基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法窦汝振,辛明华,杜智明(中国汽车技术研究中心,天津300162)摘要:对需要异步电动机恒功率运行的应用领域,特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形,弱磁控制是一个非常重要的方法。

基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法,该方法与电机参数无关,稳定性强,实现简单,试验结果验证了该方法的正确性和有效性。

关键词:矢量控制;弱磁控制;异步电动机中图分类号:TM301.2B TM343文献标识码:A文章编号:1673-6540(2009)05-0025-03F iel dW eakening Control of A synchronousM otors Based on V ector ControlDOU Ru-zhen,X I N M i n g-hua,DU Zhi-m ing(Ch i n a A uto m otive Technology&Research C enter,T i a nji n300162,Ch i n a)Abstract:The field w eaken i ng contro l is i m portan t for the i nducti on mo tor.s constant pow er ope ration that i s re-qu ired by t he e l ec tric veh icle.Based on the detail ed theo retical analysis,usi ng t he vector contro,l a constant q-ax i s sta t o r vo ltage fi e l d weaken i ng controlm e t hod t hat is stab l e,i ndependent o fm otor para m ete rs is presented.Its vali d it y is prov ed by experi m ental resu lts.K ey word s:vector con tro;l field weaken i ng con tro;l asynchronou sm otors0引言异步电动机结实耐用,在矿山机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等领域有着广泛应用。

异步电动机运行时,其电压会受到供电电压的限制,而电流的增大也会受到电机及变频器的容量限制。

因此,异步电动机运行在基速以上时需要采用适当的弱磁方法,在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下,得到尽可能大的电机转矩输出和功率输出及良好的系统动、静态特性[1]。

此外,异步电动机弱磁运行时的参数变化较大,因此期望所采用的弱磁控制方法具有较强的参数鲁棒性。

国内、外已有的以矢量控制为基础的弱磁控制方法基本可分为以下三类[2-4]。

(1)1/X r弱磁。

如式(1)所示,该方法是在电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定为与转子转速成反比。

7rd=7rd nX nX r(1)式中:7r dn)))额定转子磁链;X n)))额定转速;X r)))电机转速。

(2)恒压弱磁。

这类方法保持电机电压为额定电压,根据电压控制环的输出来控制电机的励磁电流,与电机参数无关,但转矩电流和励磁电流耦合强,电流调节器易于饱和。

(3)励磁电流的解析控制。

电机的励磁电感存在磁饱和现象,电感参数会随着励磁电流的调整而发生变化。

因此,在电机及励磁电感建模的基础上,采用精确的弱磁电流解析形式,提高电机的转矩输出能力和动态响应。

但这类方法的有效性依赖于电机参数的准确性,励磁电流控制开环,鲁棒性较差。

本文对基于转子磁链定向控制的异步电机弱磁控制方法进行了分析,并提出了一种基于交轴电压控制的弱磁控制方法,该方法简便易行。

)25)1 异步电动机数学模型采用转子磁链定向的矢量控制,异步电动机在dq 同步坐标系下的电压方程[2]为:u s d =R s i s d +R L s p i s d +L mL r p 7r d -X e R L s i s q (2)u s q=R s i s q +R L s p i s q +X e R L s i s d +Lm L r7r d(3)式中:u s d ,u s q )))分别为d 、q 轴定子电压;i s d ,i s q )))分别为d 、q 轴定子电流;R )))漏感系数;L s )))定子电感;L m )))互感;L r )))转子电感;X e )))电机同步转速;7r d )))d 轴转子磁链;R s )))定子电阻;p )))微分算子。

电机电磁转矩T e 为:T e =1.5n p L 2mL ri s d i s q(4)式中,n p 为极对数。

这里分析的是异步电动机的弱磁高速运行,可忽略定子电阻压降[2]。

此时,由式(2)、(3)可得到异步电动机的稳态电压方程为:u s d =-X e R L s i s q (5)u s q =X e L s i s d(6)电机及逆变器要受到容量的限制,式(7)、(8)给出了电机需要满足的最大电压和最大电流限制条件:u 2s d +u 2s q [V 2sm (7)i 2s d +i 2s q [I 2s m(8)式中,V s m 和I s m 分别为定子电压、电流的限幅值。

