控制進(jìn)一步拓寬PMSM調(diào)速范圍，對(duì)研究數(shù)控系統(tǒng)以及電動(dòng)車等高速化發(fā)展具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用，PMSM弱磁控制策略研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題之一。

針對(duì)PMSM弱磁控制，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一些控制策略用于改善電動(dòng)機(jī)高速弱磁控制性能。最早的六步電壓法[4]充分利用直流母線電壓，但該算法計(jì)算復(fù)雜，魯棒性差，容易產(chǎn)生較大的電流諧波。文獻(xiàn)[5]中提出的直流側(cè)母線電壓反饋控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，但是電流波動(dòng)大，帶負(fù)載能力弱。文獻(xiàn)[6]中應(yīng)用電壓反饋弱磁控制策略，詳細(xì)分析了不同工況下磁路飽和對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和性能的影響。文獻(xiàn)[7]中給出了一種利用交軸電壓值來(lái)計(jì)算弱磁過(guò)程中直軸電流的方法，這種方法本質(zhì)上是對(duì)于傳統(tǒng)直流電壓反饋控制的一種改進(jìn)，提高了電動(dòng)機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，但是計(jì)算過(guò)程仍然比較復(fù)雜。

本文在分析了傳統(tǒng)直流電壓反饋弱磁控制算法原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合前饋控制的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種快速自適應(yīng)弱磁控制方法。通過(guò)定子電流分量iq前饋控制得到定子電流分量id限定的最大值，在不改變傳統(tǒng)電壓反饋控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)，更快地獲得準(zhǔn)確的id的取值，實(shí)現(xiàn)快速自適應(yīng)控制。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化分析，在建立PMSM的數(shù)學(xué)模型時(shí)，只考慮電流的基波分量，得出兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸系下PMSM的電壓方程為[8]：

(1)

式中：Ud，Uq，id，iq，Ld，Lq分別為d，q軸線圈的電壓、電流和自感；Ra表示相繞組的電阻；ωr為d，q軸系隨同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電角速度；φf(shuō)為轉(zhuǎn)子磁鏈；P為微分算子，即P=d/dt。

當(dāng)PMSM高速正旋穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略電樞繞組影響即可忽略定子電阻壓降，定子電壓方程可表示為：

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

(3)

對(duì)于表貼式PMSM，Ld=Lq=La。表貼式PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩方程可以簡(jiǎn)化為：

(4)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

2 PMSM弱磁控制理論

矢量控制實(shí)現(xiàn)了PMSM電流解耦控制，將PMSM轉(zhuǎn)化為近似直流電動(dòng)機(jī)的方式進(jìn)行控制[9]。從他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)通過(guò)降低勵(lì)磁電流，保證電壓平衡的條件下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)以恒功率運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速之上受到啟發(fā)[10]，可以利用d軸電樞反應(yīng)的去磁作用，使d軸方向磁通減小，實(shí)現(xiàn)等效的弱磁控制。

PMSM矢量控制系統(tǒng)中,PMSM通過(guò)電壓型逆變器供電，逆變器供電能力受其容量及電氣參數(shù)限制，同時(shí)PMSM本身電流也存在一個(gè)限制值[11]。逆變器在電流控制中所能提供的最大電壓受到直流母線電壓的限制，也受到調(diào)制策略的影響。電動(dòng)機(jī)定子電壓矢量Us的幅值與供電頻率和轉(zhuǎn)子速度直接相關(guān)，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受到定子電壓極限的限制,

(5)

式中：Umax，imax表示電壓、電流的最大值。

當(dāng)PMSM高速運(yùn)行時(shí)，其反電勢(shì)很大，定子電阻壓降可以忽略不計(jì)，同時(shí)根據(jù)PMSM穩(wěn)態(tài)電壓方程可以得到簡(jiǎn)化定子電壓約束方程：

(6)

