方曉春，王婷婷，楊中平， 林 飛

(1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；2. 中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)因具有功率密度高、效率高、能夠全封閉設(shè)計(jì)減少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外軌道交通牽引領(lǐng)域逐漸被廣泛關(guān)注[1]。如東芝、西門子、阿爾斯通以及龐巴迪等國(guó)外軌道交通裝備制造企業(yè)已經(jīng)完成了永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)考核，進(jìn)入了工程化和商業(yè)化應(yīng)用階段；中國(guó)的永磁同步牽引系統(tǒng)研究起步較晚，但已經(jīng)取得了一些成就，并處于快速發(fā)展階段[2]。永磁同步牽引電機(jī)的控制目標(biāo)為輸出轉(zhuǎn)矩，常用的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制可分為兩類，一類是開(kāi)環(huán)控制，另一類是閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制也常被稱為查表法[3-4]。該方法沒(méi)有轉(zhuǎn)矩外環(huán)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令查表得到電流指令，通過(guò)電流環(huán)完成轉(zhuǎn)矩輸出控制。因其控制邏輯簡(jiǎn)單，能夠保證快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，從而得到了較為廣泛的應(yīng)用。中國(guó)的沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線列車，東芝公司生產(chǎn)的E954/E955系機(jī)車等的永磁牽引電機(jī)均采用這種轉(zhuǎn)矩控制方式[5]。該方法所用的轉(zhuǎn)矩-電流指令表格基于大量前期實(shí)驗(yàn)，缺乏可移植性。且受限于表格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與轉(zhuǎn)矩測(cè)試點(diǎn)密度，查表法不能保證電流連續(xù)變化時(shí)的精確轉(zhuǎn)矩控制。

轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制方法基本相同，但其包含一個(gè)轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩反饋量以及PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的轉(zhuǎn)矩外環(huán)。轉(zhuǎn)矩反饋量的計(jì)算是轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)反饋轉(zhuǎn)矩估算方法的不同，轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制主要分為電感辨識(shí)公式計(jì)算法和定子磁鏈觀測(cè)公式計(jì)算法2種。電感辨識(shí)公式計(jì)算法基于永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電流、電感的關(guān)系式，其反饋轉(zhuǎn)矩估算的準(zhǔn)確性依賴所用電感參數(shù)的精確度。電感參數(shù)可以在線辨識(shí)[6]，但工程可用性與可靠性有待提高；電感參數(shù)可以查表得到[7]，但會(huì)存在可移植性差、精確度有限的缺點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為定子電流與定子磁鏈的關(guān)系式，定子磁鏈通過(guò)觀測(cè)器得到，其反饋轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確性與所用的定子磁鏈觀測(cè)方案密切相關(guān)。文獻(xiàn)[8]提出了一種永磁同步電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的全階滑模觀測(cè)器，并證明采用該方法時(shí)電感參數(shù)變化對(duì)觀測(cè)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩精度沒(méi)有影響；但該觀測(cè)器較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[9]提出的擴(kuò)展磁鏈模型，文獻(xiàn)[10]提出了一種基于擴(kuò)展磁鏈模型的最小階狀態(tài)觀測(cè)器，該觀測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且基于拓展磁鏈觀測(cè)結(jié)果計(jì)算的定子磁鏈不受電機(jī)電感參數(shù)變化的影響。文獻(xiàn)[10]針對(duì)風(fēng)力發(fā)電永磁同步電機(jī)進(jìn)行拓展磁鏈觀測(cè)研究，其調(diào)速范圍不寬，因此文中并沒(méi)有探討在速度變化范圍較大時(shí)觀測(cè)器的極點(diǎn)配置對(duì)觀測(cè)器收斂情況的影響，并且該文獻(xiàn)未關(guān)注電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中以及低速段的拓展磁鏈觀測(cè)問(wèn)題。

本文針對(duì)城軌列車永磁同步牽引電機(jī)全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制展開(kāi)研究。反饋轉(zhuǎn)矩估算主要基于拓展磁鏈觀測(cè)，在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)討論拓展磁鏈觀測(cè)器極點(diǎn)配置，且考慮電機(jī)啟動(dòng)與低速段的轉(zhuǎn)矩估算，完成全速域反饋轉(zhuǎn)矩估算。研究高速段逆變器輸出電壓受限即方波工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速拓展，構(gòu)建全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制方案。該方案在300 kW電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 拓展磁鏈模型與觀測(cè)

