王旭斌

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000）

內(nèi)置式永磁同步電機(jī) （Interior Permanent Magnet Synchronous Motors，IPMSM）因轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱，交／直軸電感不相等，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，具有高效率、高功率密度、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩電流比、強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。低速時(shí)能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)快速起動(dòng)等要求；高速能輸出恒定功率，具有較寬調(diào)速范圍，適應(yīng)高速行駛等要求，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

以轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的IPMSM雙閉環(huán)矢量調(diào)速系統(tǒng)主要研究的是起動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速值的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性及在設(shè)定值下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)抗干擾性。對轉(zhuǎn)速控制是基于電磁轉(zhuǎn)矩的，由電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流關(guān)系可知IPMSM調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是對定子電流的控制。由運(yùn)動(dòng)方程知，在起動(dòng)過程或干擾存在下的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速控制下的輸出電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到穩(wěn)定設(shè)定轉(zhuǎn)速值時(shí)，轉(zhuǎn)矩／電流迅速穩(wěn)定到要求值，輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率趨于穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)IPMSM調(diào)速的關(guān)鍵控制技術(shù)集中于調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及參數(shù)、低速轉(zhuǎn)矩控制和高速弱磁控制策略以及IPMSM電氣參數(shù)變化對調(diào)速系統(tǒng)的影響。

1 運(yùn)行特性

在一定的電機(jī)電壓下，對電機(jī)的控制，歸根是對IPMSM定子電流的控制，因此，電流工作區(qū)域及實(shí)時(shí)運(yùn)行點(diǎn)是研究對其控制的根本。IPMSM實(shí)際運(yùn)行時(shí)的定子電流被限制在允許的范圍內(nèi) （考慮到電機(jī)發(fā)熱和永磁體的去磁程度等原因），因此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)受到限制。受到逆變器輸出能力及電機(jī)絕緣能力的限制，定子電壓隨目標(biāo) （參考）轉(zhuǎn)速ω*的升高而增大，但最終會(huì)達(dá)到電壓極限。由數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，電壓電流限制下IPMSM工作點(diǎn)在電流相平面中曲線如圖1所示［1］，對應(yīng)外特性如圖2所示。輸出最大轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速ωr，也即基速。相對于基速的不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速將IPMSM運(yùn)行劃分3個(gè)工作區(qū)域，電流限制區(qū)OA段 （低速，電機(jī)端電壓小于SVPWM調(diào)制下的逆變器最大輸出電壓恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行）、電壓電流共同限制區(qū) （電機(jī)沿曲線OA和曲線BC之間的區(qū)域運(yùn)行，弱磁區(qū)域I，恒功率運(yùn)行）和電壓限制區(qū)BC段 （深度弱磁區(qū)域II，最大功率運(yùn)行）。另外，在研究電機(jī)效率控制時(shí)，根據(jù)電壓極限橢圓與MTPA曲線關(guān)系，將工作區(qū)劃分為恒轉(zhuǎn)矩部分、部分弱磁區(qū)和完全弱磁區(qū)［2］。電機(jī)調(diào)速范圍低速受機(jī)械摩擦等因素造成電機(jī)蠕動(dòng)和爬行影響，最高轉(zhuǎn)速ωmax由弱磁能力確定。

圖1 電壓電流限制下的d，q軸平面內(nèi)的工作區(qū)

圖2 外特性曲線

2 控制技術(shù)

IPMSM調(diào)速系統(tǒng)是通過雙閉環(huán)反饋控制實(shí)現(xiàn)一定直流母線電壓下，基于性能要求的控制策略計(jì)算所需的電磁轉(zhuǎn)矩、電流及電壓，再通過常用的電壓空間矢量SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）調(diào)制技術(shù)來完成的?；谑噶靠刂萍夹g(shù)的控制框圖如3所示，關(guān)鍵是獲得不同轉(zhuǎn)速工作區(qū)下的電流參考值i*d、i*q。

2.1 調(diào)節(jié)器

采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制可使調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)瞬態(tài)過程中，始終保持電流和電磁轉(zhuǎn)矩為允許最大值，調(diào)速系統(tǒng)以最大加速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，使電流立即降下來，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)將會(huì)影響運(yùn)行性能，內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的作用是對電流快速跟蹤，通常采用PI控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)良好調(diào)速性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對其研究較多，工程上采用PI控制較多。PI參數(shù)整定一般基于頻域性能指標(biāo)求解析值或工程簡化計(jì)算出，如調(diào)速范圍和負(fù)載變化范圍較大，速度環(huán)的運(yùn)行狀況復(fù)雜，由比例積分PI工作過程及電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，往往很難找到一組PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)使系統(tǒng)在各種狀況下都表現(xiàn)出理想的運(yùn)行性能［3，4］，這時(shí)宜采用分段或智能PI控制或直接智能控制 （滑膜控制、模糊控制、預(yù)測控制等）的非線性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流PI調(diào)節(jié)器輸出電壓限幅值與電機(jī)本身限制電壓也即直流母線電壓有關(guān)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出根據(jù)MTPA控制方法的需要有轉(zhuǎn)矩、定子電流is或有功電流iq等，其值由電機(jī)本身限制轉(zhuǎn)矩電流確定。PI調(diào)節(jié)器抗積分飽和采用條件積分法和反計(jì)算法結(jié)合的方法可縮短調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，減小系統(tǒng)的超調(diào)量［5］。需指出的是轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定更多是基于表貼式SPMSM id=0下進(jìn)行的參數(shù)整定，對IPMSM很少有公開文獻(xiàn)。對電流調(diào)節(jié)器，由IPMSM電壓方程，采用前饋補(bǔ)償方式對id、iq解耦，使d，q軸電流控制器可以分別實(shí)現(xiàn)線性化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全解耦。

