磁路交叉饱和及电感参数补偿的内置式永磁同步电机解耦控制

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1、磁路交叉饱和及电感参数补偿的内置式永磁同步电机解耦控制摘要：分析了磁路交义饱和对内置式水融M步电机(IPMsM)桶速控制系统性能的影响；建立了考虑磁路交叉饱和并对其电感参数进行补偿的控制算法。利用MATIAB仿真上具，建立了具有饱和特件的IPMsM模型，及基于空间矢量脉宽调制(sVPwM)控制方法的考虑饱和补偿的前馈解耦调速控制系统模型，实现了恒转矩和恒功率运行范围的系统仿真、仿真结果表明采用该拧制力法可有效提高调速系统的跟随性、鲁棒性和精确度。   关键词：解耦控制；交叉饱和；内置式永磁同步电机0 引 言永磁同步电机(PermanentMagnetsvn

2、chm_nousMotor，PMsM)具有能量密度高、效率高、可靠性高、体积小、结构简单等优点，其在航空航天、数控加工、电动汽车驱动等领域已得到了广泛应用[1-3]。根据永磁体在转子侧安装位置的不同，可将电机分为表面式PMsM和内置式PMsM(InnerPMsM，IPMsM)。IPMsM存在磁阻转矩，提高了恒转矩区的转矩输出能力，并且拓宽了恒功率区的速度运行范围，更符合电动汽车使用要求。   PMsM是一个多变量、强耦合、非线性的系统，交叉饱和、耦合等多种冈素的影响使电机的控制性能和精度不理想[5]。本文在对考虑饱和的电机参数和PMsM的数学模型分析的基础

3、上，利用MAATLAB建市了具有饱和特性的电机模型。   采用每安培最大转矩和弱磁控制策略，在调速控制系统加入跟随电机参数变化的解耦控制模块，实现考虑饱和补偿的优化控制，并与没有饱和补偿的控制系统模型进行比较。最后，基于MAT—LAB建立系统仿真模型，仿真结果表明改进后的系统具有较快的响应时间，拓宽了高速区的范围，提高了低速区的输出转矩。   1 IPMsM数学模型   以坐标旋转变换为基础的PMsM矢量控制，在dq同步旋转坐标系下实现了类似直流电机的控制性能。其稳态运行时的数学模型等效方程如下。    2 电流控制策略   为了充分利用磁阻转矩，IPMs

4、M运行在恒转矩区，采用每安培电流最大转矩控制策略。该方法使逆变器的输出电流最小，减小了逆变器和电机的损耗，降低了系统的整体损耗，节约了能量；并且可以顺利过渡到弱磁控制，改善电动机恒功率运行时的输出转矩性能。随着速度的提高，电压随之增加，当电机转速升到转折转速时，转矩输出最大且电压电流均达到极限值，此时，电机运行在如图1所示的A点。   若电机继续升速，则进入到弱磁运行区域。   根据弱磁控制(FIux—weakening)原理，通过增加去磁电流Id，减小直轴磁链来维持高速运行时电压平衡，达到弱磁扩速的目的。弱磁控制可分两种方式：(1)如图1所示，电机在A点

5、时输出最大转矩，若升速则以减小转矩为代价，电流轨迹沿电流圆逆时针方向向下即为Ac段运行轨迹；(2)如果电机没有达到最大转矩时(如D点)进入到弱磁状态，则电机可以恒转矩运行到F点，若继续提高转速，则转矩随之降低，沿Fc段轨迹运行。cE段为最大功率弱磁区域，只有电机的弱磁ξ=LDig/ψ1>l时才存在，理论上速度可以达到无穷大，此时输出转矩为零。    3 磁路饱和影响及电感参数补偿在IPMsM中，有效气隙小，电枢反应磁场的作用使磁阻发牛很大变化，d轴电感和q轴电感不相等，转子结构不对称，存在磁路交叉饱和影响。由于d轴位十永磁体的轴向位置，如图2所示，且永磁体

6、的磁导率接近于空气磁导率，所以q轴的有效气隙比d轴有效气隙小，冈此电枢反应引起的磁饱和主要存在于q轴。根据有限元软件分析得到的d、q轴电感随电流的变化如图3所示，d轴电感值相对稳定，q轴电感值随q轴电流增加而明最减小。    由于q轴电流与转矩成线性关系，在恒转矩区，交叉饱和作用使g轴电感变小，凸极率下降，所以电机输出转矩冈饱和作用也会降低。在低速运行区，采用每安培电流最大转矩控制策略，电机的电感参数分别采用额定运行的恒值和图3所示的电感随电流变化的非线性值。电机转矩和机端电压输出曲线如图4所示，可以看出磁路交叉饱和对电机特性的影响，考虑交叉饱和时电机输出

7、转矩和机端电压均降低，凶此需要对电机的饱和影响进行补偿。    在高速区，即弱磁区域，由于电流圆的限制，随着去磁电流Id的增加，Iq不断减小，磁饱和作用降低。但是，随着d轴电流的不断增大，d轴电感值略有下降，凸极率增加，则电机的转矩输出能力略有提高。   为了更好地发挥电机固有的输出能力，在控制系统中利用插值法进行补偿。考虑饱和补偿和没有考虑饱和补偿的转矩速度特性曲线如图5所示。从图中可以看出考虑补偿的控制力式不但拓宽了高速区运行范围，还提高了电机输出转矩。   4 电流解耦环节由式(I)可看出d轴和q轴反电动势相互耦合，即ud、uq不能独立控制id、iq

8、，属于典型的非线性系统。由式(1)可知，在低速时，耦合影响小，而在