崔皆凡 潘龍玉

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870）

永磁同步直線電機(jī)最大效率控制研究

崔皆凡 潘龍玉

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870）

針對電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率問題,對永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)最大效率控制進(jìn)行了分析和研究。從分析永磁直線電機(jī)的電機(jī)損耗模型入手，建立考慮逆變器損耗時(shí)的系統(tǒng)損耗模型。利用拉格朗日優(yōu)化算法，推導(dǎo)出永磁同步直線電機(jī)在矢量控制下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)效率最高的控制條件?；趽p耗模型設(shè)計(jì)效率模糊控制器，使系統(tǒng)具有更好的魯棒性。通過Matlab/simulink實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證所建立的模型在穩(wěn)態(tài)下有較高的準(zhǔn)確度，同時(shí)保證輸出功率不變，實(shí)現(xiàn)最大效率控制。

永磁同步直線電機(jī)；損耗模型；最大效率；矢量控制

隨著永磁材料的發(fā)展，永磁同步直線電機(jī)在諸多領(lǐng)域中日益得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電機(jī)產(chǎn)品容量的不連續(xù)性等因素，使得大部分的PMSLM 處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率沒有達(dá)到最大。因此，研究PMSLM的最大效率問題顯得十分必要。

最大效率控制通常分為搜索控制法和損耗模型控制法[1]。對于搜索控制法，它是一種純數(shù)學(xué)方法，效率尋優(yōu)過程與電機(jī)內(nèi)部參數(shù)無關(guān)。損耗模型控制法是建立電機(jī)的損耗模型，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)、控制要求推導(dǎo)效率最大時(shí)的推力電流與當(dāng)前負(fù)載和速度的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)最大效率控制。文獻(xiàn)[2]采用了最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法來提高永磁電機(jī)效率，此方法提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但是電機(jī)損耗卻沒有明顯的減少；文獻(xiàn)[3]研究永磁同步電機(jī)的矢量控制原理的仿真模型，但該文獻(xiàn)沒有考慮到系統(tǒng)中逆變器的損耗。當(dāng)前諸多研究存在著一定的局限性。針對以上這些，本文根據(jù)給定電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以系統(tǒng)效率最大為目標(biāo)，對PMSLM及其驅(qū)動系統(tǒng)的損耗進(jìn)行綜合分析，進(jìn)行精確建模，實(shí)現(xiàn)最大效率控制。根據(jù)損耗模型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了效率模糊控制器，提高了系統(tǒng)的魯棒性與系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。

1 系統(tǒng)損耗分析

PMSLM 驅(qū)動系統(tǒng)包括逆變器、檢測電路、控制電路和電機(jī)本身。由于傳感器和控制電路的損耗很小，所以主要考慮電機(jī)和逆變器的損耗。

1.1 電機(jī)損耗分析

考慮PMSLM系統(tǒng)效率，為了保證建立的損耗模型考慮的更全面，本文針對電機(jī)損耗Ploss1以整體考慮，通過測得電機(jī)的輸入Pin和輸出Pout，來進(jìn)行建立電機(jī)損耗模型：

1.2 逆變器損耗分析

逆變器的損耗主要包括電力電子器件的驅(qū)動損耗以及電力電子器件本身的損耗。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)的電力電子器件以 IGBT為主，其驅(qū)動損耗非常小予以忽略。通過文獻(xiàn)[4]綜合分析對于一特定的逆變器而言，損耗主要由其集電極電流所決定，逆變器損耗近似為定子電流函數(shù)：

式中，k1、k2由對應(yīng)的開關(guān)管IGBT和二極管各參量所決定的常系數(shù)，is為定子相電流。考慮逆變器損耗后變頻驅(qū)動永磁同步直線電機(jī)系統(tǒng)損耗Ploss可表示為

