异步电机弱磁区转矩最大化策略

异步电机弱磁区转矩最大化策略杨阳;王庆年;龚依民;田恬【摘要】When an induction motor operates in the field weakening ranges , the output torque reduces while the speed increases .How to get the maximum torque becomes the main target .Based on the control schemeof rotor-flux-oriented, the proposed method fully exploited the machine and converter capabilities without the use of d-axis currentcontroller .Maximum torque production in a higher speed range of field weakening was achieved by stabilizing the operating point at the pullout point through the q -axis compo-nent of the current applied across the stator .Operation at the voltage limited to dynamic changes , a tem-porary voltage margin was therefore created in a dynamic condition by deviating the trajectory of stator voltage vector which improved the transient response of the system .Iron losses, which are traditionally ig-nored in the vector control scheme , increased rapidly in the high speed ranges and affected the magnitude of rotor flux and output torque .The compensation of iron losses is necessary to ensure the torque maxi-mized.Simulation and experiments results prove that the proposed scheme provides good performance on the steady-state and transient ,and get the torque maximized in the field weakening ranges .%异步电机工作在弱磁区时,转矩随着转速的升高急剧下降,在转子磁场定向系统中,充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制,无需d轴电流控制器,通过调节q轴分量,稳定高速失步状态,实现弱磁区转矩最大化.异步电机在电压极限状态遇到干扰时,通过旋转定子电压矢量产生动态电压边缘,提高系统的瞬态响应.当异步电机运行在弱磁区,铁损增大,影响电机的磁链水平和转矩输出,引入铁损补偿机制,确保弱磁区的转矩最大化.仿真和实验证明,该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化,且具有很强的鲁棒性.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2017(021)012【总页数】9页(P51-59)【关键词】异步电机;弱磁;转矩最大化;瞬态响应;铁损【作者】杨阳;王庆年;龚依民;田恬【作者单位】吉林大学汽车工程学院,吉林长春130021;吉林大学汽车工程学院,吉林长春130021;吉林大学物理学院,吉林长春130012;吉林大学物理学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TM343异步电机因其结构、控制简单及其鲁棒性，使其在电机驱动系统中占据重要的地位。

异步电机一个非常重要的应用是在高速区。

转速的升高引起反电动势的增长，考虑到逆变器的电压容限，为使异步电机平稳高效地工作在高转速区，需要适当削弱电机磁链水平。

如果磁链太小，电机无法获得最大转矩；如果磁链太大，控制系统会失去控制。

为了保持控制系统的性能，电机磁链轨迹需要紧随电机运行状况，做出迅速响应。

弱磁操作包括两步，一是选择能获得最大转矩的最优磁链；二是获得能产生最优磁链和最大转矩的电流。

通常使用的方法中，励磁控制不能充分利用逆变器的功率，这将导致输出转矩和输出功率下降约65%[1]。

目前常用的异步电机弱磁区控制策略，大致分为三类：1)1/ωr弱磁法。

调节电机转子磁链φr与转子的转速ωr成反比，获得的磁链参考值偏大，减小了用于生产转矩的分量，导致电机转矩输出能力下降[2-3]。

文献[2]中磁链的获得是通过1/ωr法，文献[3]考虑了电机和逆变器的最大电压、电流限制。

但这两篇文献都只考虑了稳态情况，同时假定直流母线电压和电机电感是常数。

2)基于简单的电机公式或考虑不同饱和度的电机模型的励磁反馈调节。

该方法对参数的依赖性太强，而电机的参数是时变的，影响因素多，故不适用于电机的整体控制。

3)充分利用逆变器最大电压的定子电压闭环控制。

文献[4]提出的方法降低了电机参数的敏感性，使用PI环调节定子电流励磁分量参考值考虑电机和逆变器的最大电压限制，比较定子电压瞬时值Vs=与逆变器的最大电压Vsmax。

当Vs>Vsmax 时，减小当Vs<Vsmax时相应增大，只在特定的点上，才能产生电机运行所需要的励磁电流，可能引起系统抖动。

传统的异步电机矢量控制，忽略了电机铁损的影响，简化了电机数学模型。

但铁损的影响不容忽视，尤其是在高转速和低功率区，铁损电流随着转速的升高而升高，影响电机的磁链水平和转矩输出。

研究发现，不加铁损补偿的模型中，电机输出功率下降约25%，磁链和转矩误差将达到5%～10%[5]。

本文在转子磁场定向系统中，充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制，无需d轴电流控制器，通过控制定子电流转矩分量实现稳态工作时转矩最大化。

