电动汽车用永磁同步电机直接转矩弱磁控制许峻峰1　冯江华2　许建平11.西南交通大学2.株洲电力机车研究所 摘要:通过对电流限定轨迹、转速限定轨迹和负载角限定轨迹的介绍,阐述了电动汽车用埋入式永磁同步电机的弱磁控制过程,有效拓宽了永磁同步电机直接转矩控制系统的调速范围。

由于永磁同步电机弱磁是通过电枢反应达到弱磁运行目的的,电枢反应对永磁同步电机的参数有着重要的影响,并且弱磁程度越高,电枢反应越大。

因此考虑了永磁同步电机的电枢反应对于电机转子磁链和交直轴电感等参数的影响,对比了不考虑电枢反应时各控制轨迹及弱磁性能。

通过M AT LAB/SIM ULINK实现了考虑电枢反应和不考虑电枢的永磁同步电机直接转矩控制的弱磁控制。

仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词:电动汽车　永磁同步电机　直接转矩　弱磁控制Flux-weakening C ontrol of Direct Torque C ontrol of PermanentMagnet Synchronous Motor for Electrical VehicleXu Junfeng　Feng Jiang hua　Xu JianpingAbstract:Flux-w eakening control of interior permanen t magnet s ynchr on ou s motor(PM SM)is elaborated by th e pres entation of current limit trajectory,speed limit trajectory and load angel limit tr ajectory.Flux-w eaken ing control extends th e timin g range of the mach ine.For PM SM,flux-w eakening is realized by armatur e reaction.In flux-w eak enin g range,ar mature reaction w ill serious ly affect th e parameters of PM S M s uch as rotor flux,direct ax is inductance and quadrature axis ind uctan ce.T he control trajectories mention ed above and flux-w eakening contr ol performance of w ith and w ithout cons idering arm ature reaction are compared us ing M AT LAB/SIM U LINK.T he ration ality of theory analysis h as b een proved b y s imulation r esu lts.Keywords:electrical vehicle　perman ent magnet synchronous motor(PM S M)　direct torqu e control　flux-w eakening control1　引言电动汽车对于驱动系统的基本要求是:低速时能输出恒定转矩,以适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求,高速时能输出恒定功率,能有较宽的调速范围,适应高速行驶,超车等要求。

较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高电动汽车的起动、加速能力及低速爬坡能力;或者说在保持电动汽车起动加速及低速爬坡能力不变的前提下降低电机的最大功率,从而降低逆变器的容量。

因此对电动汽车驱动用永磁同步电动机进行弱磁控制,并且拓宽弱磁范围有着重要的意义。

另外对永磁同步电动机进行弱磁控制可以拓宽电动汽车的运行范围,满足电动汽车高速运行的要求。

因为永磁同步电机的转子励磁磁场由永磁体产生,不能像异步电机一样直接减弱转子磁场,所以弱磁控制便成了永磁同步电机的研究热点。

其弱磁控制原理是通过增加定子直轴电流利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,达到等效于减弱磁场的效果,从而达到弱磁增速的目的。

针对这一国家自然科学基金项目(50077018),国家教育部博士学科点专项科研基金项目(20020613010)基本思想,学者们提出了众多方案用于改善永磁同步电机的弱磁控制性能。

Bimal.K.Bose[1]提出6步电压法通过改变电机功角来达到改变转矩的目的,该方案对于电机参数的依赖性小,且可实现对直流母线电压的最大利用。

为了解决电机从恒转矩工况到弱磁工况的切换问题,Thom s M.J[2]提出了前馈弱磁方案。

J.M.Kim[3]提出了电流解耦控制和给定电压补偿的方法改善电机弱磁运行性能。

现有弱磁控制方法大都在矢量控制中实现。

由于永磁同步电机直接转矩控制的研究尚处于初步阶段,所以关于其弱磁控制的研究就更少有报道,只有M. F.Rahm an在文献[4]中初步实现埋入式永磁同步电机直接转矩控制的弱磁控制。

田淳在文献[5]中实现了表面式永磁同步电机直接转矩控制的弱磁控制。

目前永磁同步电机的弱磁控制无论是矢量控制系统还是直接转矩控制系统均没有考虑电机的电枢反应对参数的影响,以及由此造成的对弱磁性能的影响。

当电机处于弱磁工况时,电枢反应加大,此时电枢反应对电机参数的影响相比于恒转矩区更大。

为了提高系统控制精度,有必要考虑电枢反应引起的电机参数的变化对电机弱磁性能的影响。

本文在实现永磁同步电机直接转矩弱磁控制的基础上考虑了电枢反应造成的转子磁链、交直轴电感的变化以及其对弱磁性能的影响,并对两者的结果进行了对比。

2　弱磁控制在dq旋转坐标系下,永磁同步电机的基本方程为d=L d0i d+ f(1)q=L q0i q(2)s= 2d+ 2q(3) u s= s= (L d0i d+ f)2+(L q0i q)2(4)T=32n p i q[ f0+(L d0-L q0)i d](5)式中:i d,i q, d, q分别为定子电流、磁链在d,q轴的分量; = r n p, r为转子角速度;T为电磁转矩;n p为电机极对数;L d0,L q0, f0分别为不考虑电枢反应时直轴电感、交轴电感和转子磁链值。

