改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究.pdf

学校代号：1 0 5 3 2 学 密 号：s 1 0 0 9 2 0 1 9 级：普通 湖南大学硕士学位论文 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制 性能的方法研究 堂僮由遣厶姓名!绘夔 昱哑娃名丞驱鏊；黄室道熬攫 墙差望僮!电氢皇值星工程堂随 童一些刍鏊；一一电氢王程 迨室握窑旦期；2 q ! 三生垒旦1 5 旦 论室筌避旦期12 q ! 呈生5 旦1 2 旦 筌整委虽金圭虚； 一一吆田红挞熬援 r e s e a r c ho nt h ef i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o df o ri m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e s b y x uq i o n g b e ( w u h a ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h 0 0 1 o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h o u d a o a p r i l ，2 0 1 3 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 铭旗 日期：为多年岁月川e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：知哆年多月玉7e 1 日期：乃步年多月石71 3 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 摘要 永磁同步电机( p m s m ) 以其高功率密度、高效率、调速范围宽等优点，广 泛地应用于各种高性能的电机驱动系统中，如电动汽车、轨道车辆等领域。在这 些高性能的应用中，不仅要求较宽的弱磁调速范围，而且要求较强的弱磁性能， 较强的弱磁性能可在逆变器容量一定的情况下提高系统的性能。电机驱动系统由 于受逆变器容量的限制，高速时电机端电压达到极限时，会引起电机转矩、电流 以及转速等性能的下降。采用弱磁控制可使永磁同步电机低速恒转矩运行，高速 恒功率运行，并有效改善系统的运行性能。因此，研究永磁同步电机的弱磁控制 方法并提高系统弱磁性能有着重要意义。 本文研究的主要目的是实现永磁同步电机弱磁扩速同时，提高永磁同步电机 驱动系统弱磁运行的最大转矩输出能力，并有效改善系统的动态响应性能。为充 分利用逆变器的直流侧母线电压，本文将弱磁运行时的电压空间矢量调制 ( s v p w m ) 扩展至过调制区域，利用过调制前后输出的动态电压偏差作为反馈 量来进行弱磁控制，从而拓宽永磁同步电机的运行区域，提高逆变器容量受限情 况下的电机转矩输出能力。 首先，介绍了永磁同步电机的数学模型、运行的约束条件以及矢量控制系统。 针对提高控制系统恒功率区域弱磁性能的问题，提出运用过调制技术扩展电机运 行区域的必要性。在分析s v p w m 原理的基础上，为提高逆变器母线电压的利用 率，实现逆变器全范围的电压输出，研究了一种动态过调制方法，为弱磁控制策 略的提出奠定了理论基础。 接着，阐述了永磁同步电机弱磁控制原理，确定了电机在全速范围内最优控 制运行的定子电流矢量轨迹。分析了传统直流侧电压反馈弱磁方法的控制原理， 针对传统控制方法中逆变器直流母线电压未完全被利用的不足之处，提出了一种 基于过调制区域电压偏差反馈的弱磁控制策略。具体思路是以s v p w m 过调制前 后输出的动态电压偏差为目标函数，利用梯度下降法原理，建立电压偏差与d ，q 轴电流的数学模型对弱磁运行的d 。q 轴参考电流进行优化。控制策略具体实现是通 过用电流调节器输出的参考电压与过调制后输出的极限电压两者的动态电压差值 来修正定子电流矢量相位角，从而重新分配电机弱磁运行的d ，q 轴参考电流分量的 大小，最终实现弱磁扩速。在此基础上，结合永磁电机矢量控制系统的相关数学 模型，详细分析了电压偏差反馈弱磁控制方案在提升电机电磁转矩输出能力的同 时，不需要增加额外的电流调节器抗饱和环节，又能有效地避免电流调节器的积 分饱和，改善系统的动态响应性能。 硕士学位论文 最后，建立了控制系统的仿真模型并进行仿真分析，同时构建了电机驱动控 制系统的软硬件控制平台对控制策略进行了实验验证。仿真和实验证明，本文所 提控制方案实现了宽范围弱磁扩速，动态响应快，不依赖电机参数，对比传统的 直流侧电压反馈方法，能更有效地利用逆变器直流母线电压，电机的转矩输出能 力得到显著的提升。这对于提高电动汽车运行效率，改善系统的燃油经济性都有 着一定的实用价值。 