周凱杰, 曹培培, 呂康飛

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

電動汽車永磁同步電機(jī)弱磁控制策略研究

周凱杰, 曹培培, 呂康飛

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

永磁同步電機(jī)中的永磁體產(chǎn)生的磁場不可調(diào)節(jié),受電動汽車車載電壓所限,提高轉(zhuǎn)速,增大調(diào)速范圍,需要進(jìn)行弱磁控制．基于永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,在基速以下采用MPTA(最大轉(zhuǎn)矩)進(jìn)行控制,基速以上通過弱磁控制,通過電流調(diào)節(jié)器的輸出電流與限制電流比較,得到弱磁控制量,從而實(shí)現(xiàn)增大調(diào)速范圍．實(shí)驗(yàn)通過MATLAB/Simulink下搭建仿真模型,結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性．

永磁同步電機(jī); 弱磁控制; MPTA; 調(diào)速范圍

0 引言

汽車作為當(dāng)今世界上最普遍的交通工具,給人們的日常生活、工作帶來極大的便利．但是,傳統(tǒng)的燃油汽車發(fā)展加劇了對不可再生石油資源的依賴，汽車尾氣的排放造成了環(huán)境的污染,引發(fā)溫室效應(yīng)和全球變暖,[1]. 近來國家工信部已啟動制定我國燃油車停產(chǎn)停售時(shí)間表．在如此背景下,新能源汽車在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展,尤其是以車載電池為動力的電動汽車．在鋰電池以及鋅空氣電池等應(yīng)用,更加速了以特斯拉為首的電動汽車的發(fā)展．電動汽車以電池作為動力,將電能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而驅(qū)動汽車前進(jìn)．相比較傳統(tǒng)燃油汽車,環(huán)境污染較小,有良好的發(fā)展前景．其中,電機(jī)的選擇以及驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是決定電動汽車性能的關(guān)鍵因素之一[2].

永磁同步電機(jī)(PMSM)不同于傳統(tǒng)的由電流勵磁產(chǎn)生磁場,而是選用永磁體作為材料產(chǎn)生磁場,從而具有重量輕、體積小、慣性低、響應(yīng)快、電機(jī)功率密度高、能量密度高、低速轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、可靠性高等顯著特點(diǎn),也因此成為電動汽車首選的電機(jī)．但是,永磁體產(chǎn)生的磁場是固定不能改變的,并且驅(qū)動電路輸出最高電壓又受到車載電源電壓限制,電機(jī)轉(zhuǎn)速無法繼續(xù)增加. 為了提高電機(jī)性能,必須進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,增大其調(diào)速范圍,則需進(jìn)行弱磁FW(Flux weaking)控制．永磁同步電機(jī)的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生,無法對其直接減弱以獲取弱磁控制．永磁同步電機(jī)控制的基本思想是通過利用電機(jī)直軸電流分量形成去磁磁動勢作用,從而減弱電機(jī)的氣隙磁場,起到弱磁控制的作用[3].通過弱磁控制可以拓寬調(diào)速范圍,但為了充分發(fā)揮驅(qū)動系統(tǒng)的性能,則有必要合理的設(shè)計(jì)弱磁控制的算法,從而最大限度的滿足未來電動汽車的驅(qū)動需求[4].

本文基于永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及約束條件,介紹了永磁同步電機(jī)的弱磁控制的基本原理以及控制策略,重點(diǎn)研究了電壓閉環(huán)反饋法弱磁控制策略的3種實(shí)現(xiàn)方法,并采用第1種方法即通過調(diào)節(jié)直軸電流的大小來實(shí)現(xiàn)弱磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),最后通過MATLAB軟件中Simulink搭建了永磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng)的模型,并進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,仿真波形驗(yàn)證了控制策略的可行性．

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其約束條件

1.1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜,因此為了突出主要問題,便于分析,進(jìn)行如下簡化:1) 定子三相繞組采用空間對稱的Y形連接,相位相差120°,氣隙均勻并不計(jì)空間各次諧波;2) 假定鐵心磁導(dǎo)率無窮大,忽略同步電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗;3) 假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組,永磁體也不具有阻尼作用;4) 電機(jī)在氣隙中產(chǎn)生的磁動勢呈正弦分布．

當(dāng)永磁同步電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,同步電機(jī)電壓方程可表示為:

(1)

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

Te=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

機(jī)械運(yùn)動方程:

(3)

式中:ud、uq分別為d軸和q軸定子電壓;Rs為定子相繞組電阻;Ld、Lq為d軸和q軸等效的電感;ψf為永磁體的磁鏈;w為同步電機(jī)的(電)角速度;p是磁極對數(shù);Te、TL為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J、F為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和粘滯摩擦系數(shù)．

1.2 約束條件

如圖1所示,在dq坐標(biāo)系里,id、iq表示永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)．采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制方式時(shí),當(dāng)驅(qū)動永磁同步電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)折速度時(shí),若要繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速則要進(jìn)行弱磁增速．由于PMSM磁場固定,只能通過改變定子電流減弱勵磁磁場．由圖1可見,MPTA控制運(yùn)行在OA段屬于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間,轉(zhuǎn)速達(dá)到基速以上時(shí),給定的電流必須同時(shí)落在電流極限圓和電壓極限橢圓內(nèi),方能實(shí)時(shí)跟蹤,進(jìn)行弱磁控制．根據(jù)定子電流狀態(tài)將弱磁控制分為兩個(gè)不同區(qū)域,即普通弱磁控制I區(qū)-AB段和最大輸入功率弱磁控制II區(qū)-BC段．并且設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)在滿足一些約束條件下,才能實(shí)現(xiàn)弱磁控制．

