林立，趙海艷，李永曠，唐宏偉，彭志華，石書琪

(邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽，42200)

車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流補(bǔ)償弱磁控制策略研究

林立，趙海艷，李永曠，唐宏偉，彭志華，石書琪

(邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽，42200)

為提高車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)高速巡航能力，論文深入研究了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)帶勵(lì)磁電流補(bǔ)償?shù)娜醮趴刂菩虏呗?。首先，分析了帶?lì)磁電流補(bǔ)償?shù)娜醮趴刂圃?，其次，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了系統(tǒng)仿真模型。最后，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，所研究的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)至恒功率區(qū)的平滑過渡，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,并提升弱磁升速能力，為提升車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

電力牽引；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)；弱磁控制；勵(lì)磁電流補(bǔ)償

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、高轉(zhuǎn)矩功率密度、高功率因數(shù)、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、電主軸、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。高速弱磁難是IPMSM控制系統(tǒng)性能提升的技術(shù)瓶頸，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4-5]。本文研究帶勵(lì)磁電流補(bǔ)償?shù)膬?nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制新策略，在控制機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，借助Matlab/Simulink軟件，構(gòu)建了仿真平臺(tái)并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明所研究的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)至恒功率的平滑過渡，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并較好的提升了調(diào)速范圍，為車用內(nèi)式永磁同步電機(jī)的應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值。

1 IPMSM的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)IPMSM三相繞組完全對稱，繞組自感與互感恒定，忽略磁路飽和和鐵心損耗，不計(jì)頻率和溫度變化對電阻的影響?？山PMSM在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

電壓方程：

(1)

轉(zhuǎn)矩方程：

(2)

運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

式(1)-(3)中，id、iq為dq軸定子電流分量；Ld、Lq為dq軸定子電感分量；ψd、ψq為dq軸定子磁鏈分量；ud、uq為dq軸定子電壓分量；ψf為永磁磁鏈；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)軸電角速度；p為極對數(shù)；Rs為定子相繞組電阻；TL為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 帶勵(lì)磁電流補(bǔ)償?shù)腎PMSM弱磁控制策略

IPMSM的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場由永磁體產(chǎn)生，不可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來減弱氣隙磁場，其弱磁控制是通過增加定子直軸電流id，利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場減弱，從而達(dá)到等效減弱磁場的目的。

對于逆變器供電的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其定子電流is和端電壓us受到逆變器輸出能力的限制，假設(shè)在dq軸坐標(biāo)系下，電壓和電流的極限值分別為ulim、ilim，則有：

(4)

(5)

考慮到電機(jī)高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電阻壓降遠(yuǎn)小于電抗壓降，故電阻上的壓降可忽略不計(jì)，則由式(1)可得穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓方程為:

(6)

將式(6)代入式(5)，整理后可得電壓極限橢圓方程為：

(7)

由式(7)可知，當(dāng)電機(jī)電壓達(dá)到逆變器所能輸出的電壓極限ulim時(shí)，要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠調(diào)節(jié)id和iq來實(shí)現(xiàn)，增加id和減少iq以維持電壓平衡，從而達(dá)到“弱磁”效果。

由式(4)和式(7)可知，電流極限圓和電壓極限橢圓如圖1所示。圖1中最大轉(zhuǎn)矩比電流MTPA控制軌跡為曲線OA，弱磁控制時(shí)定子電流沿曲線AB直到B點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。

圖1 定子電流矢量軌跡圖Fig.1 Stator current vector trajectory

2.1 補(bǔ)償弱磁控制區(qū)域及原理

恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、弱磁Ⅰ區(qū)和弱磁Ⅱ區(qū)時(shí)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電壓與電流的變化曲線如圖2所示。弱磁Ⅱ區(qū)為最優(yōu)控制區(qū)，而本文采用帶電流補(bǔ)償控制的永磁同步電機(jī)弱磁控制來提速高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到弱磁Ⅱ區(qū)。

圖2 弱磁控制工作區(qū)域Fig.2 Weak magnetic control working area

(1)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)

(8)

(9)