與定子電流極限約束方程結(jié)合，就構(gòu)成了電流極限圓和電壓極限橢圓，如圖1所示[12]。

圖1 電壓極限和電流極限約束

圖1表示了電流極限圓和電壓極限橢圓在d-q平面上的圖形。電壓極限橢圓中心點(diǎn)落在(-φf(shuō)/Ld,0)，兩軸長(zhǎng)度與速度ωr成反比，隨著速度的增加形成逐漸變小的一簇橢圓，橢圓中心是理論上的無(wú)限大轉(zhuǎn)速點(diǎn)。電流極限圓是以Imax為半徑的一個(gè)圓。因此，進(jìn)入弱磁控制時(shí)，定子電流矢量is要同時(shí)滿足電壓約束方程和電流約束方程，所以它的軌跡一定落在電壓極限橢圓和電流極限圓內(nèi)。例如，當(dāng)圖1中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為ω2時(shí)，定子電流矢量is被限制在ABCDEF區(qū)域內(nèi)。

3 電流自適應(yīng)弱磁控制策略

弱磁控制的核心就是根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化得到合適的定子電流分量id、iq，這2個(gè)控制量的準(zhǔn)確程度和快慢直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能[13]。PMSM矢量控制系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)變化最快，速度外環(huán)變化最慢，電壓環(huán)變化速度在速度環(huán)和電流環(huán)之間。因此傳統(tǒng)直流母線電壓反饋弱磁控制由于本身的限制存在一定的滯后性，而且控制量從零開始緩慢增加達(dá)到要求值，這個(gè)控制過(guò)程也需要一定的時(shí)間。因此，如果能預(yù)給定id一個(gè)范圍，使其在該范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，就可使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，能夠更快地跟隨轉(zhuǎn)速的變化，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型自適應(yīng)弱磁控制策略框圖

采用SVPWM線性調(diào)制得到逆變器直流母線電壓最大利用率為0.577，因此Us的值即可表示為0.577Udc[14]。將式(2)代入式(5)可以得到定子電流分量之間的一個(gè)準(zhǔn)確關(guān)系式:

(7)

為引導(dǎo)定子電流分量id的變化趨勢(shì)，通過(guò)電流分配計(jì)算模塊得到定子電流分量iq,代入式(7)計(jì)算得到新的定子電流直軸分量id的最大值作為預(yù)給定值[15]，即：

(8)

因此，在PI控制的基礎(chǔ)上，加上式(8)經(jīng)過(guò)定子電流分量iq前饋控制得到定子電流分量id限定的最大值，這樣能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更快地獲得準(zhǔn)確的id，實(shí)現(xiàn)快速自適應(yīng)控制[16]。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的電流自適應(yīng)弱磁控制策略的正確性，利用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)模型。表貼式PMSM參數(shù)為：額定功率PN=400 W；額定轉(zhuǎn)速nN=2 400 r/min；額定電流ISN=4 A；定子繞組Ra=0.091 8 Ω；Ld=Lq=0.975 5 mH；極對(duì)數(shù)p=4；轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf=0.168 8 Wb。

根據(jù)給定的電動(dòng)機(jī)參數(shù)知道當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 400 r/min時(shí)進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)域，通過(guò)下式能夠計(jì)算出該電動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到的理論最大轉(zhuǎn)速約為3 175 r/min

(9)

本文提出的電流自適應(yīng)弱磁控制算法模型如圖3所示。

圖3 電流自適應(yīng)弱磁控制算法模型

仿真用PMSM額定轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，實(shí)驗(yàn)給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，約1.3倍弱磁。在不改變PMSM電動(dòng)機(jī)參數(shù)，以及電壓、電流控制器參數(shù)的情況下，圖4表示自適應(yīng)弱磁算法空載仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，傳統(tǒng)電壓反饋弱磁算法能夠基本滿足弱磁性能需求，但是轉(zhuǎn)速存在較大波動(dòng)。本文提出的自適應(yīng)弱磁算法能夠有效抑制弱磁運(yùn)行時(shí)定子電流波動(dòng)，保持轉(zhuǎn)速具有良好的穩(wěn)定性。

