永磁同步电机mtpa弱磁控制方法研究

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电气传动2012年第42卷第11期ELECTRICDRIVE2012Vo1．42No．11永磁同步电机MTPA弱磁控制方法研究孙旭霞，岳经凯(西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048)摘要：针对永磁同步电机在升速阶段电流过大和高速阶段稳定性差的问题，在分析永磁同步电机弱磁原理的基础上，选用MTPA(最大转矩)弱磁控制策略，通过转矩控制达到减少升速时间的目标；利用修正电流值来控制弱磁从而实现增大调速范围。实验在PSCAD上建立仿真模型，通过对比永磁同步电机在不同运行阶段参数，结果验证了此方法的可行性和正确性。关键词：永磁同步电机；弱磁；最大转矩；磁链中图分类号：TM351文献标识码：AResearchontheMTPA＆WeakMagneticControlofthePermanentMagnetSynchronousMotorSUNXu-xia，YUEJing—kai(TheFacultyofAutomationandInformationEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China)Abstract：ForthepermanentmagnetsynchronousmotorSproblemsthataretheoverloadofcurrentintheaccstageandpoorstabilityinhighspeedoperationstage，basedontheweakmagneticanalysisoftheperma—nentmagnetsynchronousmotor，MTPAweakmagneticcontrolstrategywaschosen，andbycontrollingthetorquetOreduceaectime；UsedfixedcurrentvaluetocontroltheweakmagneticSOastorealizetheincreasespeedrange．TheexperimentestablishedonthePSCADsimulationmodel，comparedtheparametersofthepermanentmagnetsynchronousmotorindifferentrunningstage，andtheresultsverifythefeasibilityandcor—rectnessofthismethod．Keywords：permanentmagnetsynchronousmotor；weakmagnetic；maximumtorque；flux用；查表法需要大量的实验数据，并且一张表只能1引言对一种电机控制；梯度下降法计算量大，实现较复永磁同步电动机具有工作可靠、可控性好、效杂。本文采用修正电流值控制弱磁的方法，这种率高、功率因数高等一系列优点，在工业中获得了方法利用交、直轴电流和电压来修正电流，控制算广泛的应用。但电动机定子电流直轴分量所形成法简单，响应速度快，鲁棒性好。的去磁磁动势作用会导致永磁体性能变坏，是人2永磁电机模型及控制原理们十分关注的一个实际问题；此外，随着电机转速的升高，由于供电电压的限制，也会影响电机的电在理想条件下，永磁同步电机d，q轴的稳态磁转矩的性能，影响电机高速运行的范围及稳定数学模型的电压方程为性。因此，电机需要减弱磁场运行，由于永磁同步』一一∞Li(1)电机中励磁磁场是一定的，不可能直接将其减弱1一(u(’+Ldid)以获得弱磁控制，所以，只能利用直轴电流，减弱式中：，“。分别为定子电压矢量的d，q轴分量；电动机的气隙磁场，已达到弱磁控制的效果。这i，i分别为定子电流矢量的d，q轴分量；嘶为便是永磁电机弱磁控制的基本思想1]。永磁磁链；为转子电角频率；L，L。分别为d，g常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法轴电感。和梯度下降法[4等。公式计算法完全依赖于电机电磁转矩方程为数学模型，只具有理论意义，很少在实际工程中应T一1．5p[altfiq+(Ld—Lq)iaiq](2)作者简介：孙旭霞(1963一)，女，研究生，副教授，Email：sunxx@xaut．edu．cn62 孙旭霞：永磁同步电机MTPA弱磁控制方法研究电气传动2012年第42卷第11期式中：为电磁转矩；，，分别为定子磁链的d，q轴分量；P为极对数。一一由于受逆变器产生的最大电压及电机本身的蕊，酬：：；‘、、限制，若想将转速拓展到额定值以上是不可能的。t、f’0Ji．为此，必须减小定子磁链，即弱磁，才能进一步提＼～／／，高转速。由于弱磁控制工作高速范围，为了简单电压限制环、～—／流限制起见，忽略定子电阻R电压压降。这样电机弱磁图1足于电流矢量运行轨迹稳态运行时定子电压峰值为Fig．1ThestatorcurrentvectorrunningtracklUl一JI1)恒转矩区。这种情况发生在电机运行在基一~／(+Ldi)+(L。i)。(3)速以下，此时输出转矩的上限是一定的，为额定转在确定直流母线电压的情况下，逆变器所能矩，转矩矢量的控制策略一般采用MTPA——最输出的最大定子电压己，也是确定不变的；而且大转矩／电流控制，如图1中0．4段。