2.2 MTPA

為了最大限度利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)損耗，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)常采用最大轉(zhuǎn)矩電流比 （MTPA）的控制策略，即利用最小的定子電流獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。MTPA關(guān)鍵是得到電磁轉(zhuǎn)矩與交直軸電流的關(guān)系，通過理論推導(dǎo)計(jì)算，交、直軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩之間存在著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制比較困難。對MTPA控制的研究主要從兩個(gè)方向上進(jìn)行：含電機(jī)參數(shù)的MTPA研究與去電機(jī)參數(shù)的MTPA研究［6］。對于含電機(jī)參數(shù)的MTPA研究，主要包括查表法、在線計(jì)算法 （解析法、轉(zhuǎn)矩角β求解算法、反饋算法與直接求解算法）［7］、多項(xiàng)式擬合法及結(jié)合電機(jī)參數(shù)辨識的標(biāo)幺化MTPA控制方法等。在去電機(jī)參數(shù)MTPA控制的研究方面，包括高頻信號注入法、虛擬信號注入法、步長搜索法、智能控制算法等。

圖3 IPMSM雙閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

2.3 弱磁控制

受逆變器輸出電壓限制，當(dāng)起動(dòng)增速過程中轉(zhuǎn)速達(dá)到基速時(shí)，需采用弱磁方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速擴(kuò)展。弱磁實(shí)際就是在保持電機(jī)端電壓不變的前提下，合理分配直軸電流id和交軸電流iq分量。從直軸電流的補(bǔ)償方式來看，弱磁控制策略 （FW）主要分為前饋型、反饋型與混合型。前饋型包括公式計(jì)算法、查表法等；反饋型包括基于id負(fù)向電流補(bǔ)償、電流超前角β法、電壓反饋法、梯度下降法、單電流調(diào)節(jié)器法等；混合型主要指結(jié)合前饋型與反饋型的綜合控制方法。從控制思想來說這些弱磁算法分為基于電機(jī)模型控制和魯棒控制兩大類算法［8］。電機(jī)端電壓和電流達(dá)到最大值，弱磁擴(kuò)速能力受兩個(gè)參數(shù)弱磁率Ldid／ψf和凸極率Lq／Ld的影響是較大的，同時(shí)增加弱磁率和凸極率可以明顯提高弱磁擴(kuò)速。但是，為防止直軸電流過大造成轉(zhuǎn)子永磁體不可逆退磁，弱磁時(shí)需控制d軸電流的安全運(yùn)行值［9］。

弱磁控制研究除了各弱磁區(qū)域下的控制策略外，還涉及區(qū)域間的平穩(wěn)過渡和切換問題，主要有基于轉(zhuǎn)速、電流及電壓或智能控制技術(shù)等方式。弱磁控制是建立在低速控制電流下對定子電流的修正，受電流極限值的約束，需對電流修正值限幅。

2.4 電機(jī)參數(shù)辨識

從上面分析所述，作為被控對象的IPMSM，電機(jī)的自身參數(shù)決定影響著工作區(qū)的范圍及劃分、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定、低速及高速下MTPA-FW的控制算法實(shí)施，特別是在高性能控制下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩工作范圍寬，其定子電感、定子電阻和轉(zhuǎn)子磁鏈等參數(shù)在長時(shí)間運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生變化甚至衰減，需考慮磁路飽和的作用，定子繞組自感Ld、Lq參數(shù)隨工作電流的變化和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈ψf隨溫度的變化，進(jìn)而提出了電機(jī)的參數(shù)辨識方法。采用查表法、最小二乘法及改進(jìn)、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法等智能控制優(yōu)化算法辨識估算電機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)［10-12］。

3 結(jié)論

在不同控制目標(biāo)的調(diào)速過程中，調(diào)節(jié)器獲得轉(zhuǎn)矩電流期望值，不同轉(zhuǎn)速區(qū)的電流控制策略完成交直軸電流計(jì)算分配，控制算法都有基于電機(jī)模型控制和魯棒控制兩大類，在高性能調(diào)速時(shí)，還要設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)辨識估計(jì)算法實(shí)時(shí)修正調(diào)節(jié)器和控制策略?？刂扑惴ㄔ跐M足調(diào)速性能外，還要考慮對系統(tǒng)硬件計(jì)算能力要求?；谧畲筝敵鲛D(zhuǎn)矩要求的控制，低速段多采用變頻變壓恒轉(zhuǎn)矩控制，高速段采用恒壓變頻的恒功率或最大功率控制，常用的控制采用PI調(diào)節(jié)器、基速以下MTPA控制、弱磁I區(qū)電壓閉環(huán)反饋和弱磁II區(qū)MTPV弱磁控制相結(jié)合，以達(dá)到損耗最少、轉(zhuǎn)換效率最高的目的。