永磁同步電機(jī)的弱磁控制及工程應(yīng)用

韓鳳喜，陳 萍，羅情平，韓承斐，馬法運(yùn)

（1．青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

1 弱磁原理

永磁同步電機(jī)（PMSM）的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)由永磁體產(chǎn)生，無(wú)法調(diào)節(jié)，需通過(guò)調(diào)整電機(jī)定子電流增加定子直軸去磁電流，方可維持高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)電壓的平衡穩(wěn)定，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的[1-2]。在參考同步坐標(biāo)系下，PMSM的電壓方程如下：

式中：ωr為永磁電機(jī)電角速度，ψf為永磁體磁鏈。

永磁電機(jī)端電壓矢量幅值的最大值Umax滿足以下不等式：

忽略定子電阻Rs，永磁電機(jī)電壓方程簡(jiǎn)化為：

將方程組（3）代入不等式（2），得出：

另外，永磁電機(jī)電流合成矢量幅值最大允許值Imax滿足以下不等式：

式（4）至式（6）的電流軌跡，如圖1所示。

圖1 PMSM電流軌跡

以往的永磁同步電機(jī)弱磁控制采用雙電流環(huán)弱磁控制方法[3]，如負(fù)直軸電流補(bǔ)償法本質(zhì)上為加入弱磁控制器給定id、iq的目標(biāo)值。在直流側(cè)電壓約束下，隨著永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，可運(yùn)行的弱磁區(qū)域逐漸變?。粚?duì)應(yīng)圖1中Umax的面積逐漸縮小，轉(zhuǎn)矩曲線與Umax的交集逐漸變小；id和iq耦合增強(qiáng)。多個(gè)調(diào)節(jié)器相互影響，降低了永磁電機(jī)的響應(yīng)速度。雙電流弱磁控制較難保證永磁電機(jī)高速性能，是這種控制策略的固有弱點(diǎn)[4]。

為了應(yīng)對(duì)雙電流環(huán)弱磁控制的缺點(diǎn)，采用交直軸電流解耦的單電流環(huán)弱磁控制方法。這種弱磁控制方法只有一個(gè)電流控制環(huán)路，進(jìn)行單d軸電流弱磁控制或者單q軸電流弱磁控制（CCR-VQV），從而不存在兩個(gè)電流控制環(huán)相互耦合的問(wèn)題。CCR-VQV弱磁控制方法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)交軸電壓目標(biāo)值，簡(jiǎn)單易行，工程實(shí)現(xiàn)和使用方便。CCR-VQV弱磁控制方法具有更好的深度弱磁能力。PMSM電流閉環(huán)控制框架如圖2所示。

圖2 PMSM電流閉環(huán)控制框圖

2 再生弱磁

針對(duì)再生工況，PMSM在沒(méi)有轉(zhuǎn)矩外環(huán)的情況下，進(jìn)行單d軸電流弱磁控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進(jìn)行單q軸弱磁控制。單q軸弱磁控制原理和單d軸電流弱磁控制相同，不再詳述。控制框圖如圖3所示。

圖3 PMSM再生工況方波單電流環(huán)控制框圖

q軸電流調(diào)節(jié)器控制uq，計(jì)算得到ud。牽引和再生弱磁之間的切換以iq為判據(jù)，如圖4所示。

圖4 牽引弱磁與再生弱磁切換判據(jù)

切換過(guò)程中，需要控制積分器幅值。牽引進(jìn)入再生時(shí)，給q軸電流調(diào)節(jié)器積分器幅值為2uc/π；再生切牽引時(shí)，給d軸電流調(diào)節(jié)器積分器幅值為0。

3 工程實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了順利切入弱磁，需設(shè)定弱磁切換標(biāo)志位。當(dāng)電機(jī)的電壓合成矢量小于逆變器輸出最大電壓（即調(diào)制度m＜1）時(shí)，則令弱磁標(biāo)志位為0，采用MTPA控制；當(dāng)電機(jī)的電壓合成矢量大于逆變器輸出最大電壓（即調(diào)制度m＞1）且iq＞0時(shí)，則令弱磁標(biāo)志位為1，進(jìn)入牽引弱磁，采用CCR-VQV單電流環(huán)控制，控制d軸電流；當(dāng)電機(jī)的電壓合成矢量大于逆變器的最大輸出電壓（即調(diào)制度m＞1）且iq＜0時(shí)，則令弱磁標(biāo)志位為2，進(jìn)入再生弱磁，采用CCR-VQV單電流環(huán)控制，控制q軸電流。

