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永磁同步电机弱磁最优控制策略研究

GONGJinbiao;SHIHuoquan

【摘要】针对永磁同步电机(PMSM)在恒转矩区起动能力差、在恒功率区电流轨

迹不易跟踪等问题,提出基于电压反馈复合电流前馈的定子电流弱磁最优控制策略.

通过判断电流前馈环节达到稳定时所需的电流与采用最大转矩电流比(MTPA)算法

所得电流大小,使定子电流在恒转矩区通过电流前馈作用快速跟踪MTPA曲线,加快

起动;在恒功率区采用电压反馈复合电流前馈的策略,增强系统抗干扰能力的同时最

大化直流母线电压利用率.为了验证该策略的可行性,搭建PMSM仿真模型,构建以

dSPACE1007为核心的试验平台,对其进行仿真和试验,结果表明了该策略的稳定性

和有效性.

【期刊名称】《电机与控制应用》

【年(卷),期】2019(046)004

【总页数】6页(P32-37)

【关键词】永磁同步电机;弱磁控制;最大转矩电流比;电压反馈复合电流前馈

【作者】GONGJinbiao;SHIHuoquan

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】TM341

0引言

内置式永磁同步电机(IPMSM)因其良好的功率密度和工作效率被广泛应用于各种

工业场合[1]。优化的控制策略通过适当控制电流矢量可以实现电机高利用率。在

基速范围内，最大转矩电流比(MTPA)控制策略可以实现铜耗最小化。在需要宽速

度范围运行的应用，比如电动汽车，在弱磁控制策略中利用永磁体励磁，使电机高

速稳定地运行在恒功率区[2]。对IPMSM进行弱磁区控制策略的研究有重要意义。

在传统IPMSM中，不能直接控制磁通量,只能通过去磁效应减弱气隙磁通量d轴

电枢反应电流[3]。通常采用电流前馈、电压反馈或混合弱磁方法扩展永磁同步电

机(PMSM)的运行区域。电压反馈弱磁控制是通过适当的闭环直接控制逆变器输出

电压[4]。文献[5]通过电压反馈研究不同PMSM控制系统在弱磁控制区域的变化，

阐释了弱磁控制特性的参数变化以及转矩限制对弱磁控制的影响。文献[6]提出将

电压利用率作为参考构建电压环，通过闭环中电压反馈信号与给定信号的差值生成

弱磁电流。该方法虽然能调宽电机速度运行范围，但是受外来负载扰动时表现不稳

定。前馈弱磁方法通常被称为基于模型的方法，在PMSM数学模型的基础上，利

用电机参数和直流母线电压来计算电流[7]。基于模型的方法可以提高稳定性和瞬

态响应能力，但对电机参数和运行条件都非常敏感。

针对电机进入弱磁区受电压源逆变器容量限制导致电流调节器易饱和、电流不易跟

踪、响应速度慢等问题，提出电流前馈外加电压反馈的复合弱磁最优控制策略。在

弱磁Ⅰ区通过电流前馈环节快速响应给定控制命令，通过闭合电压环，精确补偿弱

磁电流，降低电流误差；在弱磁Ⅱ区，对d轴电流限幅，通过d轴电流差值补偿

q轴电流，在保证系统稳定性的同时提高电机带载能力。最后通过dSPACE平台

对该策略进行了有效验证。

1PMSM数学模型

采用坐标变换原理，将交流电动机不同的绕组变换为同一坐标系(d-q同步旋转坐

标系)中的绕组，从而可得以下PMSM数学模型[8]。

定子电压方程为

(1)

电磁转矩方程为

(2)

式中:ud、uq——定子电压的d、q轴分量；

R——定子电阻；

p——微分算子；

Ld、Lq——d、q轴电感分量；

id、iq——定子电流的d、q轴分量；

ωe——电角速度；

ψf——永磁体磁链；

Te——电磁转矩；

np——电机极对数。

2弱磁控制原理

2.1电机稳态工作特性

在电机高速运行至稳定状态时，可忽略定子电阻压降[9]，式(1)可以转换为

(3)

对于电压型逆变器驱动的IPMSM，考虑电动机发热等因素，电枢电流is应该被限

制在允许的范围内，则式(4)成立。同时电机运行性能受逆变器输出能力的限制，

则式(5)成立。在逆变器直流侧电压为Udc时，定子线电压基波峰值也可达到最大

值Udc,因此逆变器输出给定子相电压的峰值可达到Ulim[式(6)]。

式中:ism——逆变器电流能通过的最大值；

Ulim