1.1 永磁同步電機(jī)拓展磁鏈模型

同步參考坐標(biāo)系下，內(nèi)置式PMSM穩(wěn)態(tài)電壓方程為

(1)

式中：ud、uq、id、iq分別為定子終端電壓、定子電流的直軸與交軸分量；Lq，Ld分別為交直軸電感；Rs為定子內(nèi)阻；ω為電角速度；ψf為永磁體磁鏈；D為微分算子。將上式進(jìn)行變換，移除第一個(gè)系數(shù)矩陣內(nèi)的Ld，可重新表述為

(2)

式(2)右側(cè)最后一個(gè)矩陣被定義為拓展磁鏈ψe。將式(2)兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到α-β兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程

(3)

將式(3)右側(cè)最后一個(gè)項(xiàng)轉(zhuǎn)換為關(guān)于轉(zhuǎn)子位置θ求導(dǎo)的形式，則式(3)可變化為

(4)

將式(4)右側(cè)最后兩項(xiàng)合并，可簡(jiǎn)化為

(5)

為便于觀測(cè)器構(gòu)建，將式(5)表述為

(6)

根據(jù)式(6)所示永磁同步電機(jī)電壓模型，定子磁鏈與擴(kuò)展磁鏈關(guān)系為

(7)

根據(jù)式(2)可知，擴(kuò)展磁鏈?zhǔn)嵌ㄗ哟沛溤赿軸上的一個(gè)分量，向量關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 擴(kuò)展磁鏈向量圖

1.2 最小階狀態(tài)觀測(cè)器

式(6)的第一個(gè)等式是進(jìn)行拓展磁鏈觀測(cè)的關(guān)鍵。矢量控制使得電流對(duì)其指令信號(hào)的跟隨響應(yīng)較快，因而在設(shè)計(jì)觀測(cè)器時(shí)可忽略拓展磁鏈幅值ψeαβ的微分，所以拓展磁鏈的微分可以表示為

(8)

根據(jù)式(6)的第一個(gè)等式和式(8)的第一個(gè)等式，可得拓展磁鏈狀態(tài)空間方程

(9)

式中：y為輸出向量。

于是可得最小階擴(kuò)展磁鏈狀態(tài)觀測(cè)器表達(dá)式

(10)

式中：K為反饋增益矩陣。對(duì)比式(9)和式(10)，擴(kuò)展磁鏈觀測(cè)器的觀測(cè)誤差為

(11)

式(10)所示拓展磁鏈觀測(cè)器公式中存在電流微分項(xiàng)，容易引入噪聲。引入式(12)所示中間觀測(cè)量，消除電流微分項(xiàng)。

(12)

綜合上述，PMSM拓展磁鏈狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 擴(kuò)展磁鏈狀態(tài)觀測(cè)器

1.3 狀態(tài)觀測(cè)器極點(diǎn)配置

觀測(cè)誤差的微分方程見(jiàn)式(11)。則ω(I-K)J的特征值被稱為觀測(cè)器的極點(diǎn)。當(dāng)觀測(cè)器的全部極點(diǎn)都具有負(fù)實(shí)部時(shí)，觀測(cè)誤差趨近于0，觀測(cè)器的輸出能夠收斂于被觀測(cè)對(duì)象。為使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器能夠合理的收斂，需要對(duì)觀測(cè)器的極點(diǎn)進(jìn)行配置。假設(shè)反饋矩陣K為

(13)

將矩陣K帶入觀測(cè)器誤差方程(11)并展開(kāi)

(14)

根據(jù)式(14)可知，設(shè)定k1=k4=1可以消除α軸和β軸之間磁鏈觀測(cè)的耦合，在出現(xiàn)系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，具有更好的觀測(cè)性能。從而，反饋矩陣還有2個(gè)待定系數(shù)k2和k3。此時(shí)，觀測(cè)誤差微分方程系數(shù)矩陣特征值計(jì)算如下

(15)

由式(15)可知，-k2和k3即為狀態(tài)觀測(cè)器的極點(diǎn)。為使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器收斂，且α軸和β軸的擴(kuò)展磁鏈觀測(cè)收斂速度相同，令k2=-k3=k，k大于零。將k帶入誤差微分方程可得

(16)