当电机运行于较高转速,电阻值远小于电抗值,电阻的电压降可忽略不计[6]。

因此式(4)忽略了电枢绕组电阻对整个电压降的影响。

文中所使用的永磁同步电机基本参数为:u smax=220V, I smax=1.5A,n p=2,L d0=0.35H,L q0=0.5H, f0=0.401Wb。

在实际控制系统中,电机是由功率半导体器件组成的逆变器驱动的,定子电流和端电压必定受到限制,其约束条件为i s≤I smax(6)u s≤u smax(7)式中:I smax,u smax分别为电枢电流和端电压允许的最大值。

从式(4)和式(7)可见,电机不可能无限制的升速,当电机转速达到 r1时,即n p r1 s=u smax,如果要求转速继续升高,必须减弱定子磁场。

图1为永磁电机运行过程中转矩、端电压和电机功率的变化特性图。

图1　永磁同步电机弱磁控制特性 在直接转矩控制过程中必须保证 < m(其中 定义为负载角, m为最大负载角),原因在于直接转矩控制的基本原则是通过增大负载角来增大输出转矩,当负载角 > m时开关表所提供的电压空间矢量不能足够增大负载角,从而导致输出转矩下降,最终引起系统失控和崩溃。

最大负载角的表达式为[4]m=co s-1[/ s-( / s)2+84](8)其中 =( f L q)/(L q-L d)2.1　各控制轨迹为了充分利用定子电流,在恒转矩区采用M TPF控制[7],其在 s-T和 s- 平面上的轨迹分别如图2,图3所示。

在弱磁区u s=u smax,根据式(4)可知,对于每一转速均对应一个确定的磁链,该磁链值即为直接转矩控制系统中磁链比较环节的定子磁链给定值。

根据式(1)～式(3)及式(5)可得电流限定轨迹,如图2所示,此时电机的最高转速仅与定子磁链的幅值有关,在 s-T平面上电压限定轨迹为垂直于定子磁链轴 s的竖直线。

从图3中可见,在基速以下运行采用M T PF控制时,< m 条件始终满足。

随着弱磁的进行,定子磁链的减小使负载角增大,但最大负载角却在减小,可求出临界点A 点所对应的值 s =0.413Wb, =100.02°。

综合图2、图3可以得到弱磁运行时转矩和转速的关系,如图4所示。

图2 s -T平面控制轨迹图图3 s -平面控制轨迹图图4　转速转矩关系图2.2　弱磁控制的实现图5　永磁同步电机直接转矩控制弱磁控制系统框图永磁同步电机直接转矩控制的弱磁控制系统框图如图5所示。

在恒转矩工作区,转速PI 调节得到转矩给定值,查表得到M T PF 控制所需定子磁链给定值。

在弱磁工作区,定子磁链幅值随着转速升高而减小。

一定转矩输出时,如果电机磁链幅值减小,定子电流势必要增大,当定子磁链在电流限定轨迹上变化时,减小磁链,就要相应减小转矩给定,否则,定子电流将超过最大电流限定值。

因此,电机弱磁运行时,随着转速的变化需要将电机输出转矩限定在相应的转矩范围内,同时考虑最大负载角的限制,转速转矩对应关系如图4所示。

控制系统将转速和转矩限定值两者的对应关系即图4的对应关系存入表中,根据当前的转速查找转矩限定值来动态改变转矩给定值,实现永磁同步电机的弱磁运行。

永磁同步电机的弱磁是通过负向的直轴电流达到弱磁目的的,因此,控制过程中需要考虑永磁体的最大去磁电流,如果去磁电流大于最大去磁电流,永磁体将被退磁,电机不能正常运行,因此需要对直轴电流进行限定,使之不超过最大去磁电流。

3　电枢反应对永磁同步电机弱磁控制的影响 异步电机的弱磁控制是通过直接减弱磁场实现的。

由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体建立的,不能直接减弱,只能通过增加定子直轴电流利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,达到等效于减弱磁场的效果,从而达到弱磁增速的目的。

即弱磁运行时转速越高,对应的直轴电流越大,即电枢反应越严重。

受电枢反应直接影响,电机的3个参数为永磁磁链 f ,直轴电感L d ,交轴电感L q 。

为了提高系统的控制性能,必须考虑电枢反应对于电机参数的影响。

根据实验可得电机在考虑电枢反应时永磁磁链,交直轴电感的表达式[8]为L d =L d 0-0.1i d i d <0(9)L q =L q 0-0.14i q i q ≤1.0(10) f = f0(11)f = f0-0.5(i q -1.0)　i q >1.0(12)将以上参数代入式(1)～式(5)和式(8)可得考虑电枢反应的T - s 和 - s 平面控制轨迹和转矩与转速对应关系图,分别如图6～图8所示。