永磁同步电机弱磁控制方法综述

-1-永磁同步电机弱磁控制方法摘要：永磁同步电机(Permanentmagnetsynchronousmachine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求，对其进行弱磁控制并拓宽调速范围有着重要意义。本文针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负id补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法,分析了各方法的原理及特点，得出以电压为控制对象的弱磁方法具有一定发展前景的结论。关键词：永磁同步电机；弱磁控制；内置式永磁同步电机；矢量控制TheFieldWeakeningControlStrategyofPermanentMagnetSynchronousMotorAbstract:PMSMbecauseofitshighpowerdensity,highreliabilityandhighefficiencycharacteristics,atahigherspeedrequirementsofelectricvehicledrivesystemhasbeenwidelyused.PMSMweakeningcontroltechnologymustbeusedtomeettheneedsofawidespeedrange.Andbecauseofitssalientpoleeffect,itisofgreatsignificancetobroadenthescopeoftheweakmagneticfieldofIPMSM.Inthispaper,thecommonlyusedweakeningcontrolmethodofPMSMarereviewed.Basedonthedifferentcontrolobject,weclassifytheweakmagneticcontrolmethod,andintroducesindetailthenegativeidcompensationmethod,look-uptablemethod,gradientdescentmethod,currentanglemethod,singlecurrentregulatormethodthatisusedcommonlyatpresent,analyzestheprincipleandcharacteristicsofeachmethod.Finally,weconcludethatvoltagecontrolfieldweekingmethodhasdevelopmentprospects.Keywords:PMSM;thefieldweakingcontrol;IPMSM;FOC1引言永磁同步电机(Permanentmagnetsynchronousmachine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用[1,2]。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求。永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电机的调磁控制，对永磁同步电机弱磁控制的研究始于20世纪80年代中期[3,4]。并于90年代初形成了完善的弱磁理论[5]。内置式永磁电机结构简单、鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁控制并拓宽弱磁范围有着重要意义[6]。由于永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生，在转速要求较高需要弱磁运行的场合难以实现，在某些应用场合受到限制。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论是从控制角度还是本体结构的合理设计选取的角度，一直是国内外学者研究解决的热点[7]。所以有必要对现有的永磁同步电机弱磁控制方式进行综合分析研究。本文将针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。文中基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负id补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法。2永磁同步电机弱磁控制研究现状2.1永磁同步电机控制技术的研究现状近二十年多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍以采用矢量控制的为多。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励-2-磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩就取决于id和iq，控制id和iq便可以控制转矩。通过控制电流跟踪给定便实现了电动机转矩和转速的控制。3[()]2epqqqfddTniLLii(1)2.2永磁同步电机弱磁控制的研究现状目前，永磁同步电机的弱磁问题主要从本体和控制策略的角度着手研究。一些学者从电机本体结构的角度，通过改变励磁回路、永磁励磁磁通旁路、混合励磁调节气隙磁通等方法对电机的弱磁性能进行改善。另一些学者则从控制策略的角度来提高永磁同步电机的弱磁性能。本文主要从控制策略的角度来介绍。弱磁控制大多采用基于磁场定向控制(field-orientedcontrol，FOC)和最大转矩电流比(maximumtorqueperampere，MTPA)控制。MTPA控制主要用于低转速运行时提高电机效率，而FOC控制主要在于设计d轴、q轴电流调节器。常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法、梯度下降法、负id补偿法、单电流调节法、电流角度法等。公式计算法的精度依赖于电机数学模型的精度，实际中要想建立一个准确的模型很难，故很少在实际工程中应用。