由式(16)可以看出，ωk越大，誤差衰減越快，狀態(tài)觀測(cè)器的收斂速度越快。若k取為固定值，那么狀態(tài)觀測(cè)器的收斂速度將隨轉(zhuǎn)速ω的變化而變化，這對(duì)觀測(cè)是不利的，因此將參數(shù)k配置為k′/ω的形式。

當(dāng)磁鏈誤差值小于等于實(shí)際值的3%時(shí)，認(rèn)為觀測(cè)器收斂。狀態(tài)觀測(cè)誤差的收斂時(shí)間與k′的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 狀態(tài)觀測(cè)器收斂時(shí)間隨參數(shù)k′的變化關(guān)系

取不同數(shù)量級(jí)的數(shù)個(gè)收斂時(shí)間為代表，其與相應(yīng)的k′值構(gòu)成表1。

表1 收斂時(shí)間與相應(yīng)的k′值

在表1所示數(shù)據(jù)中，k′≤35時(shí)收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以至于大于0.1 s，因此不予考慮。但是觀測(cè)誤差的收斂速度并非越快越好，觀測(cè)誤差收斂速度快，往往對(duì)應(yīng)輸出誤差反饋矩陣有較高增益，這將導(dǎo)致觀測(cè)器對(duì)測(cè)量噪聲的敏感程度增加。為了進(jìn)一步選取合適的收斂時(shí)間，對(duì)表1中k′≥35以后的取值進(jìn)行仿真。q軸擴(kuò)展磁鏈發(fā)生0.12 Wb階躍變化，k′分別取值35、70、351、3 510，觀測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)圖4。

圖4 k′不同取值時(shí)擴(kuò)展磁鏈階躍變化觀測(cè)結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，k′取值越小，磁鏈發(fā)生階躍變化時(shí)，狀態(tài)觀測(cè)量收斂時(shí)間越長(zhǎng)，但擴(kuò)展磁鏈的諧波幅值卻相對(duì)越小；k′取值越大，狀態(tài)觀測(cè)量收斂時(shí)間越短，但脈動(dòng)幅值越大。應(yīng)選取合適的k′值，使得收斂時(shí)間滿足控制要求，且脈動(dòng)幅值相對(duì)較小。在列舉的仿真結(jié)果中，k′取值70至351之間時(shí)擴(kuò)展磁鏈?zhǔn)諗克俣群兔}動(dòng)幅值都在可接受范圍內(nèi)，本文選定k′=100。

1.4 參數(shù)魯棒性分析

(17)

對(duì)式(17)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得

(18)

式(18)左側(cè)為基于定子電壓模型進(jìn)行積分計(jì)算定子磁鏈的公式，右側(cè)為本文觀測(cè)電機(jī)實(shí)際定子磁鏈的公式。

(19)

由于式(18)在拓展磁鏈觀測(cè)過(guò)程中恒成立，從而依據(jù)式(19)觀測(cè)到的定子磁鏈精確度ψs與PMSM的電感參數(shù)無(wú)關(guān)。

2 全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)方案

2.1 反饋轉(zhuǎn)矩計(jì)算

電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩可表示為電機(jī)極對(duì)數(shù)、定子磁鏈?zhǔn)噶亢投ㄗ与娏魇噶康某朔e

(20)

圖5 基于磁鏈觀測(cè)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制框圖

由式(16)與前文分析可知，本文所用拓展磁鏈觀測(cè)器極點(diǎn)配置與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比，從而在啟動(dòng)階段理論極點(diǎn)為無(wú)窮大，意味著該觀測(cè)器不適用于電機(jī)啟動(dòng)階段。因此在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速較小及電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，反饋轉(zhuǎn)矩由電流與交直軸電感的關(guān)系式得到

(21)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于10 r/min后切換到定子磁鏈觀測(cè)轉(zhuǎn)矩計(jì)算法，保證電機(jī)正常啟動(dòng)。

2.2 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)方波弱磁控制

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器輸出電壓受限，從而PMSM在高速域需弱磁運(yùn)行，拓展轉(zhuǎn)速，并輸出一定轉(zhuǎn)矩[11]。為最大化輸出電壓，牽引逆變器在高速域往往采用方波單脈沖調(diào)制，此時(shí)的電機(jī)控制可視為電壓嚴(yán)格限制的弱磁控制。方波工況時(shí)逆變器輸出相電壓基波幅值固定為最大值U1max

U1max=2udc/π

(22)