當(dāng)直流母線電壓不變,此時(shí)由同步電機(jī)逆變器輸出的定子電壓最大值Usmax也是確定的;且定子繞組中最大的通過電流也是確定的Ismax．故而電機(jī)在弱磁控制時(shí),定子電流is約束條件為:

(4)

忽略定子電阻壓降,弱磁穩(wěn)態(tài)工作時(shí)定子電壓峰值為:

(5)

電壓的約束條件可表示為:

(6)

圖1 電壓極限橢圓與電流極限圓

2 弱磁控制策略

永磁同步電機(jī)永磁體磁場確定后,交軸、直軸電感Ld、Lq已知．根據(jù)式(2)電磁轉(zhuǎn)矩Te取決于交直軸電流id、iq．因此只需控制id、iq就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速．弱磁控制策略框圖如圖2所示,當(dāng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí),逆變器輸出電壓未達(dá)到飽和,電機(jī)調(diào)速通過控制逆變器輸出電壓進(jìn)行控制;而在基速以上時(shí),根據(jù)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值的差值信號送給轉(zhuǎn)速控制器,進(jìn)而通過弱磁控制模塊對交直軸電流id、iq進(jìn)行控制,降低磁場的強(qiáng)度,從而增加同步電機(jī)的調(diào)速范圍．

圖2 弱磁控制策略框圖

弱磁控制算法最優(yōu)的目標(biāo)是,在保證滿足電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的要求下,最大限度地提供任意速度下最大的電磁轉(zhuǎn)矩(出力最大)和最小的電流(損耗最小)．根據(jù)同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),將其分3個(gè)階段,即OA段、AB段、BC段,如圖1所示．

1) 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于基速以下時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩一定屬于恒轉(zhuǎn)矩階段,采用MPTA控制,對應(yīng)圖1中OA段,則有:

(7)

將式(2)求偏導(dǎo)聯(lián)合式(7)可得電流矢量控制方程:

(8)

2) 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過基速運(yùn)行時(shí),將受到電壓極限橢圓以及電流極限圓的限制,電機(jī)處于弱磁控制,即圖中的AB段,此時(shí)的控制方程為:

(9)

3) 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)處于BC段時(shí),通過式(8)、式(9)可計(jì)算出B點(diǎn)的轉(zhuǎn)速ωB,進(jìn)而求出電磁轉(zhuǎn)矩Te．

3 系統(tǒng)仿真與分析

利用MATLAB/Simulink搭建仿真弱磁控制永磁同步電機(jī)的仿真模型,系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 系統(tǒng)模型參數(shù)

仿真波形如圖3～圖5所示. 圖3為電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形,從圖中可以看出,當(dāng)同步電機(jī)啟動時(shí)經(jīng)過1 s左右轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速3 000 rad/s,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段,再經(jīng)過0.5 s后,進(jìn)行弱磁升速,即1.5～1.6 s之間為升速階段,在1.6 s后電機(jī)穩(wěn)定在5 800 rad/s．在同步電機(jī)啟動與升速階段,采用MPTA控制,此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩最大,當(dāng)達(dá)到3 000 rad/s時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),采用弱磁控制進(jìn)行提速,額定轉(zhuǎn)速高達(dá)5 800 rad/s．從圖4、圖5可以看出在啟動和升速階段,直軸、交軸電流暫態(tài)突變,當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電流波形穩(wěn)定,尤其是在弱磁調(diào)速后,電流穩(wěn)定．

圖3 同步電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖4 直軸電流 圖5 交軸電流

4 總結(jié)

基于永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,從弱磁控制原理出發(fā),建立永磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng),并利用MATLAB軟件搭建永磁同步電機(jī)模型,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證．仿真結(jié)果表明,采用弱磁控制方案可以有效地增大電機(jī)調(diào)速范圍,而且暫態(tài)性能以及穩(wěn)態(tài)性能都較為優(yōu)越,能滿足電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,具有實(shí)際的工程意義．

[1] 符榮. 電動客車永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué), 2015.

[2] 康勁松,蔣飛,鐘再敏,等. 電動汽車用永磁同步電機(jī)弱磁控制策略綜述[J]. 電源學(xué)報(bào),2017,15(1):15-22.

[3] 高潤澤, 翟麗, 蘇麗偉. 電動汽車內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)全速弱磁控制方法研究[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保,2016,12(5):20-28.

[4] 趙宇, 柴建云. 電動汽車用寬調(diào)速范圍永磁磁阻電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 電工電能新技術(shù),2007,26(1):43-46.

WeakMagneticControlofthePermanentMagnetSynchronousMotorbaseonElectricAutomobile

ZHOU Kai-jie, CAO Pei-pei, LV kang-fei

(School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

Because the magnetic fields produced by PMSM cannot be adjusted, and it has been limited by the voltage of the Electric Automobile, so in order to improve the speed of the PMSM, increasing the speed range, weak magnetic must be adopted. It is based on the mathematical model of PMSM. When it below the base speed, MPTA (maximum torque) is adopted to control; when it up the speed, weak magnetic is adopted to control. By comparing the output current of the regulator with the limiting current, the weak magnetic control amount is obtained and the range of speed adjustment is increased. The simulation model was built by MATLAB/Simulink, and the feasibility and correctness of this method were verified.

PMSM; weak magnetic control; MPTA; speed range

TM711

A

1671-6876(2017)03-0214-04

[責(zé)任編輯蔣海龍]

2017-05-09

淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(HAG201607)

周凱杰(1985-),男,江蘇宿遷人,講師,碩士,研究方向諧波抑制與無功補(bǔ)償. E-mail: honly998@163.com