摘要：高速永磁電機(jī)具有較高轉(zhuǎn)速，在運(yùn)行過程中可能會產(chǎn)生較大損耗，為對這一問題加以控制，需要探尋有效的轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)?；诖?，對以往高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)研究成果展開分析，基于高速永磁電機(jī)具有較高基波頻率以及電感值的特征，基于以往應(yīng)用的Si基IGBT開關(guān)的不足，對比了SiCMOSEFT開關(guān)，在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果中證明SiC器件下的開關(guān)具有更加良好的性能，速度提升并降低了損耗，通過應(yīng)用于高速永磁電機(jī)的矢量控制模型，發(fā)現(xiàn)基于SiC器件的逆變器具有更加良好的轉(zhuǎn)速跟蹤性能。

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤開關(guān)性能逆變器

ResearchontheRotationalSpeedTrackingControlofHigh-SpeedPermanentMagnetMotors

ZHANGXiaoyingWANGLipingLIUZhongnan

（ShanxiJinzhongInstituteofTechnology，Jinzhong，ShanxiProvince，030600China）

Abstract：Ahigh-speedpermanentmagnetmotorhasahighspeed，whichmayproducealargelossduringoperation，andinordertocontrolthisproblem，itisnecessarytoexploreaneffectiverotationalspeedtrackingcontrolsystem.Basedonthis，thepreviousresearchresultsoftherotationalspeedtrackingcontrolsystemofhigh-speedpermanentmagnetmotorsareanalyzed.Basedonthecharacteristicsofthehighfundamentalfrequencyandinductanceofhigh-speedpermanentmagnetmotorsandtheshortcomingsofSi-basedIGBTswitchesusedinthepast，SiCMOSEFTswitchesarecompared，andsimulationresultsshowthattheswitchesunderSiCdeviceshavebetterperformance，increasingspeedandreducingloss.ItisfoundthattheinvertersbasedonSiCdeviceshavebetterrotationalspeedtrackingperformancethroughthevectorcontrolmodelappliedtohigh-speedpermanentmagnetmotors.

KeyWords：High-speedpermanentmagnetmotor;Rotationalspeedtracking;Switchingperformance;Inverter

基于永磁同步電機(jī)運(yùn)行效率相對更高的特征，在各大工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但是由于其體積相對較小，在運(yùn)行中的電感值較小，進(jìn)而產(chǎn)生較快的轉(zhuǎn)速。此時(shí)，高度永磁同步電機(jī)中的定子將會形成較高的基波電流頻率，并且傳統(tǒng)逆變器開關(guān)速率不足，則難以對定子加以控制，進(jìn)而在高速運(yùn)行下產(chǎn)生一定的鐵芯損耗，促使電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重的將會造成故障，可能會影響電機(jī)性能?；诖?，在高速永磁同步電機(jī)的應(yīng)用中，尋找更為高效的轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)成為關(guān)鍵。

1永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

創(chuàng)建永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，則應(yīng)當(dāng)遵循其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，按照完整真實(shí)的角度展開假設(shè)，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁體在氣隙中的勵磁磁場分布為正弦狀態(tài)，并假設(shè)處于空間狀態(tài)下的電機(jī)定子三相繞組具有完成對稱的狀態(tài)，且為120°電角度。則考慮到高速永磁電機(jī)其具有強(qiáng)耦合、非線性、多變量等特征，則為了在控制電機(jī)時(shí)更加簡單，應(yīng)當(dāng)簡化電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，因此應(yīng)忽略鐵芯可能產(chǎn)生的飽和效應(yīng)與繞組漏感，同時(shí)忽略轉(zhuǎn)子阻尼繞組[2]。

基于此，處于兩相同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系中，表貼式的高速永磁電機(jī)電壓模型為

進(jìn)而生成了轉(zhuǎn)矩模型

在式（1）與（2）中，d、q坐標(biāo)系的軸上電壓、電流與等效電感分別使用ud、uq、id、iq、Ld、Lq表示；Rs則表示為定子電阻；Ψf則表示為永磁體的磁鏈。

2高速永磁同步電機(jī)矢量控制

2.1弱磁控制算法

當(dāng)高速永磁電機(jī)在寬調(diào)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，若處于基速以下，通常情況下按照等于0的d軸電流對表貼式電機(jī)加以控制。通過該控制算法，促使d軸上的電流始終為0，同時(shí)可通過對q軸上的電流加以調(diào)節(jié)而對定子矢量電流加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的有效調(diào)節(jié)控制。

