一种改善 PMSM 动态性能的弱磁策略

Voltage and current constraints of PMSM
电机工作点位于电流圆和最大转 转速较低时， MTPA） 线的交 矩 / 电流（ maximum torque per ampere， 点（ 图 1 的 A 点） ， 此时电机输出转矩最大。 随着转 速升高， 电压椭圆向 C 点收缩， 而 C 点位于 MTPA 线的左边， 因此转速越高要求 d 轴电流 i d 越偏负。 实现 i d 负向增加的策略在工程中常采用如图 2 所
2 2 2 i2 d + i q = i s ≤ I smax ， 2 d 2 q 2 s 2 lim
（ 2）
单电流调节器
［7 ］
（ 3） u + u = u ≤u 。 将式（ 1 ） 代入式 （ 3 ） ， 则电压限制转化为电流 限制 （ Ld id + ψf ） 2 + （ Lq iq ） 2 = u lim 2 。 （ 4） ω 在 i d － i q 坐标平面， 式 （ 2 ） 表示为 如图 1 所示， 0 ） 为圆心的圆， 一个以坐标 O（ 0 ， 称为电流限制圆； 式（ 4 ） 表 示 为 一 个 以 坐 标 C － 圆， 称为电压限制椭圆。
（ 1． School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013 ，China； 2． Automotive Engineering Ｒesearch Institute，Jiangsu University，Zhenjiang 212013 ，China）
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电
机
与
控
制
学
报
第 18 卷
运行在弱磁模式时， 端电压受 VSI 供电电压的限制。 因此最简单的弱磁策略是改变电机转子磁链使转子 磁链与转速成反比， 但这一方面牺牲了电机输出转 矩的能力， 更主要的是由于 PMSM 的转子磁场由永 磁体产生， 不能直接被减弱， 其弱磁控制是利用直轴 电枢反应使电机气隙磁场减弱， 达到等效减弱磁场 ［2 ］ 的效果 ， 从而满足宽转速范围的调速要求 。 、 弱磁前馈控制策略 根据电压 限制椭圆以及电机参数求出 d 轴电流， 具有良好的 动态性能； 但计算量大， 参数鲁棒性差。 ［4 ］ q 基于 轴电压调制的 d 轴电流补偿弱磁策略 但从电压差值到 d 轴补 具有良好的弱磁动态性能， 偿电流转换的增益与感抗相关。使用过调制模块输 入和输出电压的差值计算反馈磁链， 通过前馈磁链 和反馈磁链相减实现抗饱和以及弱磁控制双重功能 ［5 － 6 ］ ， 的策略 其前馈磁链需查表获得， 制定表格需大 量的实验， 另从电压偏差到反馈磁链转换的增益需 通过反复试验确定。 利用系统弱磁后 q 轴电压受 VSI 最大输出电压的限制， 通过控制 d 轴电流间接 控制 q 轴电流的思想实现了深度弱磁。为避免确定 q 轴电压的困难， 8］ 文献［ 将电压角引入了单电流调 d 轴电流误差经 PI 直接获得电压矢量角。 尽 节器， 管它们具有良好的扩速性能， 但动态性能不理想。 根据调节器抗饱和的思想， 为避免调节器饱和， ［9 ］ 基于电压反馈的弱磁策略 采用 dq 轴电流调节器 输出电压指令和 VSI 输出电压的极限值的差值经电 压调节器获得 d 轴弱磁电流。其电压环直接决定着 弱磁点和弱磁程度， 无需检测母线电压， 最大限度地 利用了母线电压， 具有优良的稳态性能和较强的鲁 棒性。由于工作于电压饱和区附近， 且需要经两个 调节器（ 电流调节器、 电压调节器 ） 才能获得弱磁电 流， 转矩阶跃时系统瞬态响应性能不理想 ， 甚至会引 起较大的转矩脉动。采用 VSI 开关周期和电压矢量 有效作用时间之和的差值经 PI 获得 d 轴补偿电流 的弱磁策略
在恒转矩区， 电机端电压小于 VSI 输出电压极 VSI 和电流调节器均有电压余量能保证电 限值 u lim ， 流跟随指令， 系统电压指令和 VSI 实际输出电压偏 差为零； 但在弱磁区， 电机端电压达到 VSI 输出的 VSI 输出电压饱和， u lim ， 若不采取措施系统电压指
u* q
* u* u q 将出现偏差。 令 ud 、 q 和 VSI 实际输出电压 u d 、
第9 期
周华伟等： 一种改善 PMSM 动态性能的弱磁策略 需考虑 q 轴电流调节器对弱磁的影响。 2. 2 弱磁控制策略的提出
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示的基于电压反馈的弱磁策略。 对 i d 限幅的目的 是为了防止电流限制圆与电压限制椭圆无交点 ， 引 起电流失控
［14 ］
。
驻id0 驻 id PI Udc%/ 姨 3 i* d% i* q id iq PI PI Us
0
引
言
车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应 ［1 ］ 用 。弱 磁 控 制 能 够 在 电 压 源 逆 变 器 （ voltage source inverter，VSI） 不增加容量的同时使电机在高 速时恒功率输出， 拓宽了电机调速范围。 反电势在 电机端电压中占的比重很大， 和转速成比例， 但电机
永磁 同 步 电 机 （ permanent magnet synchronous motors，PMSM） 以其高效率、 高功率密度和高转矩 / 惯量比特性在轨道交通、 电力牵引传动系统、 电动汽