关键词：电动汽车；永磁同步电机；弱磁控制；过调制；电压偏差反馈：空间矢 量脉宽调制； i l l 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) a r ew i d e l yu s e di nm a n ye l e c t r i c d r i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha se l e c t r i cv e h i c l e sa n dr a i l w a yv e h i c l e sd u et ot h e i rm a n y a t t r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t ya n dp a r t i c u l a r l yw i d e f l i e d - w e a k e n i n gr e g i o n f o rt h e s ea p p l i c a t i o n s ，t om e e tt h ed e m a n d so fav a r i e t yo f w o r k i n gc o n d i t i o n s ，aw i d es p e e dr a n g e o fp m s mi s r e q u i r e d ，a n da l s o t h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e mu n d e rt h ed e t e r m i n e di n v e r t e rc a p a c i t yi si m p o r t a n t d u et ot h e d r i v es y s t e mc o n s t r a i n e db yi n v e r t e rc a p a c i t y ，w h e nt h et e r m i n a lv o l t a g eo fp m s m r e a c h e st h em a x i m u mv a l u ew i t hi n c r e a s i n gm o t o rs p e e d ，t h eo u t p u tv o l t a g eo fc u r r e n t r e g u l a t o ri ss a t u r a t e d ，a n da c c o r d i n g l yt h et o r q u e ，c u r r e n ta n ds p e e dp e r f o r m a n c ew i l l b ed e t e r i o r a t e d b yu s i n gf i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o df o rp m s m ，t h ed r i v e s y s t e m sc a na c h i e v ei t sc o n s t a n tt o r q u eo u t p u ta tl o ws p e e da n di t sc o n s t a n tp o w e r o u t p u ta th i g hs p e e d t h e r e f o r e ，i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c haf i e l d w e a k e n i n g c o n t r o lm e t h o df o rp m s mt oe x p e n dt h er a n g eo ff l i e d w e a k e n i n go p e r a t i o na n d i m p r o v ei t sc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h em a i np u r p o s eo ft h i s s t u d yi s t oi n c r e a s ei t sm a x i m u mt o r q u e o u t p u t c a p a b i l i t ya tf i e l d w e a k e n i n go p e r a t i o nr e g i o n ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed y n a m i c r e s p o n s ep e r f o r m a n c ew h i l ee x p e n d i n gt h eo p e r a t i n gr a n g eo ft h ed r i v es y s t e m i n o r d e rt of u l l yu t i l i z et h ed c l i n kv o l t a g eo fi n v e r t e r ，t h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) f o ri n v e r t e rw i l lb ee x t e n d e dt on o n l i n e a rm o d u l a t i o nr e g i o n w h i l et h ep m s mi so p e r a t i n gi nt h ef i e l d - w e a k e n i n gr e g i o ni n t h i sp a p e r a n dt h e d y n a m i cv o l t a g ed i f f e r e n c eo u t p u tb yb e f o r ea n da f t e ro v e r m o d u l a t i o ni s u s e dt o c o n s t r u c