当电机工作在最大电压的动态需求时，旋转定子电压矢量，产生瞬态电压边缘，确保驱动系统迅速响应。

同时考虑铁损对电机运行全区域的影响，尤其是弱磁区，引入铁损补偿机制，提高电机的工作效率。

1.1 异步电机电流约束通过异步电机的最大电流Ismax由电机自身和逆变器的温度限制决定。

若限制取决于异步电机，则最大电流的幅值取决于电机对铜损和铁损的散热能力；若限制取决于逆变器，则最大电流的幅值取决于功率器件的散热条件和开关损耗。

在d-q同步旋转坐标系下，通过异步电机的电流约束可表示为为实现一个驱动系统良好的过载能力和动态性能，最大定子电流通常设置的比额定电流大，文中设置为2倍。

过份的励磁控制会干涉电机的最佳工作点。

因此，在过载时，限制定子电流的转矩分量Isq，确保励磁分量Isd不受影响，即Isq始终满足Isq≤，如图1所示。

通过降低Isq以保证定子电流不超过逆变器的承载能力，如此，既能使电机工作在最佳磁链水平，又能实现转矩最大化。

1.2 异步电机电压约束异步电机相电压最大值Vsmax取决于脉宽调制策略和直流母线电压Udc。

在SVPWM调制模式下，只考虑线性工作区，逆变器能输出的最大不失真圆形旋转电压矢量轨迹是6个基矢量组成的正六边形的内切圆，即Vslim=Udc/(如图2(a)所示)。

当参考电压矢量超出内切圆半径时，逆变器进入过调制状态，输出电压波形将产生畸变[6]。

在控制系统中，需要考虑到逆变器的死区效应及控制电压调节电流需要一定的余量,故最大相电压可表示为Vsmax=·k，其中k一般为0.9～0.97,本文中k为0.95。

在d-q同步旋转坐标系下，逆变器输出电压约束可表示为稳态时，异步电机电压方程可表示为式中：Lσs为定子瞬态电感，可表示为其中，σ为漏感系数。

将式(3)代入式(2)中，可将电压限制表示为当电机运行超出线性调制区，需要做出相应的限制，方式的选择取决于对最大电压的获得和最小电流失真的权衡。

优先保证影响电机磁链水平的Vsd不受限制，即Vsq始终满足Vsq≤(如图2(b)所示)，降低Vsq使逆变器工作在线性区，从而使电机工作状态最优化。

1.3 异步电机运行区域划分在d-q坐标系下表示电机在全运行区域内的电压、电流、转矩关系，如图3所示。

首先讨论Rs的影响。

在式(4)中，若假定Rs=0，则电压椭圆简化为以原点为中心，且关于d、q轴都对称。

由于Rs的存在，实际的电压椭圆逆时针倾斜一个小角度δ，计算可得该倾斜角通常情况下，对于绝大多数异步电机，这个角度δ非常小，在一些直接控制电流的算法中，实际电流值与忽略Rs所计算得到的电流值相差不超过2%[4]。

且随着转速的升高，δ越来越小，实际电压椭圆也越来越接近忽略Rs时所预估的电压椭圆，故在高速区可以忽略定子电阻的影响。

在特定的速度，转矩最大化的工作点由所处的电压和电流限制交叠区域决定。

由此可将电机工作点分为三个区域：1)基速区。

在该区域内，电机运行只受电流极限圆的限制，励磁保持常值，且为其额定值。

电机的最大转矩输出取决于电流限制和额定励磁水平。

2)弱磁一区。

电压限制椭圆逐渐向原点收缩，电机运行同时受到最大电压和电流的限制，励磁由电压和电流极限共同决定，且小于其额定值。

3)弱磁二区。

电压限制椭圆收缩到电流极限圆内部，电机运行只受电压限制。

在该区，励磁水平太低将导致异步电机输出转矩是失步转矩，电流随之减小，同时视在功率减小。

2.1 弱磁一区控制策略为在弱磁一区建立合适的工作点，当电机工作在极限条件时优先保证d轴的电流和电压。

因此d轴电流环是不必要的，因为d轴电流、电压时时刻刻跟随着目标值，不受任何限制，控制架构如图4所示。

定子电压Vsd通过转子磁链控制器获得，Vsq通过q轴电流控制器获得，定子电压的限制通过限制Vsq实现。

转子磁链的目标值通过电压环控制器获得。

当电机工作在基速区，Vs<Vsmax，电压环控制器会使增大，但是磁链水平不宜过高，需低于其额定值φrR；当电机工作在弱磁区，Vs>Vsmax，电压环控制器会使减小，电机的励磁水平随之降低。

该控制器会工作在整个弱磁区，确保逆变器工作在最大电压状态。

转速控制器的输出是定子电流q轴分量额定值输出根据d轴电流做出限制用于保证d轴的优先性。

系统没有d轴电流控制器，故可将测量的d轴电流值用于计算。

2.2 弱磁二区控制策略在弱磁区，速度升高，励磁水平随之下降，失步转矩也不断减小(如图5)。