基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法.pdf

2009 36 5 电机控制及其在交通行业中的应用专题xEMC A 基于矢量控制的电动汽车用异步电动机 弱磁控制方法 窦汝振 辛明华 杜智明 中国汽车技术研究中心 天津 300162 摘 要 对需要异步电动机恒功率运行的应用领域 特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形 弱磁控制是一个非常重要的方法 基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法 该方法与电机参数无 关 稳定性强 实现简单 试验结果验证了该方法的正确性和有效性 关键词 矢量控制 弱磁控制 异步电动机 中图分类号 TM301 2B TM 343 文献标识码 A 文章编号 1673 6540 2009 05 0025 03 FieldW eakening Control of AsynchronousM otorsBased on Vector Control DOU Ru zhen XI N M ing hua DU Zhi m ing ChinaAutomotive Technology lfield weakening contro l asynchronousm otors 0 引 言 异步电动机结实耐用 在矿山机械 航空航 天 轨道交通 电动汽车等领域有着广泛应用 异 步电动机运行时 其电压会受到供电电压的限制 而电流的增大也会受到电机及变频器的容量限 制 因此 异步电动机运行在基速以上时需要采 用适当的弱磁方法 在满足电机及逆变器的电压 和电流限制条件下 得到尽可能大的电机转矩输 出和功率输出及良好的系统动 静态特性 1 此 外 异步电动机弱磁运行时的参数变化较大 因此 期望所采用的弱磁控制方法具有较强的参数鲁棒 性 国内 外已有的以矢量控制为基础的弱磁控 制方法基本可分为以下三类 2 4 1 1 Xr弱磁 如式 1 所示 该方法是在 电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定 为与转子转速成反比 7rd 7rdn Xn Xr 1 式中 7rdn 额定转子磁链 Xn 额定转速 Xr 电机转速 2 恒压弱磁 这类方法保持电机电压为额 定电压 根据电压控制环的输出来控制电机的励 磁电流 与电机参数无关 但转矩电流和励磁电流 耦合强 电流调节器易于饱和 3 励磁电流的解析控制 电机的励磁电感 存在磁饱和现象 电感参数会随着励磁电流的调 整而发生变化 因此 在电机及励磁电感建模的 基础上 采用精确的弱磁电流解析形式 提高电机 的转矩输出能力和动态响应 但这类方法的有效 性依赖于电机参数的准确性 励磁电流控制开环 鲁棒性较差 本文对基于转子磁链定向控制的异步电机弱 磁控制方法进行了分析 并提出了一种基于交轴 电压控制的弱磁控制方法 该方法简便易行 25 电机控制及其在交通行业中的应用专题xEM CA2009 36 5 1 异步电动机数学模型 采用转子磁链定向的矢量控制 异步电动机 在 dq同步坐标系下的电压方程 2 为 us d Rsis d RLspis d Lm Lr p7rd XeRLsis q 2 usq Rsisq RLspis q Xe RLsis d Lm Lr 7rd 3 式中 us d usq 分别为 d q轴定子电压 isd isq 分别为 d q轴定子电流 R 漏感系数 Ls 定子电感 Lm 互感 Lr 转子电感 Xe 电机同步转速 7rd d轴转子磁链 Rs 定子电阻 p 微分算子 电机电磁转矩 Te为 Te 1 5np L 2 m Lr is disq 4 式中 np为极对数 这里分析的是异步电动机的弱磁高速运行 可忽略定子电阻压降 2 此时 由式 2 3 可 得到异步电动机的稳态电压方程为 us d XeRLsis q 5 usq XeLsis d 6 电机及逆变器要受到容量的限制 式 7 8 给出了电机需要满足的最大电压和最大电流 限制条件 u 2 s d u 2 s q V 2 sm 7 i 2 s d i 2 sq I 2 