tav o l t a g ef e e d b a c kl o o pf o rf l u x w e a k e n i n gc o n t r o lt oe x t e n dt h es p e e d o p e r a t i o no ft h ep m s m ，a n di m p r o v et h et o r q u eo u t p u tc a p a c i t yu n d e rt h el i m i t e d i n v e r t e rc a p a c i t y a tf i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h eo p e r a t i o nr e s t r i c t i o n so fp m s ma n dv e c t o r c o n t r o ls y s t e mi sd e s c r i b e di nt h ep a p e r f o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l s y s t e mi nc o n s t a n tp o w e rr e g i o n ，o v e r m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sc o n s i d e r e dt oe x t e n d t h eo p e r a t i n gr e g i o no ft h ep m s m b a s e do na n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fs v p w m ，i n o r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h ed c l i n kv o l t a g eo ft h ei n v e r t e ra n da c h i e v et h e f u l l - r a n g eo u t p u t v o l t a g e f o rt h ei n v e r t e r ，d y n a m i co v e r m o d u l a t i o nm e t h o di s p r o p o s e df o rw e a k e n i n gc o n t r o ls t r a t e g y s e c o n d l y ，t h ep r i n c i p l eo ff i e l dw e a k e n i n gc o n t r o lf o rp m s mi sd e s c r i b e di nt h i s 1 v 硕士学位论文 p a p e r ，a n dt h eo p t i m a lc u r r e n t v e c t o rc o n t r o lt r a j e c t o r ya tf u l ls p e e d r a n g ef o r p r o d u c i n gm a x i m u mt o r q u eu n d e ro p e r a t i o nc o n s t r a i n t s i sd e t e r m i n e d t h e n ，t h e t r a d i t i o n a lf i e l dw e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do nd c - l i n kv o l t a g ef e e d b a c ki s d e t a i l e d l ya n a l y z e d ，i nw h i c ht h ed c l i n kv o l t a g ei s n o t f u l l yu t i l i z e d f o rt h i s d i s a d v a n t a g e ，af i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do nv o l t a g ed i f f e r e n c ef e e d b a c k a to v e r m o d u l a t i o nr e g i o nf o rp m s m b yt a k i n gt h ev o l t a g ee r r o rs e p a r a t e l yo u t p u tb y b e f o r ea n da f t e ro v e r m o d u l a t i o na so b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u t t h ev o l t a g ed i f f e r e n c ea n dt h ed a n d - q - a x i sc u r r e n ti se s t a b l i s h e dt oo p t i m i z et h e d - a n d - q - - a x i s c u r r e n ti n f i e l d w e a k e n i n go p e r a t i n gr e g