2 PMSLM系統(tǒng)損耗模型

損耗模型法實(shí)現(xiàn)最大效率控制需要建立在特定應(yīng)用場合下的電機(jī)損耗模型，該模型要求簡單、準(zhǔn)確并且實(shí)用。dq軸是以同步電角速度在空間旋轉(zhuǎn)的正交軸系，PMSLM在dq坐標(biāo)軸上的電壓表示為

在電機(jī)等效電路中，通常將鐵耗等效成純電阻，對于PMSLM主要考慮初級鐵耗。當(dāng)考慮鐵耗時(shí)，將PMSLM中的永磁體等效一個(gè)勵磁線圈，并且與初級線圈具有相同的有效匝數(shù)，等效電流為 if，可產(chǎn)生與永磁體相同的基波勵磁磁場，所以可得到如下關(guān)系式：

由于初級磁鏈的幅值是受控的，且 if基本保持不變，所以pψmd、pψmd很小，為簡化數(shù)學(xué)模型可以忽略不計(jì)。將式（17）用等效電路表示出來，根據(jù)考慮鐵耗時(shí)的等效電路圖有

矢量控制中當(dāng)采用id=0的控制策略時(shí)，可見損耗是關(guān)于交軸電流幅值 iq的函數(shù)。通過利用拉格朗日優(yōu)化方法求得效率最大時(shí)的條件表達(dá)式為

3 基于模糊控制技術(shù)的PMSLM最大效率控制方法的研究

基于損耗模型的PMSLM最大效率控制方法雖然實(shí)時(shí)性好，但該方法容易受電機(jī)參數(shù)影響，控制效果取決于損耗模型的準(zhǔn)確程度[8]。為了提高系統(tǒng)的魯棒性與快速性，本文設(shè)計(jì)了一種新型的PMSLM效率模糊控制器：根據(jù)逆變器直流側(cè)輸入功率的偏差情況來決定是否將直流側(cè)輸入功率偏差變化率作為第三輸入變量；搜索初值根據(jù)所建系統(tǒng)損耗模型進(jìn)行選取；在線實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算比例因子，解決控制不足或死區(qū)問題。

本文設(shè)計(jì)的效率模糊控制器包涵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 效率模糊控制器組成

輸入功率計(jì)算環(huán)節(jié)的任務(wù)是采樣直流側(cè)輸入功率，可由檢測到的直流測電壓和電流計(jì)算得到。

比例因子計(jì)算環(huán)節(jié)的任務(wù)是實(shí)時(shí)在線計(jì)算輸入輸出變量的比例因子，將輸入變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)么值的形式，即將輸入變量的基本論域標(biāo)么化成[-1, 1]，這樣同一個(gè)模糊規(guī)則就可以較好地適用于不同功率等級的永磁同步直線電機(jī)或同一永磁同步直線電機(jī)的不同工作狀況，標(biāo)么化后的輸入變量將被用于進(jìn)行模糊推理。

模糊控制環(huán)節(jié)是整個(gè)效率模糊控制器的核心，其輸入變量分別為直流側(cè)輸入功率偏差ΔP、輸入功率偏差變化率ΔP˙和上次電樞電流變化量 iq( k 1)Δ˙- ，模糊控制器的輸出則是當(dāng)前電樞電流變化量其中， ΔP˙要視ΔP大小決定是否作為輸入變量，當(dāng)ΔP較大時(shí)，以減小偏差為主，此時(shí)ΔP˙不起作用，系統(tǒng)為二維控制結(jié)構(gòu)；而ΔP當(dāng)較小時(shí)，為了使控制更加精細(xì)，以減小系統(tǒng)超調(diào)，同時(shí)加快搜索速度，此時(shí)將ΔP˙作為第三輸入變量，系統(tǒng)變?yōu)槿S控制結(jié)構(gòu)。

