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(Permanent Magnet svnchm_nous Moto
2、r，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上，利用 MAATLAB 建市了具有饱和特性的电机模型。采用每
3、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 MATLAB 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，IPMsM 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
4、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(FIuxweakening)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
5、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 =LDig/1l 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
6、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，
7、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，属于典型的非线性系统。由式(1)可知，在低速时，耦合影响小，而在高速时，由于 IPMsM 的自感相对较大，耦合起了主导作用，使得耦合影响随着转速的提高更加明显，从而严重影响弱磁电流和转矩响
8、应。要在有些运行状态下，解耦之后控制系统性能并不完美，电机饱和也会对控制系统带来不稳定的影响。在高速时，若假设 q 轴电感为恒定值，当电流指令变化较大时，由于电机和逆变器的容量有限，会使得机端电压超过极限值，PI 控制器的输出产生电压饱和现象，使得控制系统不稳定。因此，采用了电感变化的的馈解耦控制方式对给定电压进行补偿，解耦控制模块如图 6 所示。5 结果分析PMsM 矢量控制系统框图如图 7 所示。为了模拟实际的电机模型，在此控制系统中，建立了考虑参数饱和特性的电机模型，并在控制系统小，利用跟随电机参数变化的解耦模块对电机电压饱和的影响进行了补偿控制。电机参数如表 1 所示。利用 MATLA
9、B 对电机调速系统进行了仿真，并对有、无解耦补偿的控制系统仿真结果进行比较，如图8 所示。电机空载起动，达到给定速度 4 000 rmin 后，在 t=0.15 s 加小负载转矩 Te=5 Nm，电机稳定运行后在 t=0.2 s 时转速阶跃上升到 5000 rmin。如图 8(a)所示，采用解耦补偿之后，电机的起动转矩大，起动时间短，响应速度快，转矩波动小。图 8(b)为速度曲线，解耦补偿之后转速快速上升剑给定值，加负载扰动，速度稍有降低后立即恢复到稳定值，动态性能好，鲁棒性好。图 8(c)、(d)为电流响应波形，电流波动小，抗干扰性好，能快速稳定。6 结 语为了模拟实际电机运行状态，本文建立了考虑电机参数饱和特性的 PMsM 模型，在控制系统中采用了跟随电机参数变化的解耦控制算法，拓宽了弱磁区速度运行范围，提高了恒转矩区输出转矩，解决了高速区
