王健健

（蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

隨著高性能永磁材料的廣泛應(yīng)用，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)與控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電機控制系統(tǒng)成為研究領(lǐng)域的熱點，要實現(xiàn)新能源汽車所使用的永磁同步電機穩(wěn)定且高性能運行，必須要求開發(fā)出一套性能良好的永磁同步電機控制技術(shù)，目前矢量控制是最普遍、性能優(yōu)良的一種控制方式。

永磁同步電機進行高性能矢量控制系統(tǒng)是一個包含位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的多閉環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)作為最內(nèi)環(huán)是矢量控制的基礎(chǔ)，直接影響電機的轉(zhuǎn)矩控制精度、轉(zhuǎn)速精度等，并在嚴重情況時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)甚至失調(diào)。電流環(huán)性能影響因素很多，比如電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計、電機運行時的參數(shù)變化、功率器件的傳遞特性等，高性能的矢量控制必須有高性能的電流環(huán)。因此，做好永磁同步電機電流環(huán)設(shè)計工作對于永磁同步電機控制性能起著非常重要的作用。

1 dq軸動態(tài)等效電路分析及解耦

在永磁同步矢量控制中，可以將定子三相靜止軸系（ABC）變換為旋轉(zhuǎn)的軸系（dq），通過對dq軸上的直軸電流id和交軸電流iq的控制，也就直接控制直軸電樞反應(yīng)磁場和交軸電樞反應(yīng)磁場，將對電機的矢量控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷Χㄗ与娏鞯目刂?。定子具有了這種控制功能，就意味著可將永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換為對等效他勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制。

圖1是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機的動態(tài)等效電路，其d、q軸定子電壓方程如下：

式（1）中，ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為dq軸上的等效電壓、電流、電感，dq軸上的等效電阻為Rs，ωr為電源電角速度。

由式（1）可以看出，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸中，電流之間存在著耦合項，耦合項中包含電感參數(shù)。在實際的控制系統(tǒng)過程中，由于飽和效應(yīng)的響應(yīng)，電感參數(shù)會隨著電流的變化而變化，特別是在高速動態(tài)加減載的時候，電流環(huán)急劇惡化，導(dǎo)致電流震蕩，嚴重時候會導(dǎo)致控制發(fā)散。在這種情況下電感設(shè)定一個恒定值就無法實現(xiàn)電流的完全解耦，從而影響永磁同步電機的控制性能。

根據(jù)上述分析需要，為了提高電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)能力，分別從d、q軸對電流環(huán)進行解耦，其耦合項分別為：

2 電流環(huán)設(shè)計

2.1 典型1型系統(tǒng)分析

控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示成如下：

分母中的sr表示系統(tǒng)在s=0處有r重極點。為3或者以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而r為0的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低。因此，在電機控制中，把2型系統(tǒng)作為速度環(huán)設(shè)計的目標(biāo)，把1型系統(tǒng)作為電流環(huán)的設(shè)計目標(biāo)。典型1型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中，T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，它往往是控制對象本身固有的參數(shù)，K為系統(tǒng)的開環(huán)增益。

2.2 電流環(huán)設(shè)計

對定子電壓進行解耦得到永磁同步電機的等效結(jié)構(gòu)圖后就可以進行電流環(huán)的設(shè)計，在進行電流環(huán)設(shè)計時，一般可以采用零極點對消，將電流環(huán)校正成1型系統(tǒng)，以q軸為例介紹電流環(huán)的設(shè)計過程：

圖1 永磁同步電機d-q軸動態(tài)等效電路Fig.1 Dynamic equivalent circuit of d-q axis of permanent magnet synchronous motor

圖2 q軸電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Q Axis Current ring dynamic structure diagram

圖2是q軸電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其中Tf為數(shù)字控制帶來的電流環(huán)等效延遲時間，1/Tfs+1為數(shù)字控制與發(fā)波的傳遞函數(shù)，1/Lqs+Rs為控制對象的傳遞函數(shù)。

在數(shù)字控制中，必須至少保證控制器的延遲時間小于被控對象時間常數(shù)，只有在這種情況下，才可能對永磁同步電機進行有效控制。因此，對電流環(huán)來說，須滿足以下條件：

把電流環(huán)校正成典型1型系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

式（6）中，Kc為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τc為電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)。因此，選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，令：

則調(diào)節(jié)器的零點對消掉了被控對象的極點，得到q軸電流環(huán)傳遞函數(shù)為：

式（8）是一個典型的二階系統(tǒng)，它的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

圖3 200KW電機驅(qū)動器Fig.3 200KW Motor Driver

式（9）中，ξ為阻尼比，ωn為無阻尼自然振蕩角頻率。通過比較，可以得到式（10）：

通常取ξ=0.707。至此，q軸電流環(huán)設(shè)計完成，而以上設(shè)計方法對d軸電流環(huán)也是完全適用的。因此，這里只給出d軸電流環(huán)最后的設(shè)計結(jié)果如式（11）：

3 實驗及結(jié)果分析

實驗硬件平臺使用TI公司的TMS320F28335型DSP為主控單元，驅(qū)動器功率200KW，使用500V直流供電，峰值電流500A，樣機如圖3所示。

實驗電機為150KW峰值扭矩為1600N.m的新能源大巴車永磁同步電機，樣機如圖4所示。

圖4 150KW永磁同步電機Fig.4 150KW Permanent magnet synchronous motor

圖5 根據(jù)本文電流環(huán)設(shè)計的q軸電流波形Fig.5 Q-axis current waveform designed according to current ring in this paper

圖6 沒有解耦手動調(diào)節(jié)電流環(huán)參數(shù)q軸電流的波形Fig.6 No decoupling manually adjusting the waveform of the Q-axis current of the current ring parameter

實驗時，當(dāng)在轉(zhuǎn)速達到3000rpm的時候用腳猛踩油門踏板，實現(xiàn)快速的加載與減載。在后臺觀測q軸電流的給定值與反饋值，如圖5和圖6所示，其中黃色為q軸電流設(shè)定值，紅色為q軸電流反饋值。圖5為使用本文設(shè)計的電流環(huán)參數(shù)運行曲線，其電流波動在±0.9A。圖6為手動調(diào)節(jié)的效果較好的電流環(huán)參數(shù)，其電流波動在±6A。由此可見，本文設(shè)計的電流環(huán)參數(shù)效果比較理想。

4 結(jié)語

本文對永磁同步電機的電流環(huán)進行了詳細分析，把電流環(huán)設(shè)計成典型1型系統(tǒng)，根據(jù)零點對消計算出了電流環(huán)的參數(shù)，并對計算出的參數(shù)進行了實驗驗證，結(jié)果顯示，采用本方法計算出的電流環(huán)參數(shù)可滿足永磁同步電機高性能的矢量控制。