矢量控制技術在礦用永磁同步電機車上的應用研究

盧如意，鄭昌陸，耿宇翔

（1.中煤集團大屯煤電公司機電部，江蘇 徐州 221611；2.上海申傳電氣股份有限公司，上海 200072；3.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

0 引言

蓄電池電機車是全國各煤礦主要使用的運輸設備，目前，全國煤礦使用的驅動裝置主要采用直流電動機，直流電動機存在電刷損害率高、維護成本高、安全性能低等缺點[1]，已經成為制約煤礦現代化技術升級的重要因素。而交流電動機可以很好的避免這些現象。

永磁同步電動機（PMSM）較異步電動機具有響應速度快、效率高、功率密度大等優勢，在煤礦上低電壓應用的優勢就更加明顯了。相比直流電動機和異步電動機，具有的優點有： 維護費用將大幅度降低，節約大量的人力和財力；更加節能，永磁同步電動機以高效節能著稱，可以實現電氣制動功能，安全性能也得以大幅度提高。傳統的直流電動機制動依靠機械閘摩擦力使機車減速，存在安全隱患，采用永磁同步電動機可以實現電氣制動功能，在節能的同時增強了安全性。因此，永磁同步電動機在礦用蓄電池電機車上的應用具有更廣闊的發展前景。研究矢量控制永磁同步電動機具有非常重要的意義。

1 永磁同步驅動系統在電機車上的控制原理

近二十多年來，隨著電動機的矢量控制、直接轉矩控制等技術的問世和計算機人工智能技術的進步，電動機控制理論和控制技術上升到一個新的高度。目前，永磁同步電動機調速系統主要以矢量控制為主。

永磁同步電動機矢量控制技術的核心思想是將永磁同步電動機放在一個同步旋轉的坐標系下，從永磁同步電動機中獲得了直流電動機的控制規律，這樣勵磁分量和轉矩分量就是相互獨立的，因此永磁同步電動機的控制方式得到了簡化。

式（1）為永磁同步電動機的輸出轉矩公式，從式（1）中能夠發現，當轉子磁鏈ψr、定子繞組的直軸電感和交軸電感Ld，Lq確定以后，電機轉矩就與id和iq相關。而電機的轉速與轉矩與一定的id*和iq*相對應，所以，當控制id*和iq*時，就可以實現對轉速與轉矩的控制。通過PI 控制使id和iq跟隨指令值id*和iq*，可以快速精準實現對永磁同步電動機轉速和轉矩的控制。

由于實際饋入電樞繞組的電流是三相交流電流iA、iB、iC，因此三相電流的指令值必須由下面的變化從id*和iq*得到：

2 永磁同步驅動系統在電機車上的控制策略分析

矢量控制中電流的控制是很重要的，而電流的控制策略有很多種，電流的控制策略和轉子的幾何結構影響著PMSM 的性能和驅動器的容量[2]。PMSM 的電流控制方式主要有以下幾種： id=0 控制、cosφ=1 控制、轉矩電流比最大控制、恒磁鏈控制等。

本系統根據煤礦電機車的應用特點，采用了轉矩電流比最大控制方式。與其他電流控制策略相比，該控制策略是滿足永磁同步電動機輸出轉矩一定的情況下，通過減小PMSM 的銅損耗，最大幅度的降低定子的電流。因此，相對來說，就可以減小驅動器的容量，達到降低成本的效果。在基頻以上運行時，需要通過弱磁控制達到改善PMSM 高速運行的性能的目標。當然，轉矩電流比最大控制模式的缺陷是隨著轉矩輸出的變大功率因數下降較多。但是針對煤礦電機車的應用實際，以及直流電機、異步電機來說，永磁同步電動機的功率因數還是遠遠大于前兩者的。

圖1 PMSM 矢量控制策略框圖Fig.1 PMSM vector control strategy frame

圖1 為PMSM 矢量控制的原理圖。PMSM 定子電流是三相交流電流ia、ib和ic，要實現轉速和轉矩的控制，就需要轉換成dq 坐標軸系下的反饋電流值id和iq為：

PMSM 矢量控制調速系統的控制過程由以下幾個步驟組成：

（1）經過位置和速度檢測傳感器檢測出轉子的角度θ，就可以得到相對應的實時轉子角速度ωr。

（2）通過霍爾傳感器檢測流入PMSM 電樞電流ia和ib，經過空間坐標變換后得到反饋值id和iq。

（3）將反饋得到的實際轉速和轉速指令值進行對比，通過PI 控制器得到q 軸電流指令值。

（4）通過控制d 軸電流的指令值，把dq 軸電流的指令值與反饋值進行對比，然后通過PI 控制器，得到dq坐標系下的ud和uq值，經過坐標變換后，得到靜止坐標系的uα和uβ值。

（5）利用矢量合成法則，由uα和uβ的空間矢量合成得到確定的扇區，總共有6 個扇區。相鄰電壓矢量和零矢量依次導通時間可以由公式計算得到。然后，得到的計算值通過設置數字信號處理器的三個全比較單元的比較寄存器值[3]，產生PMSM 驅動器的脈沖波形。

3 永磁同步驅動系統Matlab 仿真研究

蓄電池電機車調速系統轉速控制的要求有三個方面：加速，穩速，減速。閉環調速系統可以獲得比開環調速系統硬的多的穩態特性，能夠大幅提高調速范圍和精度。

圖2 的模型是根據矢量控制系統的結構建立的。該模型利用坐標變換原理將PMSM 的電樞電流ia、ib、ic分解成dq 坐標系上的兩個分量id和iq。這樣就可以得到交流電動機磁鏈和轉矩的解耦，可以像調節直流電動機的轉矩和轉速那樣調節PMSM 的轉速和轉矩[4]。

恒負載起動： 速度給定為300rpm，負載轉矩給定值TL=11.9N·m。轉矩限幅值為30N·m，速度PI 調節器的比例系數Kp=50，積分系數Ki=20。

轉速突變時： 速度給定為300rpm，t=0.5s 時，速度給定150rpm，負載轉矩給定值TL=11.9N·m，轉矩限幅為30N·m。

從圖3 中可以看出，電機輸出轉速上升平滑，且能很好的跟隨設定的速度，在調速過程中穩態時精度高，定子三相電流經過很短的時間調整為正弦波。從圖4 中可以看出，0.5s 負載突變時，電機轉速依然保持閉環，很穩定，且轉矩的動態響應很快。

圖2 PMSM 矢量控制Matlab 仿真系統圖Fig.2 PMSM vector control Matlab simulation system

圖3 恒負載起動時的仿真圖Fig.3 Simulation diagram when starting with constant load

圖4 轉速突變時的仿真圖Fig.4 Simulation diagram when speed change suddenly

4 結論

本文提出了一種新的蓄電池電機車調速系統方案，即采用矢量控制型永磁同步調速系統。方案旨在提高蓄電池電機車的調速性能。文中對矢量控制進行了分析，并根據永磁同步電動機的特點，設計了永磁同步電動機的矢量控制策略，并進行了Matlab 仿真，結果證明了矢量控制算法在永磁同步電機式蓄電池電機車上的應用是可行的。

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 鄭寶周. 永磁同步電動機無傳感器矢量控制技術研究[D].鄭州大學，2006.

[3] 王磊.全數字永磁交流伺服研究[D].鄭州輕工業學院，2007.

[4]王沫然. Simulink 4 建模及動態仿真[M].北京：電子工業出版社，2002.