磁路交叉飽和及電感參數(shù)補償?shù)膬戎檬接来磐诫姍C解耦控制

1、磁路交叉飽和及電感參數(shù)補償?shù)膬戎檬接来磐诫姍C解耦控制摘要：分析了磁路交義飽和對內置式水融M步電機(IPMsM)桶速控制系統(tǒng)性能的影響；建立了考慮磁路交叉飽和并對其電感參數(shù)進行補償?shù)目刂扑惴ā＠肕ATIAB仿真上具，建立了具有飽和特件的IPMsM模型，及基于空間矢量脈寬調制(sVPwM)控制方法的考慮飽和補償?shù)那梆伣怦钫{速控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了恒轉矩和恒功率運行范圍的系統(tǒng)仿真、仿真結果表明采用該擰制力法可有效提高調速系統(tǒng)的跟隨性、魯棒性和精確度。    關鍵詞：解耦控制；交叉飽和；內置式永磁同步電機0  引  言永磁同步電機(Permanent

2、 Magnet svnchm_nous Motor，PMsM)具有能量密度高、效率高、可靠性高、體積小、結構簡單等優(yōu)點，其在航空航天、數(shù)控加工、電動汽車驅動等領域已得到了廣泛應用1-3。根據(jù)永磁體在轉子側安裝位置的不同，可將電機分為表面式PMsM和內置式PMsM(InnerPMsM，IPMsM)。IPMsM存在磁阻轉矩，提高了恒轉矩區(qū)的轉矩輸出能力，并且拓寬了恒功率區(qū)的速度運行范圍，更符合電動汽車使用要求。    PMsM是一個多變量、強耦合、非線性的系統(tǒng)，交叉飽和、耦合等多種岡素的影響使電機的控制性能和精度不理想5。本文在對考慮飽和的電機參數(shù)和PMsM的數(shù)學模型

3、分析的基礎上，利用MAATLAB建市了具有飽和特性的電機模型。    采用每安培最大轉矩和弱磁控制策略，在調速控制系統(tǒng)加入跟隨電機參數(shù)變化的解耦控制模塊，實現(xiàn)考慮飽和補償?shù)膬?yōu)化控制，并與沒有飽和補償?shù)目刂葡到y(tǒng)模型進行比較。最后，基于MATLAB建立系統(tǒng)仿真模型，仿真結果表明改進后的系統(tǒng)具有較快的響應時間，拓寬了高速區(qū)的范圍，提高了低速區(qū)的輸出轉矩。    1  IPMsM數(shù)學模型    以坐標旋轉變換為基礎的PMsM矢量控制，在dq同步旋轉坐標系下實現(xiàn)了類似直流電機的控制性能。其穩(wěn)態(tài)運行時的數(shù)學

4、模型等效方程如下。     2  電流控制策略    為了充分利用磁阻轉矩，IPMsM運行在恒轉矩區(qū)，采用每安培電流最大轉矩控制策略。該方法使逆變器的輸出電流最小，減小了逆變器和電機的損耗，降低了系統(tǒng)的整體損耗，節(jié)約了能量；并且可以順利過渡到弱磁控制，改善電動機恒功率運行時的輸出轉矩性能。隨著速度的提高，電壓隨之增加，當電機轉速升到轉折轉速時，轉矩輸出最大且電壓電流均達到極限值，此時，電機運行在如圖1所示的A點。    若電機繼續(xù)升速，則進入到弱磁運行區(qū)域。  &#

5、160; 根據(jù)弱磁控制(FIuxweakening)原理，通過增加去磁電流Id，減小直軸磁鏈來維持高速運行時電壓平衡，達到弱磁擴速的目的。弱磁控制可分兩種方式：(1)如圖1所示，電機在A點時輸出最大轉矩，若升速則以減小轉矩為代價，電流軌跡沿電流圓逆時針方向向下即為Ac段運行軌跡；(2)如果電機沒有達到最大轉矩時(如D點)進入到弱磁狀態(tài)，則電機可以恒轉矩運行到F點，若繼續(xù)提高轉速，則轉矩隨之降低，沿Fc段軌跡運行。cE段為最大功率弱磁區(qū)域，只有電機的弱磁=LDig/1>l時才存在，理論上速度可以達到無窮大，此時輸出轉矩為零。     3 