為了順利退出弱磁，設(shè)定id/iq比值判據(jù)。當(dāng)id/iq＞k時(shí)，則退出弱磁；當(dāng)id/iq＜k時(shí)，則不退出弱磁。其中，k為進(jìn)入弱磁時(shí)id和iq的比值。

弱磁控制中的PI參數(shù)給定和MTPA控制中相差較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如下規(guī)律：采用改進(jìn)型CCR-VQV策略進(jìn)行PMSM控制時(shí)，應(yīng)取正常大小的比例參數(shù)和相對(duì)較大的積分參數(shù)，以確保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；當(dāng)增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，適當(dāng)減小電流控制器中的比例和積分參數(shù)，以減小控制系統(tǒng)的超調(diào)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

試驗(yàn)平臺(tái)由一臺(tái)永磁同步電機(jī)和陪侍電機(jī)構(gòu)成，同時(shí)使用VVVF箱作為主控逆變器。為試驗(yàn)方便，設(shè)定進(jìn)弱磁調(diào)制度為0.2。在平臺(tái)低速下驗(yàn)證弱磁算法關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：牽引工況單d軸弱磁控制試驗(yàn)、再生工況單q軸弱磁控制試驗(yàn)、牽引與再生工況弱磁切換試驗(yàn)。

牽引工況單d軸弱磁控制：給定PMSM q軸電流指令30 A，d軸電流指令根據(jù)MTPA控制給定，逐漸增加平臺(tái)轉(zhuǎn)速，使PMSM進(jìn)入弱磁控制。進(jìn)入弱磁控制后，轉(zhuǎn)速每增加100 r/m，d軸電流指令減小35 A。在弱磁區(qū)運(yùn)行一段時(shí)間后，降低平臺(tái)轉(zhuǎn)速，退出弱磁控制。

再生工況單q軸弱磁控制：給定PMSM q軸電流指令-50 A，d軸電流指令根據(jù)MTPA控制給定，逐漸增加平臺(tái)轉(zhuǎn)速，使PMSM進(jìn)入弱磁控制。進(jìn)入弱磁控制后，轉(zhuǎn)速每增加100 r/m，q軸電流指令保持不變。在弱磁區(qū)運(yùn)行一段時(shí)間后，降低平臺(tái)轉(zhuǎn)速，退出弱磁控制。

牽引與再生工況弱磁控制切換：電機(jī)運(yùn)行在牽引工況，逐漸減小單d軸弱磁控制的d軸指令絕對(duì)值，使電機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)工況單q軸弱磁控制。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為牽引工況單d軸弱磁控制試驗(yàn)結(jié)果，依次為q軸電壓uq，q軸電流ud，d軸電流id，d軸電壓為iq。進(jìn)出弱磁平滑，切換過(guò)程完全無(wú)電流沖擊。進(jìn)入弱磁后，電流控制良好。其中，弱磁控制dq電流有紋波，其反應(yīng)的是平臺(tái)轉(zhuǎn)速振蕩，因?yàn)槠脚_(tái)轉(zhuǎn)速由異步電機(jī)開(kāi)環(huán)控制而有波動(dòng)，造成電流指令波動(dòng)。

圖5 牽引工況弱磁控制

圖6為再生工況單q軸弱磁控制試驗(yàn)結(jié)果，依次為q軸電壓uq，d軸電壓為ud，d軸電流id，q軸電流iq。再生工況下，能夠順利進(jìn)入弱磁控制。進(jìn)入弱磁控制后，電流控制效果良好，能夠平滑退出弱磁而完全無(wú)電流沖擊。

圖6 再生工況弱磁試驗(yàn)

圖7 為牽引與再生工況弱磁控制切換試驗(yàn)結(jié)果，依次q軸電壓uq，d軸電壓為ud，d軸電流id，q軸電流iq和弱磁標(biāo)志位。其中，弱磁標(biāo)志位從10變?yōu)?0，說(shuō)明這電機(jī)從牽引弱磁進(jìn)入再生弱磁。切換過(guò)程中，iq從正到負(fù)變化平滑。試驗(yàn)結(jié)果表明，完成了牽引弱磁與再生弱磁控制的切換。

5 結(jié) 論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以看到，在采用新型弱磁控制策略和新型方波弱磁優(yōu)化方案后，PMSM電機(jī)的直軸電流和交軸電流跟蹤精確，達(dá)到了工程應(yīng)用的要求，且其控制方案便于實(shí)施，為相關(guān)工程應(yīng)用提供了范例。

圖7 牽引與再生工況弱磁切換試驗(yàn)