(a)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(b)d，q軸電流

圖4 自適應(yīng)弱磁算法空載仿真結(jié)果

對(duì)自適應(yīng)弱磁算法進(jìn)行帶載仿真實(shí)驗(yàn)，仍然給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，帶恒定1 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩從零加速啟動(dòng)，圖5表示帶載弱磁仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)電壓反饋?zhàn)赃m應(yīng)弱磁算法帶載能力弱，轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，本文提出的自適應(yīng)弱磁算法平滑加速，最終達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、無(wú)波動(dòng)。進(jìn)入弱磁運(yùn)行區(qū)定子電流變化平緩、波動(dòng)較小，能夠滿足高性能伺服系統(tǒng)高速運(yùn)行需求。

(a)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(b)d，q軸電流

圖5 自適應(yīng)弱磁算法帶載仿真結(jié)果

4.2 基于dSPACE系統(tǒng)半實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)分析

建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)本文提出的自適應(yīng)弱磁算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示。采用dSPACE半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為主控單元，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板主電路，PWM調(diào)理電路，以及電壓、電流信號(hào)采樣調(diào)理電路組成PMSM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選用PMSM參數(shù)：額定功率400 W，額定電流3 A，額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min，直流母線電壓300 V，PWM載波周期為10 kHz。

圖6 基于dSPACE的PMSM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

dSPACE半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與Matlab/Simulink無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)控制算法快速開發(fā)和驗(yàn)證。對(duì)本文提出的自適應(yīng)弱磁算法進(jìn)行輕載實(shí)驗(yàn)，給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，接近1.3倍弱磁擴(kuò)速。通過(guò)dSPACE系統(tǒng)提供的在線綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試軟件ControlDesk可以對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)整，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。圖7所示為自適應(yīng)弱磁算法轉(zhuǎn)速和電流分量波形，從圖中可以看出，PMSM轉(zhuǎn)速能夠平滑上升，進(jìn)入弱磁區(qū)域高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)；在升速過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電流分量平滑切換，無(wú)較大波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)分析相一致，證明本文研究的自適應(yīng)弱磁算法的正確性和可靠性，能夠滿足高性能伺服系統(tǒng)。

(a)轉(zhuǎn)速波形(b)id，iq電流波形

圖7 自適應(yīng)弱磁算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在研究表貼式PMSM傳統(tǒng)直流電壓反饋弱磁控制策略的基礎(chǔ)上，針對(duì)電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行不穩(wěn)定，帶載能力弱等問(wèn)題。提出一種電流自適應(yīng)弱磁控制策略，從定子電流變化的本質(zhì)上考慮，引入前饋控制，實(shí)時(shí)計(jì)算給定id的值，使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，能夠更快地跟隨轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)快速自適應(yīng)控制。使用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建PMSM弱磁調(diào)速系統(tǒng)模型，借助dSPACE半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)弱磁控制策略相比傳統(tǒng)直流電壓反饋弱磁控制策略能夠保證高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)，具有更強(qiáng)的帶載能力。并且定子交、直軸電流過(guò)渡平滑，提高了PMSM高速時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

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Research of Adaptive Flux Weakening Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor

SHIXinhua,ZHOUZhifeng

(Industrial Technology Center， Shanghai Dianji University， Shanghai 201306， China)

The surface permanent magnet synchronous motor was taken as object, the traditional DC bus voltage feedback flux weakening control algorithm principle and implement method were studied. In order to solve the problems of in the flux weakening region of PMSM, the oscillation of speed in high speed state, and not good at load ability, an improved adaptive flux weakening control method was proposed. The limited maximum value of the current componentidwas calculated by the current componentiqthrough feed-forward control based on PI control, and was used as the given value. The method can increase the speed of system response, and get the accurateidmuch more quickly, achieve rapid adaptive control. The simulation and experiments based on Matlab/Simulink and dSPACE showed that the improved adaptive flux weakening control strategy can effectively reduce the oscillation of speed in steady state, and improve the load ability of PMSM in high speed.

flux weakening control; feed-forward control; permanent magnet synchronous motor (PMSM); adaptive control

2016-09-19

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J510901)

施新華(1976-)，男，上海人，碩士，工程師，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化研究。

Tel.:13817798806； E-mail:shixinhua@sdju.edu.cn

TM 341; TM 351

A

1006-7167(2017)05-0040-04