永磁同步电机MTPA弱磁控制方法研究.docx

第12卷第1期装备制造v0112 no12012f93月equipment manufa(luremarch 2012永磁同步电机mtpa弱磁控制方法研究the research on the mtpaweak magnetic controlof the permanent magnet synchronous motor孙旭霞岳经凯(西安理工大学陕西西安710048)摘要：针对永磁同步电机在升速阶段电流过大和高速阶段稳定性差的问题，在分析永磁同步电机弱磁原理 的基础上，选用mtpa(最大转矩)弱磁控制策略，通过转矩控制达到减少升速时间的目标；利用修正电流值 来控制弱磁从而实现增大调速范围。实验在pscad上建立仿真模型，通过对比永磁同步电机在不同运行阶 段参数。结果验证了此方法的可行性和正确性。关键词：永磁同步电机；pscad；弱磁；mtpa；磁链o引言1永磁电机模型及控制原理永磁同步电动机具有工作可靠、可控性好、效在理想条件下永磁同步电机d、q轴的稳态数 率高、功率因数高等一系列优点，在工业中获得了学模型的电压方程141为：广泛的应用。但电动机定子电流直轴分量所形成的驴砒一-(1)去磁磁动势作用会导致永磁体性能变坏，成为人们i“f(c，(砂一l也)一十分关注的问题：此外随着电机转速的升高j由于式中：d、分别为定子电压矢量的d、q轴分 供电电压的限制，也会影响电机的电磁转矩的性量；如、分别为定子电流矢量的d、q轴分量；妣为永 能，影响电机高速运行的范围及稳定性。因此，需要磁磁链；to为转子电角频率江。、厶分别为d,q轴电 对电机进行弱磁控制，由于永磁同步电机的转子励感。 磁磁场是由永磁体产生的不可能像异步电机一样电磁转矩方程【2i为：直接减弱转子磁场。所以，只能利用直轴电流，减弱皓害p眇彳。+(dq)“q】(2)电动机的气隙磁场，以达到弱磁控制的效果。这便是永磁电机弱磁控制的基本思想11-31。式中：瓦为电磁转矩；幽、轧分别为定子磁链的 常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法和d、q轴分量；p为极对数。梯度下降法161等。公式计算法完全依赖于电机数学由于受逆变器产生的最大电压及电机本身的模型，只具有理论意义，很少在实际工程中应用；限制。若想将转速拓展到额定值以上是不可能的。 查表法需要大量的实验数据，并且一张表只能为此，必须减小定子磁链，即弱磁，才能进一步提高 对一种电机控制；梯度下降法计算量大，实现较复 转速。由于弱磁控制工作高速范围，为了简单起见。 杂。本文采用修正电流值控制弱磁的方法，这种方忽略定子电阻rs电压压降。这样电机弱磁稳态运法利用交、直轴电流和电压来修正电流，控制算法行时定子电压峰值为： 简单，响应速度快，鲁棒性好。lu,l=w。i妒；i=w，、盼l002+(毒j2(3)文章采用pscad进行系统仿真。仿真结果表在确定直流母线电压的情况下。逆变器所能输 明，所设计的弱磁控制系统调速稳定，速度相应快。出的最大定子电压以。也是确定不变的；而且由于119第12卷第1期装备制造v0112 no12012年3月equipment manufacturemarch 2012电机工作是发热等原因，在一定的温升允许情况iq下定子绕组允许流过的最大电流k也是不变的。最大转矩曲线压l|也会受到如下条件限制阁：一豸这样电机在弱磁工作区工作是定子电流毛和端电训，皿；lu,i巩。(4)最大输出曲线曼。”d 、。三磊孟夏?、，忆上式中。，毗为定子电流允许的最大值；玑。为 ；、。叶0一e o j 定子端电压允许最大值。从上式可以看出，电流限 制为一个圆形：-一，。电压限制环 电流限审懈if舳2_哦2(5)图1定子电流矢量运行轨迹只要控制定子电流在此圆的范围内，即满足最大定子电流限制要求，即定子电压限制为一个椭iq=i。sino(7) 圆：通过对(2)式偏导：糌学+硭涛旬(u小上d)2。(。上q)2、鲁=15p砷ir仁“o(冉io_0(8)从上式可以看出，由于u的限制，电机不可可得电流矢量的电流运行控制方程： 能无限升速，当电机角速度达到山，即m，t砂产以。注赤一v4$圳r2。+i、2(9)时如果要求继续升速就只能靠减弱气隙磁场来实现，这就是所谓的弱磁调速。对于永磁同步电机， 21弱磁区：当电机速度大于基速时，受到电压和 永磁体产生的磁场是固定的，无法调节，只有通过 电流极限环的限制，电机进入弱磁运行区域，如图l 调节定子电流来削弱磁场，才能维持高速运行时电 中ab段所示。