式中:udc為逆變器直流側(cè)電容電壓。方波工況下電壓基波幅值不再作為電機(jī)控制自由度，電壓基波相位成為惟一控制自由度。PMSM方波工況弱磁控制可分為三類：一是前饋控制[12]，由于參數(shù)依賴性強(qiáng)且動(dòng)態(tài)響應(yīng)受限而應(yīng)用不廣；二是負(fù)直軸電流補(bǔ)償法改進(jìn)方案[13]，控制框架復(fù)雜而不利于實(shí)現(xiàn)；三是電壓相角法及其改進(jìn)方案[14]。電壓相角法是針對(duì)逆變器方波工況PMSM控制而被提出的，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較廣。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓基波相位控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直面PMSM方波控制自由度惟一的問(wèn)題。該方法中的電壓相角θv的定義以及與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

(23)

式中:Us為合成電壓矢量幅值，若矢量控制坐標(biāo)變換原則為等幅值，則方波工況下其最大值Usmax等于U1max。根據(jù)式(20)計(jì)算反饋轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)矩指令比較得到轉(zhuǎn)矩誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出電壓相角θv，構(gòu)建電壓相角法弱磁控制，見(jiàn)圖6。

圖6 電壓相角法弱磁原理圖

2.3 全速域轉(zhuǎn)矩控制方案

基于拓展磁鏈觀測(cè)器計(jì)算反饋轉(zhuǎn)矩，電機(jī)中低速域采用典型的PMSM雙電流閉環(huán)控制，高速域采用電壓相角法弱磁控制，得到牽引永磁同步電機(jī)全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方案見(jiàn)圖7。其中，2種控制策略的切換邏輯見(jiàn)圖8。

圖7 PMSM全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制框圖

圖8 弱磁控制切換判據(jù)

如圖8所示，雙電流環(huán)控制時(shí)，定子電壓指令幅值小于方波工況下的最大電壓矢量幅值2udc/π。當(dāng)電壓指令幅值達(dá)到2udc/π后，繼續(xù)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速或者負(fù)載，電機(jī)切換為電壓相角法弱磁控制。當(dāng)進(jìn)入方波工況后，電壓矢量幅值被限定為2udc/π，不隨工作狀態(tài)變化，電壓指令不能再作為退出弱磁控制的判據(jù)。PMSM工作區(qū)域分為3個(gè)，其中弱磁區(qū)在id-iq坐標(biāo)平面上位于最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)曲線的左側(cè)[15]。由于電感參數(shù)與磁鏈參數(shù)受電機(jī)定子電流與溫度等因素大范圍變化, 可將MTPA曲線近似線性化為id=kiq而便于工程應(yīng)用，其中k<0。從而id>kiq可作為退出弱磁控制的判據(jù)。在進(jìn)入弱磁控制的第一個(gè)控制周期，需對(duì)電壓相角θv調(diào)節(jié)器的積分器進(jìn)行前饋賦值；在退回雙電流環(huán)控制的第一個(gè)控制周期，需對(duì)交直軸電流調(diào)節(jié)器的積分器前饋賦值，避免出現(xiàn)電壓指令突變及電流沖擊。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

基于300 kW永磁同步電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)，對(duì)基于拓展磁鏈觀測(cè)的PMSM轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方案進(jìn)行驗(yàn)證。平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要包含1 500 V/750 V直流電源、濾波電抗器、支撐電容、兩電平逆變單元、300 kW永磁同步電機(jī)、190 kW異步電機(jī)以及其他構(gòu)成部分。其中永磁同步電機(jī)作為牽引電機(jī)運(yùn)行，是本文主要控制對(duì)象；異步電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，采用VVVF開(kāi)環(huán)控制。平臺(tái)實(shí)物見(jiàn)圖9，PMSM部分參數(shù)見(jiàn)表2。

圖9 300 kW永磁同步電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表2 PMSM 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

3.1 仿真

采用表2所示電機(jī)參數(shù)搭建Matlab/Simulink仿真模型。為模擬對(duì)拖平臺(tái)，永磁同步電機(jī)的機(jī)械負(fù)載輸入量為轉(zhuǎn)速。采用圖7所示的全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方案，進(jìn)行加速仿真，結(jié)果見(jiàn)圖10。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速每秒增加1 000 r/min，2 s后至2 000 r/min保持不變。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令在啟動(dòng)后的0.1 s內(nèi)從0增加至400 Nm，之后保持恒定。