6、磁路飽和影響及電感參數(shù)補償在IPMsM中，有效氣隙小，電樞反應磁場的作用使磁阻發(fā)牛很大變化，d軸電感和q軸電感不相等，轉子結構不對稱，存在磁路交叉飽和影響。由于d軸位十永磁體的軸向位置，如圖2所示，且永磁體的磁導率接近于空氣磁導率，所以q軸的有效氣隙比d軸有效氣隙小，岡此電樞反應引起的磁飽和主要存在于q軸。根據(jù)有限元軟件分析得到的d、q軸電感隨電流的變化如圖3所示，d軸電感值相對穩(wěn)定，q軸電感值隨q軸電流增加而明最減小。     由于q軸電流與轉矩成線性關系，在恒轉矩區(qū)，交叉飽和作用使g軸電感變小，凸極率下降，所以電機輸出轉矩岡飽和作用也會降低。在低速運

7、行區(qū)，采用每安培電流最大轉矩控制策略，電機的電感參數(shù)分別采用額定運行的恒值和圖3所示的電感隨電流變化的非線性值。電機轉矩和機端電壓輸出曲線如圖4所示，可以看出磁路交叉飽和對電機特性的影響，考慮交叉飽和時電機輸出轉矩和機端電壓均降低，兇此需要對電機的飽和影響進行補償。     在高速區(qū)，即弱磁區(qū)域，由于電流圓的限制，隨著去磁電流Id的增加，Iq不斷減小，磁飽和作用降低。但是，隨著d軸電流的不斷增大，d軸電感值略有下降，凸極率增加，則電機的轉矩輸出能力略有提高。    為了更好地發(fā)揮電機固有的輸出能力，在控制系統(tǒng)中利用插值法進行

8、補償?？紤]飽和補償和沒有考慮飽和補償?shù)霓D矩速度特性曲線如圖5所示。從圖中可以看出考慮補償?shù)目刂屏κ讲坏貙捔烁咚賲^(qū)運行范圍，還提高了電機輸出轉矩。    4  電流解耦環(huán)節(jié)由式(I)可看出d軸和q軸反電動勢相互耦合，即ud、uq不能獨立控制id、iq，屬于典型的非線性系統(tǒng)。由式(1)可知，在低速時，耦合影響小，而在高速時，由于IPMsM的自感相對較大，耦合起了主導作用，使得耦合影響隨著轉速的提高更加明顯，從而嚴重影響弱磁電流和轉矩響  應。要在有些運行狀態(tài)下，解耦之后控制系統(tǒng)性能并不完美，電機飽和也會對控制系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定的影響。在高速

9、時，若假設q軸電感為恒定值，當電流指令變化較大時，由于電機和逆變器的容量有限，會使得機端電壓超過極限值，PI控制器的輸出產(chǎn)生電壓飽和現(xiàn)象，使得控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，采用了電感變化的的饋解耦控制方式對給定電壓進行補償，解耦控制模塊如圖6所示。     5  結果分析    PMsM矢量控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。為了模擬實際的電機模型，在此控制系統(tǒng)中，建立了考慮參數(shù)飽和特性的電機模型，并在控制系統(tǒng)小，利用跟隨電機參數(shù)變化的解耦模塊對電機電壓飽和的影響進行了補償控制。電機參數(shù)如表1所示。   

10、  利用MATLAB對電機調速系統(tǒng)進行了仿真，并對有、無解耦補償?shù)目刂葡到y(tǒng)仿真結果進行比較，如圖8所示。電機空載起動，達到給定速度4 000 rmin后，在t=0.15 s加小負載轉矩Te=5 N·m，電機穩(wěn)定運行后在t=0.2 s時轉速階躍上升到5000 rmin。如圖8(a)所示，采用解耦補償之后，電機的起動轉矩大，起動時間短，響應速度快，轉矩波動小。圖8(b)為速度曲線，解耦補償之后轉速快速上升劍給定值，加負載擾動，速度稍有降低后立即恢復到穩(wěn)定值，動態(tài)性能好，魯棒性好。圖8(c)、(d)為電流響應波形，電流波動小，抗干擾性好，能快速穩(wěn)定。