效率模糊控制器的工作流程如下。

圖2 效率模糊控制器的工作流程圖

4 系統(tǒng)最大效率控制仿真研究

根據(jù)當(dāng)前負(fù)載和速度，建立驅(qū)動系統(tǒng)的損耗模型，從而保證系統(tǒng)時(shí)時(shí)刻刻處于最大效率控制。本文采用的電機(jī)模型參數(shù)具體如下：額定電壓 UN=380V，額定頻率 fN=50Hz，額定功率 PN=3kW，磁極對數(shù) PN=4，鐵耗等效電阻 R=2.98Ω，極距τ=0.016M，永磁體ψf=0.4WB，每相繞組阻值 R=2.98Ω，dq軸電感Ld=Lq=0.0085H，轉(zhuǎn)速v=3m/s，由逆變器開關(guān)器件決定的互相關(guān)系數(shù)k1=0.12、k2=2.5。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，有以下常規(guī)矢量控制與最大效率控制下矢量控制數(shù)據(jù)對比，見圖3至圖5。

圖3 推力波形

圖4 速度波形

圖5 效率波形

5 結(jié)論

本文通過對PMSLM系統(tǒng)最大效率控制的分析研究可以得出以下結(jié)論。

1）相比常規(guī)矢量控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)最大效率控制的推力波動更小了，常規(guī)矢量控制的波動范圍是80～120N，最大效率控制時(shí)推力波動范圍是90～110N，對比波幅縮減了10%；速度跟隨預(yù)期效果更準(zhǔn)確了，常規(guī)矢量控制時(shí)速度均值為2.53m/s，最大效率控制時(shí)速度均值為2.75m/s，相比控制更精確了；在保持輸出功率不變的前提下，傳統(tǒng)矢量控制的效率為59.8%，最大效率控制時(shí)系統(tǒng)效率為65.7%，系統(tǒng)效率由提高了5.9%。

2）相比常規(guī)矢量控制，最大效率控制在穩(wěn)態(tài)給定速度和推力的情況下，能夠使系統(tǒng)更快達(dá)到最大效率工作狀態(tài)，并且最大效率控制的運(yùn)行條件是已經(jīng)計(jì)算出來的，與人為經(jīng)驗(yàn)因素?zé)o關(guān)，便于應(yīng)用。

[1] 徐占國. 電動車用感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究[D].大連理工大學(xué), 2010: 22-23.

[2] 郭慶鼎，陳啟飛，劉春芳. 永磁同步電機(jī)效率優(yōu)化的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008, 30(1): 1-5.

[3] 丁文，高林，梁得亮，等. 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 微電機(jī), 2010, 43(12): 66-71.

[4] 劉建強(qiáng). 直線電機(jī)軌道交通牽引傳動統(tǒng)研究[D]. 北京交通大學(xué), 2008: 95-97.

[5] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo). 現(xiàn)代電機(jī)制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 128-129.

[6] 張穎. 永磁同步直線電機(jī)磁阻力分析控制策略研究[D]. 華中科技大學(xué), 2008: 59-60.

[7] 劉曉. 空心式永磁直線電機(jī)伺服電機(jī)其驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[D]. 浙江大學(xué), 2008: 107-110.

Loss Model of the Permanent Magnet Synchronous Linear Motor under Efficiency Maximization

Cui Jiefan Pan Longyu
(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

The efficiency maximization control condition for PMSLM vector control is studied and analyzed for the problem of efficiency of the motor drive system. The system loss model considering the inverter loss is established through analysis of the loss model of the permanent magnet synchronous linear motor (PMSLM). The efficiency maximization control condition for PMSLM vector control drive at steady state condition is derived using lagrange theorem. To make the system has better robustness,the fuzzy controller of efficiency based on the system loss model is designed. The experimental results show that the proposed model is accurate at steady state by Matlab/simulink.While keeping the output-power constantly, the purpose that rapidly reached the efficiency maximization can be achieved.

PMSLM; loss model; efficiency maximization; vector control

崔皆凡（1963-）女，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授，博士，主要從事特種電機(jī)及其控制的研究。