将式(5)、(6)代入式(4)后可得到[5]:T e =K v u s d u s q(9)其中:K v 是一个与电机运行频率有关的参量,K v =-1.5n p L 2mR L r L 2s X 2e。

2 恒u s q 控制通常采用恒压弱磁控制方法时,会将电机的运行电压保持在额定电压,即V s m =V sn ,此时:u 2s d +u 2s q =V 2sn(10)将式(5)、(6)代入式(8)可得:u s dX e L s2+u s q X e R L s2[I 2s m(11)则电机在(u s d -u s q )平面上的约束轨迹见图1。

图1 电压电流约束下的电机-电压轨迹由图1可知,电机输出功率随转速的升高而下降。

原因在于电机漏抗压降会随转速的升高而升高,定子电压被限制在额定电压时会导致转子反电势及电机输出能力的下降。

事实上,采用矢量控制后,可以用正交分量(u s d u s q )来合成定子电压。

此时,忽略定子电阻压降,空载时u s U X eL mL r 7rU u s q 。

根据电机等效电路得到的定子电压矢量合成见图2,而根据式(5)、(6)得到的合成方式见图3。

图2 电压矢量合成图3 dq 轴电压矢量合成可以看出,在弱磁区域保持u s q 恒定即可近似保持转子反电势的恒定,从而实现对励磁电流的控制;而转矩增大引起的漏抗电压的升高则由u s d 来提供;定子电压会随着负载的增加而有所增加。

采用恒u s q 控制时的整个异步电机控制系统的原理框图如图4所示。

)26)2009,36(5)电机控制及其在交通行业中的应用专题x EMCA图4恒us q弱磁控制系统框图此时,对励磁电流的调节由u s q的控制环自行调节完成,与恒压控制方式相比,减少了总电压的计算需要。

考虑到电机的负载大小、电压承受能力和运行的最高转速,u s q的控制参考值可根据电机的实际应用情况进行标定。

一般可以考虑在V dc/3与V d c/2之间选择。

与恒压弱磁相比,由于u s q保持不变,因此在转速一定的条件下,如式(6)所示,当负载变化时,电机的励磁不会发生变化,这就可以提供更快的动态转矩响应。

采用矢量控制和恒u s q的弱磁控制,对一台纯电动大客车用异步电动机驱动系统进行了台架试验,并将本方法与恒压弱磁控制方法的试验结果进行了比较,在80%额定负载下得到的结果如图5所示。

控制平台基于T M S320F2407所开发,电机主要参数如下:P N=100k W,I N=297A,V N= 240V,T N=514N#m,n N=1860r/m i n。

从图5可以看出,采用恒u s q控制后,电机的转矩输出能力得到了提高,且电机输出功率能够保持近似恒定,定子电压会随着转速的升高而有所上升。

这与前面的理论分析是一致的。

(a)定子电压(b)转矩(c)功率图5恒us q及恒压弱磁时的输出比较3结语本文所提出的恒交轴电压(u s q)控制方法具有实现简单,与电机参数无关,转矩动态响应快等优点。

漏抗的存在和电压的限制是电机结构及供电电源本身所决定的。

尽管通过控制方式的改进可以改善电机的输出能力,但在电动汽车等工程应用领域,更应着重研究电机驱动系统一体化设计,在输出功率和母线电压间进行优化设计,以获得更优的系统性能。

=参考文献>[1]陈伯时,谢鸿鸣,交流传动系统的控制策略[J].电工技术学报,2000,15(5):11-15.[2]X u X,N ovotny D W.Se lecti ng the fl ux re ference f o ri nduction m ach i ne dr i ves i n the fi e l d w eaken i ng reg i on[C]M I A S,1991(1):361-367.[3]Sattl er K,Scha fer U,G hey sens R.F ield or i ented con-tro l o f an i nducti on mo tor w ith fi e l d weaken i ng underconsi derati on of satura ti on and rotor hea ti ng[C]MPESD,1990(1):286-291.[4]Bunte A,G rotsto llen H,K ra f ka P.F i e l d w eakening o fi nduction mo tors i n a v ery w ide reg i on w it h regard t opara m eter uncerta i nties[C]M PESC,1996(1):944-950.[5]窦汝振,吴志新,赵春明.电动汽车用异步电动机弱磁运行的最大转矩控制[J].电机与控制应用,2006,33(12):40-42.收稿日期:2008-10-21)27)。