查表法通过大量的实验数据并制成表格，减少了电机控制芯片的实时计算量，实现起来较为复杂。梯度下降法计算量大，实现较复杂。负id补偿法实现简单，但不能实现在弱磁区域III的弱磁。电流角度法不能实现在弱磁区域III的弱磁。单电流调节法以电压为调节对象，实现了深度弱磁，具有一定发展前景，同时也存在一定缺点，有待改进。3永磁同步电机的弱磁控制原理3.1永磁同步电机弱磁控制的基本电磁关系永磁同步电机的控制是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。其中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值Ilim要受到逆变器直流侧电压和最大输出电流限制。则电压极限椭园和电流极限圆的图形如图(1)所示。电压方程满足：22dquuu(2)当电机稳定运行时：2211()()qqdddfquLiRiLiRi(3)如果忽略电阻，以ulim代替u,则电压方程满足：22lim()()qqddfuLiLi(4)电流方程满足：222limdqiii(5)图1电压极限椭园和电流极限圆Fig.1Trajectoryofvoltagelimitandcurrentlimit3.2永磁同步电机弱磁控制的的区域划分1990年日本学者S.Morimoto对永磁电机运行区域进行了分析总结，首次提出弱磁运行三个运行区域(区域I，区域II和区域III)根据电机运行情况，把区域分为3个区域[8]：1)区域I基速以下，电机运行在恒转矩区域，采用线性最大转矩电流比控制(MTPA)，使永磁同步电机获得最大的电磁转矩[9]。2)区域II随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(MTPV)曲线之间的恒转矩曲线运行。该区域称为弱磁区域II。3)区域III在更高的转速范围，电机沿着MTPV曲线运行，该区域称为弱磁区域III。当𝜓𝑓/𝐿𝑑𝑖𝑙𝑖𝑚时，该区域不存在。4永磁同步电机的弱磁控制方法永磁同步电机的弱磁控制方法按照控制的对电流极限环isODFACEBωa电压极限椭园转速增加-3-象不同，可以分为三类：1)以电流为控制对象，控制电流为传统弱磁控制方法，控制方法最多。常用的方法有公式计算法、负id补偿法、查表法、梯度下降法等。2)以电压为控制对象，常用方法有单电流调节器法。3)以相角为控制对象，常用方法有电流角度法。4.1永磁同步电机负id补偿法弱磁控制负id补偿法的的基本思想是，不断检测电流调节器输出的电压指令，一旦电压指令超出限幅。负方向增加id，使得电机工作点左移，重新回到电压椭园环内[1]。图(2)为基于d轴电流补偿的弱磁控制框图，从图中我们也可以看出该方法实现起来也是相对简单的，使用的也是传统的PI调节。该方法原理简单，易于实现，对参数依赖性性小。这些优点使得该方法在弱磁深度要求不高的场合得到广泛应用。但是从原理上我们可以看到该方法主要是对负方向增加id，但是在前述的区域III中，若要实现MTPV曲线运行，我们是要负方向减小id的值的，负id补偿法从原理上就很难实现区域III的弱磁运行。实际上，在深度弱磁时，该方法的稳定性严重下降，甚至发生电机失控。文献[1]从数字化控制系统的特点入手，分析了电流失控出现的原因，分析结果表明，使用负id补偿法进行弱磁控制时，应当对id进行准确合理的限幅，并在id达到其限幅值后对iq进行弱磁补偿，以保证系统的稳定可控。据此提出了一种改进的弱磁控制策略，经实验验证，可有效提高永磁同步电机稳定可控运行的转速范围。PIPIPI22dquuMTPA*2*2sdiiis*id0*id*+-+-iq*iqid+++-umax△id图2基于d轴电流补偿的弱磁控制框图Fig.2Field-weakeningcontrolblockdiagrambasedond-axiscurrentcompensation4.2永磁同步电机查表法弱磁控制通过查表的弱磁控制方法是根据磁链的变化，及磁链与转矩、电流之间的关系，需要通过大量实验测试选取一些转速点来测量得到三者之间的数据关系，形成数据表。在电机运行时，电流参考值则通过查表得到，免去实时的电流参考值计算，从而进行恒转矩和恒功率控制。文献[10]中将交、直轴电流随转矩及定子磁链的变化关系作成表格。在电机运行过程中,根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该方法可以根据实际工况要求同时得出交、直轴电流参考值,可有效地提高系统的快速响应能力[10]。文献[10]中将功率5kW的内置式永磁同步电机由额定转速1000r/min，弱磁扩速至2000r/min时转速。图(3)为弱磁区域id，iq响应曲线，结果表明其基于查表法的弱磁控制策略可获得较快的动态响应。采用查表法的控制算法精度较高，运行轨迹易于规划。但该方法需要大量实验数据，且是针对某台特定的电机进行实测，其运行性能优良，但不易进行移植。12t/msidiqCH1200mVCH2100VM100ms图3弱磁区域id，iq响应曲线Fig.3id，iqresponsecurveinfieldweakeningregion4.3永磁同步电机梯度下降法弱磁控制梯度下降法是根据永磁同步电机的电压极限椭圆的电压递减方向和恒转矩运行曲线方向之间的夹角大小确定电机运行所在的弱磁区域，公式(6)用于计算电压递减方向与和恒转矩运行曲线方向之间的夹角。之后根据所在的弱磁区域，作相应的电流参考值修正，从而实现弱磁控制，图(4)为梯度下降法弱磁控制的算法框图。对于电流参考修正值的大小主要由电机输出的电压大小与电机限定电压的差值确定，根据区域的不同，完成电流参考值的修正。文献[6]中将电机从1800r/min弱磁到3600r/min,实验结果表明梯度下降法略优于传统方法，提高了直流母线电压利用率。该方法对弱磁控制区域划分明确，控制精确，可以实现无限速度弱磁。算法可靠、鲁棒性好，响-4-应快，避免了使用查表法需要大量实验数据带来的不便，可以实现对电机的实时性调节，但是实现程序比较复杂。cos(,)(,)/dqdqTTUUTU(6)电流调节器PI22dquuMTPAid++-+/3refdcUU电流修正值iqUdUqi*d,mi*q,mi*di*q图4梯度下降法弱磁控制算法框图