此時(shí)，若電機(jī)逐漸提升轉(zhuǎn)速，并且超過既定值，電機(jī)將會產(chǎn)生較大的反電動勢，而電機(jī)在達(dá)到逆變器最大輸出電壓之后，此時(shí)電流環(huán)的比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器將處于飽和狀態(tài)，無法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)?；谶@樣的問題，可通過弱磁控制的方式促使電機(jī)轉(zhuǎn)速再次提升。通過提升d軸電流參數(shù)的方式，促使氣隙磁場被削弱，從而維持平穩(wěn)的電壓狀態(tài)，促使電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)速空間。

當(dāng)電機(jī)具有超過基速的轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入到弱磁運(yùn)行范圍，在PI調(diào)節(jié)器的作用下對電壓矢量以及極限電壓參數(shù)加以調(diào)節(jié)，從而不斷提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

可選擇轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制方式構(gòu)建高速永磁電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，而在此其中，PI調(diào)節(jié)器將會對跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速的性能產(chǎn)生直接影響。而電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可能會受到一定的擾動且系統(tǒng)參數(shù)不確定，因此為了更好地保障矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟蹤穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步調(diào)整PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

由于表貼式電機(jī)其具有相同的直交軸電感且dphgLt8IJGvzV8mW0zJkJoVg==軸電流環(huán)對稱，因此電流PI調(diào)節(jié)器具有相同的參數(shù)，因此假設(shè)此時(shí)的d軸電流壞，則電流閉環(huán)傳遞函數(shù)表示為

3基于SiC的轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)

3.1Si基開關(guān)對比

完成矢量控制系統(tǒng)的建模之后，對比以往在轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)中所應(yīng)用到的開關(guān)，分別選擇Si基下的IGBT以及CMOSFET器件進(jìn)行對比研究。

利用PSpice軟件創(chuàng)建模型對功率器件進(jìn)行測試，基于雙脈沖測試電路能夠?qū)ζ骷_關(guān)時(shí)的非線性參數(shù)加以反饋。基于同一測試模型中將SiIGBT器件標(biāo)記為M1，SiCMOSFET器件則標(biāo)記為M2。

在測試中，首先向M1增加-5V的電壓，關(guān)閉器件；隨后在M2上增加0V/18V的驅(qū)動電壓。按照1μs的周期對兩次脈沖信號發(fā)射時(shí)間加以控制，并設(shè)置0.5μs的脈寬。隨后通過仿照電機(jī)元件參數(shù)在模型中加以設(shè)置，從而對器件開關(guān)的動作過程進(jìn)行仿真模擬。

首先按照400V的漏源極電壓、10A的漏極電流、10Ω的驅(qū)動電阻以及25℃的環(huán)境條件參數(shù)下展開測試，隨后根據(jù)測試結(jié)果對M1以及M2器件開關(guān)過程中電壓電流繪制仿真波形圖[4]。

隨后根據(jù)開關(guān)定義，在仿真波形圖上定位器件開啟以及關(guān)閉的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而掌握不同器件執(zhí)行開關(guān)指令所消耗的時(shí)間，如表1所示。

表1M1、M2器件開關(guān)測試結(jié)果（單位：ns）

根據(jù)這樣的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)其中M2的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)測試結(jié)果均小于M1器件，因此，證明M2也就是SiCMOSFET器件的開關(guān)速度相對更快。逆變器在運(yùn)行狀態(tài)下受到開關(guān)速度的影響，不僅會出現(xiàn)差異性的開關(guān)頻率，同時(shí)也會影響到逆變器設(shè)置的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間越少，則能夠?qū)﹄娏髦C波產(chǎn)生更加良好的控制作用。

同時(shí)對測試過程中所形成的波形圖加以分析，發(fā)現(xiàn)在M2器件下產(chǎn)生了更加良好的電壓轉(zhuǎn)換速率，這是由于SiC材料的寄生電容相對更低且電子遷移率更好，轉(zhuǎn)換速率較大則能夠有效避免在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的損耗。

逆變器工作時(shí)功率器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的損耗將會對其效率產(chǎn)生直接影響，而M2器件的損耗值更小將會有效提升逆變器的運(yùn)行性能。