圖10 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制下加速仿真結(jié)果

圖11 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩階躍仿真結(jié)果

電機(jī)轉(zhuǎn)速n<960 r/min時(shí)，電機(jī)采用雙電流環(huán)控制；圖10所示電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能夠很好的跟隨轉(zhuǎn)矩指令，保持400 N·m不變。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n>960 r/min時(shí)，定子電壓幅值逐漸飽和，電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入弱磁控制；轉(zhuǎn)矩外環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)電壓相角使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩仍然能夠跟蹤上轉(zhuǎn)矩指令，保持400 N·m不變；電機(jī)的直軸電流id逐漸減小，產(chǎn)生去磁作用，完成弱磁拓速。

圖11所示為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩指令階躍工況下的轉(zhuǎn)矩、電流仿真結(jié)果。仿真過(guò)程中，負(fù)載的轉(zhuǎn)速均勻變化，轉(zhuǎn)矩指令從初始100 N·m開(kāi)始，每隔0.1 s發(fā)生100 N·m的階躍變化。仿真結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)控制性能良好。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的基于定子磁鏈觀測(cè)的全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方案。

3.2 實(shí)驗(yàn)

圖12所示為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)中平臺(tái)轉(zhuǎn)速由負(fù)載電機(jī)控制從300 r/min逐漸增大至1 900 r/min。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令給定為400 N·m。在轉(zhuǎn)速為900 r/min左右時(shí)，PMSM由雙電流環(huán)控制切換進(jìn)入弱磁控制，交直軸電流逐漸減小。圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是雙電流環(huán)控制還是電壓相角法弱磁控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)矩指令都有較好的跟隨性能。電機(jī)反饋計(jì)算轉(zhuǎn)矩在398 N·m到415 N·m之間波動(dòng)，其平均值與轉(zhuǎn)矩指令以及轉(zhuǎn)矩儀顯示的轉(zhuǎn)矩基本一致。整個(gè)速度域的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，轉(zhuǎn)矩控制精度較高。

圖12 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制下加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13所示為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩階躍實(shí)驗(yàn)結(jié)果。轉(zhuǎn)矩指令由100 N·m開(kāi)始以50 N·m的幅度逐漸階躍到450 N·m。電機(jī)轉(zhuǎn)速保持300 r/min不變。在轉(zhuǎn)矩指令發(fā)生階躍變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能夠跟隨轉(zhuǎn)矩指令的變化。

圖13 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩階躍實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣驗(yàn)證了本文所提出的基于定子磁鏈觀測(cè)的全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方案。

4 結(jié)論

針對(duì)常用PMSM轉(zhuǎn)矩控制方案缺點(diǎn)，本文采用基于定子磁鏈觀測(cè)的反饋轉(zhuǎn)矩估算方法，以克服電感參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的影響，提升轉(zhuǎn)矩控制精度。搭建了擴(kuò)展磁鏈最小階狀態(tài)觀測(cè)器，該方法定子磁鏈觀測(cè)精度高，可靠性強(qiáng)，且不受電機(jī)電感參數(shù)變化的影響?？紤]電機(jī)調(diào)速范圍條件下，分析了擴(kuò)展磁鏈觀測(cè)器極點(diǎn)配置方法，根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)觀測(cè)器極點(diǎn)進(jìn)行配置，使觀測(cè)器能夠有合適的收斂速度。

本文提出了基于定子磁鏈觀測(cè)的PMSM全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制策略。受限于觀測(cè)器極點(diǎn)配置，反饋轉(zhuǎn)矩的計(jì)算在電機(jī)啟動(dòng)與低速段采用電感辨識(shí)公式計(jì)算法，轉(zhuǎn)速較高時(shí)過(guò)渡到磁鏈觀測(cè)公式計(jì)算法。永磁同步電機(jī)在中低速域采用經(jīng)典的雙電流閉環(huán)矢量控制，在高速域采用電壓相角法弱磁控制，完成了全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。

本文所提出的城軌列車永磁同步牽引電機(jī)全速域轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制方案在300 kW永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。其定子磁鏈觀測(cè)方法與反饋轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法適用于其他場(chǎng)合的PMSM控制。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)逆變器直流電壓利用率要求很高，從而需要進(jìn)入方波工況。本文強(qiáng)調(diào)的方波弱磁控制，可用于其他直流電壓受限條件下的PMSM控制。