s m 8 式中 Vs m和 Is m分别为定子电压 电流的限幅值 将式 5 6 代入式 4 后可得到 5 Te Kvus dus q 9 其中 Kv是一个与电机运行频率有关的参量 Kv 1 5np L 2 m RLrL 2 sX 2 e 2 恒 usq控制 通常采用恒压弱磁控制方法时 会将电机的 运行电压保持在额定电压 即 Vs m Vsn 此时 u 2 sd u 2 sq V 2 sn 10 将式 5 6 代入式 8 可得 us d XeLs 2 usq XeRLs 2 I 2 s m 11 则电机在 us d usq 平面上的约束轨迹见图 1 图 1 电压电流约束下的电机 电压轨迹 由图 1可知 电机输出功率随转速的升高而 下降 原因在于电机漏抗压降会随转速的升高而 升高 定子电压被限制在额定电压时会导致转子 反电势及电机输出能力的下降 事实上 采用矢量控制后 可以用正交分量 us dusq 来合成定子电压 此时 忽略定子电阻 压降 空载时 usU Xe Lm Lr 7rU usq 根据电机等效 电路得到的定子电压矢量合成见图 2 而根据式 5 6 得到的合成方式见图 3 图 2 电压矢量合成图 3 dq轴电压矢量合成 可以看出 在弱磁区域保持 usq恒定即可近似 保持转子反电势的恒定 从而实现对励磁电流的 控制 而转矩增大引起的漏抗电压的升高则由 us d 来提供 定子电压会随着负载的增加而有所增加 采用恒 us q控制时的整个异步电机控制系统 的原理框图如图 4所示 26 2009 36 5 电机控制及其在交通行业中的应用专题xEMC A 图 4 恒 usq弱磁控制系统框图 此时 对励磁电流的调节由 usq的控制环自行 调节完成 与恒压控制方式相比 减少了总电压的 计算需要 考虑到电机的负载大小 电压承受能 力和运行的最高转速 usq的控制参考值可根据电 机的实际应用情况进行标定 一般可以考虑在 Vdc 3与 Vdc 2之间选择 与恒压弱磁相比 由 于usq保持不变 因此在转速一定的条件下 如式 6 所示 当负载变化时 电机的励磁不会发生变 化 这就可以提供更快的动态转矩响应 采用矢量控制和恒 usq的弱磁控制 对一台纯 电动大客车用异步电动机驱动系统进行了台架试 验 并将本方法与恒压弱磁控制方法的试验结果 进行了比较 在 80 额定负载下得到的结果如图 5所示 控制平台基于 TMS320F2407所开发 电 机主要参数如下 PN 100 k W IN 297 A VN 240V TN 514 N m nN 1 860 r m in 从图 5可以看出 采用恒 us q控制后 电机的 转矩输出能力得到了提高 且电机输出功率能够 保持近似恒定 定子电压会随着转速的升高而有 所上升 这与前面的理论分析是一致的 a 定子电压 b 转矩 c 功率 图 5 恒 usq及恒压弱磁时的输出比较 3 结 语 本文所提出的恒交轴电压 usq 控制方法具 有实现简单 与电机参数无关 转矩动态响应快等 优点 漏抗的存在和电压的限制是电机结构及供电 电源本身所决定的 尽管通过控制方式的改进可 以改善电机的输出能力 但在电动汽车等工程应 用领域 更应着重研究电机驱动系统一体化设计 在输出功率和母线电压间进行优化设计 以获得 更优的系统性能 参 考 文 献 1 陈伯时 谢鸿鸣 交流传动系统的控制策略 J 电 工技术学报 2000 15 5 11 15 2 Xu X Novotny D W Selecting the flux reference for induction machine drives in the field weakening region C M I AS 1991 1 361 367 3 SattlerK SchaferU GheysensR Field oriented con trolof an induction motor with field weakening under consideration of saturation and rotor heating C M PESD 1990 1 286 291 4 Bunte A GrotstollenH K rafka P F ieldweakening of inductio