i o nu s i n gg r a d i e n t d e s c e n t o p t i m i z a t i o np r i n c i p l e c o n c r e t e l y ，t h ev o l t a g e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e f e r e n c e v o l t a g eu p d a t e db y c u r r e n t r e g u l a t o r a n dt h es a t u r a t e d v o l t a g eo u t p u tb y o v e r m o d u l a t i o ni su s e df o rf i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o l ，w h i c hm o d i f i e st h es t a t o rc u r r e n t p h a s ea n g l e a n dt h u st h ed a n d q - a x i sr e f e r e n c ec u r r e n tc o m p o n e n t sa r er e d i s t r i b u t e d a n df i n a l l yt h es p e e do p e r a t i o nr a n g eo fp m s mi se x t e n d e d b yu s i n gt h ep r o p o s e d m e t h o dn o to n l yt o r q u eo u t p u tc a p a b i l i t yi se n h a n c e d ，b u ta l s ot h ep r o b l e mo fi n t e g r a l s a t u r a t i o ni nc u r r e n tr e g u l a t o rc a u s e db yf i e l d w e a k e n i n go p e r a t i n ga th i g hs p e e df o r p m s mc a nb ee f f e c t i v e l ys o l v e d ，a n dt h u sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m c a nb ea c h i e v e d a tl a s t ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e np e r f o r m e db yb u i l d i n gt h es y s t e m s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a t l a b 7 5 a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o n t r o lp l a t f o r mf o rt h ew h o l eh i g hs p e e dd r i v es y s t e mh a sb e e nf u l l yi m p l e m e n t e d w i t ht h i sm e t h o d ，h i g h t i m es p e e df i e l d - w e a k e n i n go p e r a t i o ni sr e a l i z e d ，a n dt h eg o o d p a r a m e t e rr o b u s t n e s s a n df a s t r e s p o n s e a r ea l s og u a r a n t e e d m o r e o v e r ，s i n c et h e p r o p o s e dm e t h o du t i l i z e st h ed c - l i n kv o l t a g em o r ee f f i c i e n t l y , i tm a k e st h em o t o r g e n e r a t eh i g h e r o u t p u t t o r q u e i n f i e l d w e a k e n i n go p e r a t i o nr e g i o n t h a nt h e c o n v e n t i o n a lf i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o du n d e rt h es a m ev o l t a g ea n dc u r r e n t l i m i t a t i o n t h er e s e a r c hh a sv e r yi m p o r t a n t a p p l i c a t i o n v a l u ef o re n h a n c i n gt h e o p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dt h ef u e le c o n o m