压方程的平衡。电机运行于某一转速蛾时，由式可得弱磁运行 是矢量控制方程：2永磁同步电机控制策略江等+、(鲁)2-(告)2(1 o)当永磁同步电机永磁体产生的磁链和直交轴电感。、l确定后，电机的电磁转矩疋便取决于定净2-id2(11) 子电流矢量乇，而i。的大小的相位取决于i。和。因通过构造拉格朗日函数求偏导可以得出最大活等+业学此只要控制如和i。便可以控制电机的转矩。一定的输出功率运行时的电流矢量控制方程：转速和转矩对应于一定的i。和i。分别比较电机的电流实际值妇和与给定值，实现其转速和转矩控c劲 制。并且，i。和独立控制，便于实现各种先进控制策略。、(訾一)一犯洲d2为了能够获得最大转矩，需要控制电机的定子净上盟1一(1 3)电流。通过分析，电机会运行在3个区段(51，如图l3)弱磁区域2：电机作最大转矩弱磁运行时的 所示。电流矢量轨迹如图1中bc段所示。由(1 2)、(13)式可 11恒转矩区：这种情况发生在电机运行在基速求出电机达到最大输出功率点b时的转速ton，从而以下。此时输出的转矩的上限是一定的，为额定转可求出此时的转矩死。矩转矩矢量的控制策略一般采用mt队一最大转 矩电流控制如图1中oa段。日为定子电流矢量与3系统仿真及分析 d轴的夹角则有：图2为弱磁控制永磁同步电机的系统框图。id=i。eoso120犯12巷苹i期装备制造vdl2 nol竺至：型罢!：型些：兰竺日2#l目系统采用pscad进行仿真实验所选用的电 机如表l所列。表1自n参散。自m参数值一自m月譬臣直感。i辟l。 转f盛鞋链m 桓目鼓口#自m赶，0 00s245kvm2仿真实验中igbt逆变器输的直流电压为537v，svpwm的输频率为8000hz，电机的持定一的转速为3000rhnin，机械转矩为6n*m。 图3至围6是电机系统仿真波形其中随3(a)、周4(a)、用5和图6是弱磁控制下的电机转蚴女*#d目t*#4速、电流、转矩和磁链的仿真波形，图3(b)和瞬4目3t“#4(b)是未加弱磁控制的电机仿真波形。从图3(a)可以看出电机在008s之前为启动阶段，在008s 0 5在弱磷控制的第和第三聆殷也规处于丹速为额定转速3000rrain稳定运行阶段在05铲0 57s 阶段系统采用最太转矩控制，如图5所示，在这两 为升速阶疆存o 57pis为转速4000rmin稳定运个阶段电机电磁转矩晟大，为1in*m；在第二阶段 行阶殷， 电机恒转矩、额定转速运行。从阿3-6可以看出电通过对比同3和罔4的(a)、(b)囝可以看小 机的转速稳定，定于三相电衙c及磁链的波形稳定： 由恒睦到升锺阶嚣，来加弱磁拧制的屯流变化较大 存第四阶段，电机以高于额定转速的速度稳定运 (如图4(b)j计且枉高速运行的第=阶段未加弱 行，在此阶段，系统处于崩磁控制从罔6可蹦看 磁控制的转迎波动较大(如闰3(b)，而加弱磁控制 出、电机的定于电流渡形稳定，并且没有随速度的 的电流和转速鄙杯时稳定升高丽变太。雄12巷颦1期装备制o c112 n012012年3)q聃uipmeat manufactur|mar h 20124结论mo；旦一一!堕j戬晰嘲硝滞“i熟骶潜本文通过对玳磁侧步电机弱磁控制原理的舒!粼y埘il i：_【i ii!i il m；ij黼!析建征了永磁同步电机mtpa弱鞋控制系统。宴繁撇凇a憾黔i龇j蜷l验仿真结果表明所没f|的弱磁控制系统调速稳、蒿1葛1爵气五弋爵百爵1石丽定，速度相应快。同时，电机无论是在升速，恒转速运行还足弱磁运行时，电流磁链和转矩波形稳定， 并且与理论相吻合从而验证r浚控制策略的正确 性和可行性，f11丰r4*mt自“im*mh展 自月mg自5*“7009(5)：202221 jahns tmnux weakening”gime operation of扑itefilcnimnet 8yoch u5 ztor tlnve ulieeetraafions onndustq applications1997 23 h1鹋i一689【3】buh m m，fmdenk湖t s，sandholdt p ktorquecnntml of salumkd imefior pe i magnet synchmlloufi motom in the fipld weakening r。目on【ah-dt“applieall,m conma,：e 2005 4()lh ias anualmeetingfc】2