3.2SiC逆變器仿真模型

通過上文中對SiIGBT、SiCMOSFET兩種器件的對比研究，發(fā)現(xiàn)后者具有耕地?fù)p耗，在開關(guān)過程中的死區(qū)時(shí)間相對較少，促使開關(guān)頻率相對較高。這樣的優(yōu)勢促使逆變器能夠有效縮減自身體積，同時(shí)也能夠?qū)﹄姍C(jī)產(chǎn)生電流諧波的行為加以控制，具有相對更高的工作效率。則SiCMOSFET器件可在高基頻的高速永磁電機(jī)控制系統(tǒng)中加以應(yīng)用。為了進(jìn)一步對逆變器的工作狀態(tài)加以反饋，則同時(shí)也可以在測試軟件中創(chuàng)建基于實(shí)際開關(guān)特性下的逆變器模型，同樣按照上文中的功率器件進(jìn)行對比研究，從而分析處于理想狀態(tài)下的逆變器應(yīng)用，在后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)中展開仿真分析研究[5]。

4仿真實(shí)驗(yàn)

4.1仿真分析

展開仿真實(shí)驗(yàn)分析，按照實(shí)際工況借助于SPice軟件對電路展開更加精確的模擬仿真。電機(jī)仿真模擬參數(shù)為2.5W的額定功率；20A的額定電流；100Hz的額定頻率；4.55Ω的額定電阻，同時(shí)具有0.602mH的d軸電感以及1.259mH的q軸電感。借助于SLPS接口在Simulink中創(chuàng)建軟件仿真實(shí)驗(yàn)平臺，通過搭建逆變器模型對理想逆變器加以替換的方式展開聯(lián)合仿真。在整體仿真實(shí)驗(yàn)過程中，創(chuàng)建1450r/min的初始額定轉(zhuǎn)速，在進(jìn)入2s和4s之后，轉(zhuǎn)速分別轉(zhuǎn)變?yōu)?50r/min和150r/min。隨后對電機(jī)在不同控制方法下的轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行記錄并繪制波形圖?；谶@樣的仿真分析設(shè)計(jì)，對處于SiC逆變器下的電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤性能展開研究。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，基于最終的測試波形圖加以分析，發(fā)現(xiàn)在處于id=0的狀態(tài)下，均能夠穩(wěn)定地跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而獲得相應(yīng)的跟蹤給定值。在測試進(jìn)入0.15s后，轉(zhuǎn)速持續(xù)提升，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過既定轉(zhuǎn)速之后，由轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)對電機(jī)模式加以調(diào)節(jié)，進(jìn)入弱磁區(qū)間，此時(shí)觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)其能夠達(dá)到1800r/min左右的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。結(jié)合上文中對比研究了兩種不同逆變器期間的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)基于SiC期間下的響應(yīng)速度相對較快，具有較短的上升時(shí)間，并且通過對波形圖放大加以觀察，發(fā)現(xiàn)其具有平滑的轉(zhuǎn)速過渡效果，以相對更小的超調(diào)量滿足對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。而Si逆變器對電機(jī)轉(zhuǎn)速加以調(diào)節(jié)達(dá)到1800r/min所需的時(shí)間為0.53s，消耗時(shí)間較長。并且在降低電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，SiC逆變器同樣具有更短時(shí)間[6]。

對電機(jī)處于1800r/min轉(zhuǎn)速下的電流波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)處于Si逆變器的控制狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形相對較為明顯，具有尖峰結(jié)構(gòu)，并且具有嚴(yán)重的畸變狀況，無法產(chǎn)生良好的正弦度。而SiC逆變器下電機(jī)電流具有更為平滑的波形，并且具有良好的正弦度表現(xiàn)。

結(jié)合FFT分析電流諧波含量，發(fā)現(xiàn)SiC逆變器的電流諧波含量為21.5%，而Si的電流諧波含量則為33.74%，基于這樣的參數(shù)條件，證明SiC逆變器的性能相對更加良好，在應(yīng)用過程中能夠?qū)D(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)的性能起到有效改善作用。

6結(jié)語

通過對高速永磁同步電機(jī)的基本構(gòu)成以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在以往構(gòu)建轉(zhuǎn)速跟蹤控制系統(tǒng)時(shí)所選用的開關(guān)性能較差，反應(yīng)速率慢的同時(shí)，損耗較高?；谶@樣的問題，本文提出了基于SiC逆變器的全新開關(guān)應(yīng)用建議。通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了應(yīng)用SiC逆變器之后的電機(jī)響應(yīng)速度相對更快，能夠通過將電機(jī)快速轉(zhuǎn)移到弱磁區(qū)間后提升其轉(zhuǎn)速，從而保障穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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