yo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ；p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ； f i e l d w e a k e n i n gc o n t r o l ；o v e r m o d u l a t i o n ；v o l t a g ed i f f e r e n c ef e e d b a c k ； s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ； v 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 目录v i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 永磁同步电机弱磁控制的研究现状2 1 3 本文的主要研究内容及结构安排7 第2 章永磁同步电机矢量控制与过调制方法9 2 1 永磁同步电机的矢量控制理论9 2 1 1 永磁同步电机的数学模型9 2 1 2 永磁同步电机运行的约束条件1 l 2 1 3 永磁同步电机矢量控制系统一1 3 2 2 电压空间矢量调制理论及过调制策略1 5 2 2 1 电压空间矢量原理1 6 2 2 2 动态过调制策略1 9 2 2 3 仿真分析2 2 2 3 本章小结2 6 第3 章永磁同步电机弱磁控制策略及其控制性能分析2 7 3 1 永磁同步电机弱磁控制原理一2 7 3 2 直流侧电压反馈的p m s m 弱磁控制2 8 3 3 基于过调制区域电压偏差反馈的p m s m 弱磁控制。3 0 3 3 1 恒转矩区域m t p a 运行3 l 3 3 2 弱磁运行3 2 3 4 弱磁控制性能分析3 4 3 5 仿真结果及分析3 9 3 6 本章小结4 5 第4 章控制系统软件设计与实验验证4 6 4 1 控制系统软件设计4 6 4 1 1 主程序设计4 6 4 1 2 中断程序设计4 7 v i 硕士学位论文 4 2 实验验证4 8 4 2 1 实验平台4 8 4 2 2 实验结果及分析4 9 4 3 本章小结51 结论与展望5 3 参考文献5 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 0 附录b 攻读学位期间所参与的实验项目6 l 致 射6 2 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着世界能源危机的愈演愈烈和环保问题的日益突出，汽车工业不断面临着 严峻的挑战。据统计，全世界约有4 0 的石油资源为汽油所利用和消耗，中国作 为一个资源消耗的大国，其汽车市场是全球增长速度最快、规模最大的，汽车年 产销上达千万辆，特别是近几年来，随着国民经济快速发展和人民生活水平的不 断提高，中国汽车保有量急剧增加。石油、天然气燃料是汽车能源的主要来源， 能源的大量消耗一方面会使得石油资源存储量的逐渐减少，另一方面燃料燃烧所 产生的大量废气也造成环境的日益恶化，人类所面临的能源短缺和环境污染等问 题，逐渐显示出对汽车工业发展的制约作用。因此，针对这些问题，开发低污染、 节能的新能源汽车己成为现代汽车工业发展的当务之急 1 ，2 】。 电动汽车具有降低能源消耗、减少尾气排放等节能环保的明显优势，是解决 汽车工业能源与环保两大难题的必经之路。从环境方面考虑，城市交通中使用电 动汽车可实现极低排放或零排放，能显著减少全球的空气污染。从能量观点来看， 电动汽车所利用的是一种对环境友好的、来源广泛且非常可靠的能源。因此，电 动汽车具有广阔的应用前景和巨大的发展空间 3 , 4 1 。目前，低排放、低油耗、低碳 的电动汽车的研发已成为世界各国政府政策推进、投资的热点。我国政府己把环 境保护作为中持续发展战略的首要内容，这将大大推进我国电动汽车的推广和应 用 5 】。 电动汽车的动力驱动系统由电池、电机驱动系统和传动系统等主要部件组成。 电机驱动系统作为电动汽车的驱动源和原动机，是电动汽车研制的关键技术之一， 其性能的优劣直接决定了整车的动力性能 6 】。电动汽车的电机驱动按驱动方式可 分为直流电机驱动和交流电机驱动。直流电机虽然易于控制，但是其具有采用机 械换向结构、维护困难以及对无线电的干扰等致命弱点，这些都很大程度阻碍了 未来高智能化的电动汽车的发展。而且，由于其驱动系统制造成本较高、体积较 大、速度范围受限、能量密度低等因素，直流电机驱动系统在电动汽车中的应用 进一步受到限制。随着大规模的集成电路、现代电力电子技术以及计算机系统的 发展，同时伴随着新材料的兴起和现代控制理论多领域的应用，对比直流电机驱 动系统，交流电机驱动系统逐渐显示它的优越性，如高效率、高功率密度、驱动 力大、工作可靠性高以及无需维护等，这些特点使得交流电机驱动系统在电动汽 车中的应用变得越来越广泛 7 。 根据驱动车辆自身特点以及车辆驱动运行的特殊工况环境，要求驱动电机有 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 如下技术性能 8 】：( 1 ) 体积小、重量轻，高功率密度和高转矩密度；( 2 ) 宽范围扩速 运行时，电机驱动系统具有较高效率：( 3 ) 为提高驱动车辆起动、加速等性能，需 具备良好的驱动控制性能和过载能力。永磁同步电机具有较高的功率和转矩密度、 调速范围宽、机械强度高等特点，能够通过合理的设计永磁体的磁路结构获得较 好的弱磁控制性能。