收稿日期： 2013 － 08 － 19 基金项目: 江苏大学高级专业人才科研启动基金( 12JDG109 ) ; 国家自然科 学 基金 ( 51077066 ) ; 江苏 省 高 校优势 学 科建设 工 程资助项目 ( 苏 政 〔2011 〕 6 号) 办发 作者简介: 周华伟( 1980 —) ， 讲师， 研究方向为永磁同步电机驱动控制; 男， 博士， 陈 龙( 1958 —) ， 教授， 博士生导师， 研究方向为新能源车辆动态性能模拟和驱动控制; 男， 博士， 刘国海( 1964 —) ， 教授， 博士生导师， 研究方向为电气传动及其自动化; 男， 博士， 蒋 彦( 1981 —) ， 讲师， 研究方向为永磁同步电机调速控制。 女， 博士生， 通讯作者: 周华伟
态电压方程
为 u d = － ωL q i q ，
u q = ωL d i d + ωψ f 。
}
（ 1）
q 轴电感、 Lq 、 id 、 iq 、 ud 、 u q 分别为 d、 式中： L d 、 电流、 电压； ψ f 为永磁磁链； ω 为电角速度。 PMSM 运行时相电压幅值 由于采用 VSI 供电， us 、 即电 定子相电流幅值 i s 受限于 VSI 的输出能力， 流 最 大 值 I smax 和 与 母 线 电 压 U dc 相 关 的 电 压 u lim = U dc 的限制， 因此需满足 3 槡
第 18 卷
第9 期
2014 年 9 月
电 机 与 控 制 学 报 Electri c Machines and Control
Vol. 18 No. 9 Sep． 2014
一种改善 PMSM 动态性能的弱磁策略
1， 2 2 1 1 周华伟 ， 陈龙 ， 刘国海 ， 蒋彦
（ 1． 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013 ； 2． 江苏大学 汽车工程研究院，江苏 镇江 212013 ）
中图分类号： TM 301. 2 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2014 ） 09－ 0023－ 07
Fluxweakening strategy for improving PMSM dynamic performance
2 ZHOU Huawei1， ， CHEN Long2 ， LIU Guohai1 ， JIANG Yan1
iq MTPA MTPV B id C O A T1 T2
( ) )
(
ψf ， 0 为圆心的椭 Ld
电流限制圆 电压限制椭圆
， 转矩动态性能也不理想。 采用 q
［12 ］
轴电流误差经 PI 获得电流超前角的弱磁策略 态性能不理想。
稳
Fig． 1
图1
PMSM 的电气约束
PMSM 矢量控制策略采用电流环控制， 在调节 器和 VSI 输出电压没有饱和时， 电流误差很小甚至 ， 为零 只有饱和时才会产生较大的误差。 因此只有 抑制调节器和逆变器饱和才能使电流跟随性能好 ， 只有电流跟随好， 才能保证电机在弱磁区的稳态性 能和动态性能。 本文针对凸极 PMSM 在弱磁区电 动工况下动态性能不好的现象， 在对其它弱磁策略
Fluxweakening control block diagram based on feedback voltage
* * Δu q = u q － u q = u q － ωL d i d － ωψ f 。
［10 － 11 ］
分析研究的基础上， 提出一种改进 PMSM 弱磁动态 性能的策略， 且将其与基于电压反馈的弱磁策略在 一台额定功率为 20kW 的凸极 PMSM 上进行了仿真 和实验对比分析。
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永磁同步电机弱磁理论
PMSM 在 dq 坐标系上的稳 忽略定子电阻压降，
［13 ］
梯度下降法
［பைடு நூலகம் ］
［3 ］
姨u d%% +u q%%
u* d
*2
*2
MTPA
* idc
i** d%%%
i* s
（ i ） 姨i + i sgn
* s
*2 s%%
*2 d%%
Δu q 为 稳态时 dq 轴电压偏差 Δu d 、
* * Δu d = u d － u d = u d + ωL q i q ，
图2 Fig． 2
基于电压反馈的弱磁控制框图
Abstract ： The dynamic performance of permanent magnet synchronous motors （ PMSM） in fluxweakening operation is not good． To solve the problem，by analyzing the affection of dqaxis current regulators to the PMSM dynamic performance ，a fluxweakening strategy for improving PMSM dynamic performance was proposed． The fluxweakening current was obtained by the interaction of qaxis current error integrator and voltage regulator． The simulation and experimental results demonstrate that the negative effect of qaxis current regulator is restrained ，the PMSM dynamic performance in fluxweakening operation is improved ，and the proposed strategy has the antiwindup and fluxweakening function． Key words： permanent magnet synchronous motors； fluxweakening control； dynamic performance ； qaxis current error integral； antiwindup