當(dāng)電流矢量到達(dá)A點(diǎn)，若希望電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，則電流矢量沿著AB段軌跡運(yùn)行，直至達(dá)到輸出最大功率點(diǎn)。A點(diǎn)為模態(tài)切換轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由上小節(jié)弱磁公式推導(dǎo)可得在此弱磁控制Ⅰ區(qū)域。

(10)

(2)弱磁Ⅰ區(qū)

(11)

2.2 補(bǔ)償弱磁控制及其控制系統(tǒng)

基于2.1節(jié)的理論分析，考慮帶補(bǔ)償勵(lì)磁電流的弱磁控制系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)由IPMSM電機(jī)模塊、逆變器模塊、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM產(chǎn)生模塊、轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)模塊、帶補(bǔ)償勵(lì)磁電流弱磁控制模塊等組成。

圖3 帶補(bǔ)償勵(lì)磁電流的IPMSM弱磁控制系統(tǒng)圖Fig.3 IPMSM weak magnetic control system with compensation excitation current

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

基于帶補(bǔ)償弱磁控制的IPMSM系統(tǒng)原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型。仿真時(shí)IPMSM電機(jī)參數(shù)為：永磁體磁鏈ψf=0.205Wb，定子電阻Rs=0.86Ω，交軸電感Lq=11.3mH，直軸電感Ld=5.5mH。電機(jī)極對數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。

(a)轉(zhuǎn)速波形(a)Speed wave

(b)id、iq電流波形(b)Wave of id and iq

(c)電磁轉(zhuǎn)矩波形(c)Wave of Te

圖4為帶勵(lì)磁電流補(bǔ)償弱磁控制系統(tǒng)仿真波形。從圖4可以看出，從0到0.3s，系統(tǒng)以恒定電磁轉(zhuǎn)矩Te=9N·m加速起動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速從0提升到5000r/min，提速過程中轉(zhuǎn)速平滑上升，電流和轉(zhuǎn)矩基本恒定，波動(dòng)小。在0.3s后，電磁轉(zhuǎn)矩跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩2N·m，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩2N·m實(shí)現(xiàn)平衡，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨指令給定值5000r/min。

(a)id、iq電流變化波形(a)Current waveform of id and iq

(b)電磁轉(zhuǎn)矩變化波形(b)Torque wave of Te

圖5為加載時(shí)弱磁控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖，仿真運(yùn)行條件是，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速5000r/min(區(qū)域2)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩1s時(shí)變?yōu)?N·m，1.5s時(shí)變?yōu)?N·m，2s時(shí)變?yōu)?N·m，從圖5可以看出，系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩和電流波動(dòng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。

4 結(jié)論

理論分析和仿真分析結(jié)果表明，帶勵(lì)磁電流補(bǔ)償弱磁控制的IPMSM系統(tǒng)提升了調(diào)速范圍，由額定轉(zhuǎn)速1500r/min,上升到5000r/min，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，弱磁過渡平滑。該控制策略對于提升內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義，為高速巡航及超車等工況的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

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Flux-weakening control research with excitation current compensation for interior permanent magnet synchronous motor in electric vehicle

LIN Li，ZHAO Haiyan，LI Yongkuang，TANG Hongwei，PENG Zhihua，SHI Shuqi

(Shaoyang University，Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area，Shaoyang 42200,China)

In order to improve the vehicle speed range and high speed cruise capability of the interior permanent magnet synchronous motor,the flux weakening control strategy with excitation current compensation is studied in this article.The interior permanent magnet synchronous motor field weakening control system simulation model is established based on the platform of MATLAB/Simulink，and high speed weak magnetic control system simulation is carried out.The simulation results show that the system has a wide range of speed regulation and fast dynamic response,and the method provides a reference significance for further study on the high-speed cruise and overtaking and other conditions.

electric traction；interior permanent magnet synchronous motor；flux-weakening control；excitation current compensation

1672-7010(2017)01-0064-05

2016-11-18

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(NO.16A191)；湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(NO.2016TP1023)

林立(1972-)，男，湖南武岡人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)的教學(xué)與研究，E-mail：linlidexin@163.com

TM313 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A