因此，永磁同步电机在电动汽车的驱动系统中获得广泛应用， 近几年来，在国内外的电动汽车界受到高度重视【9 ，1 0 。 电动汽车电机驱动系统不仅要求较宽的弱磁调速范围，而且要求较强的弱磁 性能。在逆变器的容量一定情况下，较强的弱磁运行性能能保证电动汽车控制系 统性能，如在低速运行时能输出最大转矩，以满足车辆快速起动、加载加速以及 爬坡等方面的性能要求，在高速运行时实现宽范围的弱磁扩速，保持恒功率调速 运行，以适应车辆高速行驶以及超车等方面的性能要求；或者说在保持高性能系 统运行前提下，降低电机驱动系统容量和最大功率【t - 】。 电机驱动系统由于受逆变器容量的限制，高速时其端电压达到最大值后引起 电流调节器的输出电压饱和，会造成转矩、电流以及转速性能等变差。采用弱磁 控制可使永磁电机低速恒转矩运行，高速恒功率运行，获得宽范围扩速运行，并 能有效改善系统性能。因此，为满足电动汽车电机驱动系统的这些要求，研究永 磁同步电动机的弱磁控制方法并提高控制系统弱磁性能有着十分重要的意义。 1 2 永磁同步电机弱磁控制的研究现状 永磁同步电机因其体积小、重量轻、高功率密度、高运行效率以及调速范围 宽等显著优点，越来越多地应用于电动汽车、轨道车辆的电机驱动系统中。在永 磁同步电机调速控制系统中，随着电机转速升高，电机反电动势增加，电机端电 压不断上升，当电机端电压达到逆变器提供的极限电压值时，转速无法继续升高， 此时只有采用弱磁控制来维持高转速下的电压平衡。由于永磁电机的转子磁场是 由具有高磁能积的永磁材料所产生，与转子采用电励磁的电机相比，转子磁场无 法直接削弱。通常，需要调节定子电流的幅值与相角，本质上是增加电机的直轴 电流分量，来反向抵消永磁体产生的磁场，从而削弱电机的气隙磁场来实现等效 减弱励磁磁场，从而达到弱磁控制的目的【2 】。综合相关的研究情况，永磁同步电 机弱磁性能的改善主要有两种途径 ”】：一种是对电机结构进行优化设计；另一种 是从控制手段上研究宽范围调速的弱磁控制策略。 在这些高性能的电机驱动系统中，从控制策略上提高驱动系统的弱磁性能， 最为关键的问题是如何实现弱磁区域d ，q 轴定子电流的协调分配，以充分发挥电 机运行约束条件下的最大转矩输出能力。根据获得去磁电流的方式，弱磁控制算 法主要可以分为五类 1 4 4 9 ：基于精确电机数学模型的解析计算方法，附加控制闭 环的优化方法，混合弱磁控制方法，基于单电流调节器结构的控制方法，以及基 硕士学位论文 于非线性控制理论的方法。 ( 1 ) 基于精确电机数学模型的解析计算方法 基于精确电机数学模型的解析计算方法是根据电压、电流约束方程以及电机 数学模型，以转矩最大化或效率最大化等弱磁性能为目标，通过解析计算或者实 验估计方法来获得电流分配指令。在文献 1 4 【1 5 中，通过弱磁区域转速与电流 函数关系计算获得直轴去磁电流，根据电机转矩指令或者直轴电流计算获得交轴 电流指令，实现转矩最大化弱磁控制。文献1 6 j 考虑了定子电阻压降，根据定子 运行最优轨迹，对电机模型方程组用最小平方误差逼近方法求解出交直轴电流指 令的线性解，能够获得快速的瞬态响应。文献 1 7 考虑了弱磁区域电机磁场饱和 影响，通过实验获得磁场饱和时交直轴电抗与电流的变化关系式，依据修正后的 电机参数以及电机方程计算出弱磁时交直轴电流指令。为了简化实现，文献 1 8 2 0 1 预先做大量的实验测试来编制表格，通过在线查表获得电流参考值，其控制精度 受到限制且需要考虑不同的电机，因此通用性不强。 图1 1 典型前馈弱磁控制简化结构 这种基于精确电机数学模型的解析方法一般是基于前馈弱磁控制方式，如图 1 1 所示，系统具有良好的稳定性和暂态响应能力，但由于弱磁参考电流是依据电 机数学模型以及电压电流的限制条件通过公式计算所得，因而这种方法的控制性 能对电机参数的敏感度较高。高速弱磁时，由于电机参数会随温度变化、电机机 械特性变化以及电机的磁场饱和效应等，控制系统的性能都会受到相应的影响， 在恶劣的情况下控制系统的性能也可能急剧恶化。为使弱磁控制更为精确，进一 步提高弱磁控制性能，准确的识别电机物理参数是非常重要的，近几年来，一些 学者在永磁电机参数的在线辨识方面进行了研究 2 - 2 3 】。 ( 2 ) 附加控制闭环的优化方法 附加控制闭环的优化方法是一类实际中比较常用的方法【2 4 ，通过构造电压或 电流控制闭环，对弱磁区域的电流指令进行在线优化，以更有效地利用逆变器直 流侧母线电压、充分发挥转矩输出能力。附加控制闭环的优化方法通常是基于反 馈的弱磁控制方法，在这类方法中，弱磁区域的去磁电流可根据电流偏差或电压 偏差等输出的反馈量，通过p i 调节器进行不断修正，如图1 2 所示为典型的附加控 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 制闭环弱磁简化结构框图。 图1 2 附加控制闭环弱磁简化结构 附加闭环的反馈控制方法最大优势在于对电机参数没有依赖性，具有很好鲁 棒性，响应无稳态误差。电流偏差反馈弱磁控制是通过参考电流与实际检测电流 两者的差值输出来构成电流控制闭环，产生去磁电流实现弱磁控制1 2 5 , 2 6 1 ，这种控 制方式主要以避免电流调节器饱和为目的，能有效地改善系统弱磁控制的动态响 应性能，但不能保证电机的转矩输出能力。而电压偏差反馈的方法对比电流偏差 反馈控制能够更直接更有效的利用逆变器直流侧母线电压，保证电机的转矩输出 能力，具有更高的效率，因而应用更为广泛。实现直流母线电压最大利用意味着 对电机驱动系统容量的最大利用，也就是说提高了电机驱动系统的功率密度。