0为定子电由于电机工作时发热等原因，在一定的温升允许流矢量与d轴的夹角，则有：情况下，定子绕组允许流过的最大电流⋯也是不变的。这样，电机在弱磁工作区工作时定子电／。。s00(7)＼i口一i。sin0流i。和端电压。也会受到如下条件限制L6通过对式(2)偏导：Iil≤⋯I“l≤U(4)式中：Is~ax为定子电流允许的最大值；U。为定子一1．5p[一"liarid-(LdmL)(一；)]一o(8)端电压允许最大值。可得电流矢量的电流运行控制方程：从上式可以看出，电流限制为一个圆形：Z‘d一+一zm(5)一2(L~--'La)。一√"4(Lq-~-La)2一+十：；(9)只要控制定子电流在此圆的范围内，即满足最2)弱磁区。当电机速度大于基速时，受到电大定子电流限制要求，即定子电压限制为一个椭圆：压和电流极限环的限制，电机进入弱磁运行区域，!生±型+一1f6如图1中AB段所示。(己，。／∞Ld)(Um丑／∞L。)、电机运行于某一转速∞时，由式可得弱磁运从上式可以看出，由于U的限制，电机不可能行是矢量控制方程：无限升速，当电机角速度达到cu即cU一U。时，如果要求继续升速，就只能靠减弱气隙磁场来+√c。(1O，实现，这就是所谓的弱磁调速。对于永磁同步电i一~／I一(11)机，永磁体产生的磁场是固定的，无法调节，只有通过构造拉格朗日函数求偏导可以得出最大通过调节定子电流来削弱磁场，才能维持高速运输出功率运行时的电流矢量控制方程：行时电压方程的平衡。3永磁同步电机控制策略．。√(Lt)2+8(U_)2(gq-Ld)2一一十————一当永磁同步电机永磁体产生的磁链和直交轴(12)电感，L确定后，电机的电磁转矩便取决于定子电流矢量i，而i大小的相位取决于i和√+／Lq(13)i。因此只要控制i和i便可以控制电机的转3)弱磁区域2。电机作最大转矩弱磁运行时矩。一定的转速和转矩对应于一定的i和i。。的电流矢量轨迹如图1中BC段所示。由式分别比较电机的电流实际值i和i与给定值，实(12)、式(13)可求出电机达到最大输出功率点B现其转速和转矩控制。并且，i和i。独立控制，时的转速为cU，从而可求出此时的转矩丁e。便于实现各种先进控制策略。4系统仿真及分析为了能够获得最大转矩，需要控制电机的定子电流。通过分析，电机会运行在3个区段[6]，见图1。图2为弱磁控制永磁同步电机的系统框图。63 电气传动2012年第42卷第11期孙旭霞：永磁同步电机MTPA弱磁控制方法研究图2系统仿真框图Fig．2Systemsimulationblockdiagram系统采用PSCAD进行仿真实验，所选用的电机的转速稳定，定子三相电流及磁链的波形稳电机参数为：额定电压U一310V，电阻R。一0．86定；在第4阶段，电机以高于额定转速的速度稳定Q；直流互感Ld===11．3mH；交流互感L。一11．3运行，在此阶段，系统处于弱磁控制，从图4可以mH，转子感应磁链一0．205Wb，极对数P一4，看出，电机的定子电流波形稳定，并且没有随速度转动惯量J一0．005245kg·In。的升高而变大。仿真实验中，IGBT逆变器输入的直流电压5结论为537V，SVPWM的输入频率为8000Hz，电机的给定转速为3000r／min，机械转矩为6N·rn。本文通过对永磁同步电机弱磁控制原理的分图3～图6是系统仿真波形。从图3可以看析，建立了永磁同步电机MTPA弱磁控制系统。出电机在0．08S之前为启动阶段，在0．O8～O．5S仿真结果表明，所设计的弱磁控制系统调速稳定，为额定转速3000r／min稳定运行阶段，在0．5～速度响应快。同时，电机无论是在升速、恒转速运0．57S为升速阶段，在0．57～1S为转速5000行还是弱磁运行时，电流、磁链和转矩波形稳定，r／min稳定运行阶段。并且与理论分析相吻合，从而验证了该控制策略的正确性和可行性。参考文献李训杰，耿连发．现代永磁电动机交流伺服系统的发展和应用[J]．现代驱动与控制，2009(5)：20—22．JahnsTM．FluxWeakeningRegimeOperationofanInteriorPermanent—magnetSynchronousMotorDrive[J]．IEEETransactionsonIndustryApplications，1987，23(4)：681—689．BechMM。FrederiksenTS，SandholdtP．AccurateTorqueControlofSaturatedInteriorPermanentMagnetSynchro—nousMotorsintheFieldWeakeningRegion[C]ffIndustryApplicationConference，200540thIASAnnualMeeting，2005(4)：2526—2532．0．000．21)U．4UU6UU．801．000．uU0．20【J_40u．Ou朱磊，温旭辉，赵峰，等．永磁同步电机弱磁失控机制及其应clst}s对策略研究[J]．中国电机工程学报，2olO，18(31)：67—68．图5电机的电磁转矩图6电机的a，磁链李珍国．交流电机控制基础[M]．北京：化学工业出版社，Fig．5ThemotortorqueFig．6Themotor口，口flux2O10．唐任远．现代永磁电机理论与设计[M]．北京：机械工业出在第1和第3阶段，电机处于升速阶段，系统版社，1997．采用最大转矩控制，如图5所示，在这两个阶段电机电磁转矩最大，为11N·m；在第2阶段，电机收稿日期：2011—10—31恒转矩、额定转速运行，从图3～图6可以看出，修改稿日期：2012-06-i064