而 在混合动力汽车或电动汽车等的应用场合，电机的尺寸和重量都有严格限制的， 提高整个系统的功率密度意味着改善系统的燃油经济性。因此，电压偏差反馈的 控制方式在实际中具有广泛的应用价值，国内外学者对此控制策略以及弱磁性能 进行了大量的研究 2 7 - 3 4 】。 文献2 7 3 0 用给定直流母线电压与实际端电压的电压差值通过p i 调节器输出 电机反馈控制量，当转速超过额定转速时，电机端电压达到饱和，端电压超过实 际电压，输出反馈信号，产生去磁电流对弱磁区域电流进行重新分配。这些控制 方法在反馈输出物理量上略有不同，都能保证恒转矩运行区域和弱磁区域的转矩、 电流等控制量平滑切换，但这些基于直流母线电压幅值反馈的方法中逆变器的直 流母线电压并没有得到完全利用，这是因为在高速弱磁运行时，逆变器经电压空 间矢量调制的非线性区域的部分电压没有很好的利用，最大转矩输出能力并未充 分发挥。为了最大程度的利用直流母线电压，提高弱磁区域电机转矩输出能力， 学者们提出采用过调制技术来扩展永磁同步电机运行区域。文献【3 1 3 2 1 提出基于 零电压矢量的控制算法，利用每个s v p w m 周期内插入的电压零矢量作用时间长 度来判断是否进入弱磁区域，当进入弱磁控制区域后采用过调制控制算法，通过 查表来确定电压的调制比，这种方法简单易行，调速过程线性调制与过调制两种 模式之间的切换过渡平滑。文献 3 3 3 4 1 提出六拍运行过调制算法，通过将空间矢 量调制分区，并经过数学方法优化计算电压矢量在不同区域作用时间，实现线性 硕士学位论文 区域到六阶梯模式的平滑过渡，系统进入六阶梯模式时能够实现直流母线的最大 化利用。 在上述引入过调制技术的方法中能够实现直流母线电压最大化利用，但存在 着两个问题，其一是由于只考虑了过调制算法，而并没有将弱磁控制与过调制技 术有效结合起来，当运行于过调制区域，特别是电机运行于六拍运行模式时，电 流中会有大量谐波存在，逆变器直流母线电容器中的谐波电流也会增加，这些过 多的谐波可能会导致电机发热，并缩短逆变器直流母线电容器的寿命。另外一个 问题是由于进入过调制区域运行时，会使得电流调节器输出电压饱和，电压的调 节裕量变小，当速度或负载突变等时，电流调节器的积分环节积累到一定程度， 可能会严重影响系统动态性能。因此，这类方案虽然保证了电机的最大转矩输出 能力，但系统动态性能会受到不良影响，而在现有的控制策略中，还无法将这两 个问题同时解决，本文正是基于此对永磁同步电机的弱磁控制展开研究，使电机 弱磁运行时同时获得良好的稳态和暂态响应性能。 ( 3 ) 混合弱磁控制方法 混合弱磁控制方式是一种将前馈控制与反馈控制两种的优点相结合起来的方 法。直轴电流指令由最大转矩电流比控制( m a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o l ， m t p a c ) 计算得到，弱磁运行时电流随着优化目标进行修正，交轴电流指令由转 矩给定或者直轴电流确定。文献 3 5 3 6 分为前馈控制和反馈控制两个部分，前馈 通道由电机转矩、电流以及磁链的查找表格组成，通过查表法获得恒转矩区域最 大磁链控制下的磁链，反馈通道通过构成电压闭环输出磁链信号来修正前馈通道 所产生的磁链，最终根据修正的磁链以及转矩给定通过二维查找表来产生弱磁运 行交直轴电流。混合弱磁控制方式一般是采用前馈查表的方法来获得恒转矩区域 的励磁电流指令，然后通过反馈闭环控制方法来调整电流指令进行弱磁控制。这 种方式对参数具有较强的鲁棒性，然而采用前馈查表法必须进行大量的实验采集 实验数据，对数据表的精度要求比较高，且由于既有前馈又有反馈反而增加了系 统复杂性。 ( 4 ) 基于单电流调节器结构的控制方法 美国俄州大学的徐隆亚等学者在2 0 0 7 年提出的另一种较有新意的弱磁控制方 案【3 7 4 1 ：基于单电流调节器结构的弱磁控制方案。在常用的矢量控制系统中， 一般采用两个p i 电流调节器来分别控制d ，q 轴定子电流，在电机高速运行并进入 深度弱磁区域时，由于电机电压受到限制，且d ，q 轴电流交叉耦合严重，d ，q 轴 电流调节器输出电压会饱和并相互影响，此时实际电流不能很好跟踪参考电流运 行。为克服这个问题，文献【3 7 提出基于单电流调节器( s c r ：s i n g l ec u r r e n t r e g u l a t o r ) 的控制方案，移除电流环中的q 轴电流控制器，保留d 轴的电流调节器， 简化的单电流调节器控制结构如图1 3 所示。这种控制方案很大的提高了电机的弱 改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究 磁深度，其扩速范围可达八倍基速以上。采用单电流调节器能解决弱磁运行时两 个p i 电流调节器在电压饱和情况下发生相互冲突的问题，但是弱磁区域电压最大 化的输出必须依赖u s q * 工作点的确定，然而现有的u s q * 优化控制方法都比较复杂且 取决于不同的被控电机。除此之外，单电流调节器控制结构只适用于弱磁运行时 的电流控制，而电机处于恒转矩区域运行时仍然要采用常用的双p i 电流调节器的 控制系统，因此，如何实现这两者间的平滑过渡也是此方案进一步需要研究的问 题。 图1 3 单电流调节器控制简化结构 ( 5 ) 基于非线性控制理论的弱磁控制方法 基于非线性控制理论的弱磁控制方法不同于上述的几种方法，它不是采用传 统的流水线顺序执行结构，而是利用现代控制理论，用非