永磁同步電機控制技術在城軌牽引系統中的應用

中車永濟電機有限公司技術中心 王 彬 張瑞峰 牛劍博

永磁同步電機控制技術在城軌牽引系統中的應用

中車永濟電機有限公司技術中心 王 彬 張瑞峰 牛劍博

為實現永磁同步電機全速度范圍內的穩定運行，在額定速度以下采用最大轉矩電流比(MTPA)控制策略，額定速度以上采用單電流調節器的弱磁控制策略。該控制方法實現了高精度轉矩控制，擴寬了轉速運行范圍，直流母線電壓利用率高。搭建了基于永磁同步電機的地鐵試驗平臺，試驗結果驗證了本文所采用方法的有效性。

永磁同步電機；最大轉矩電流比控制；弱磁控制

0 引言

城市軌道車輛具有客運量大、站間距離短、行車密度大的特點，其牽引系統性能直接決定車輛運行質量、運行安全及對能源的消耗。初期的城市軌道車輛牽引系統采用直流電機牽引系統，隨著電力電子技術及相關矢量控制技術的進步，異步電機牽引系統廣泛應用于城市軌道車輛牽引系統中。近些年，永磁同步電機憑借體積小、質量輕、功率密度大，功率因數高和效率高等優點受到廣泛關注，而永磁材料成本的降低和性能的提高使永磁電機牽引系統得以在城市軌道車輛牽引系統應用[1-4]。

本文針對某地鐵永磁同步電機牽引控制系統，對其矢量控制、弱磁控制和牽引系統結構進行分析研究。永磁同步電機在額定轉速以內采用最大轉矩電流比控制，在額定轉速以上采用基于單Q軸電流調節器的弱磁控制。最后在地鐵聯調試驗平臺對180kW的永磁同步電機進行了試驗，試驗結果驗證所采用方法的有效性。

1 永磁同步電機驅動控制技術

1.1 永磁同步電機數學模型及穩定工作點分析

永磁同步電機的穩態電壓方程可表示為：

式中，Rs為定子電阻；ud，uq為d、q軸電壓分量； id，iq為d、q軸電流分量；Ld，Lq為d、q軸電感分量；ωs為永磁同步電機同步角速度；ψf為永磁同步電機永磁體磁鏈幅值。

在電流id-iq平面上，永磁同步電機關鍵曲線軌跡如圖1所示。圖中深藍色曲線為最大電流限制圓，棕紅色曲線為等轉矩曲線，綠色曲線為電壓限制橢圓曲線，MTPA曲線為最大轉矩電流比曲線，MTPV曲線為最大轉矩電壓曲線。全速度范圍內，當電機轉速低于額定轉速時，采用恒轉矩控制，電流工作點位于點A上；當電機轉速高于額定轉速時，采用恒功率控制，電流工作點位于曲線AF上。

圖1 電流平面上I P MS M關鍵曲線軌跡

額定轉速以下時，當轉矩變動時，電流工作點位于轉矩曲線與MTPA的交點，如圖中轉矩曲線Te.1與Te.2和MTPA曲線的交點A’和C；額定轉速以上時，恒轉矩變轉速工況，以轉矩Te.1恒定、轉速由ωr.1升速為ωr.2為例，電流工作點沿A’B曲線移動；額定轉速以上時，恒轉速變轉矩工況，以轉速ωr.2恒定、轉矩由Te.1減小為Te.2為例，電流工作點沿曲線BC移動。

1.2 永磁同步電機MT P A控制

最大轉矩電流比(MTPA)控制，即在給定轉矩的情況下，最優配置交直軸電流分量，使定子電流最小，達到單位電流下電機輸出轉矩最大。最大轉矩電流比控制可以減小電機銅耗，提高運行效率，從而使整個系統的控制得到優化。得到MTPA曲線的步驟如下：

1) 構造拉格朗日函數

其中λ為拉格朗日乘數；

2) 根據拉格朗日函數聯立相應偏導數方程組

3) 求解參數λ，進而得到電流id和iq之間關系

通過公式(4)可以進一步得到電流id、iq和轉矩Te的關系。

1.3 永磁同步電機弱磁控制

當永磁同步電機在高速運行時，只能通過調節定子電流中直軸去磁分量來維持高速運行時的電壓平衡，實現弱磁擴速。圖2為永磁同步電機單電流弱磁策略框圖。

圖2 永磁同步電機單電流弱磁策略框圖

從圖2可知，在單電流調節器弱磁控制下有三個控制環節，首先由調節出的電流指令通過前饋環節給定初始d、q軸電壓；然后考慮到電機參數理論值與實際有一定偏差，系統有損耗及相關延時情況下，q軸電流無法進行穩定跟蹤，通過加入q軸電流調節器進行相應誤差補償與提高其電流響應特性；最后，在弱磁工況的電壓幅值限制條件下，依據之前環節調節出的d軸電壓分解出q軸電壓并通過硬件實現施加電壓于電機端。

2 城軌永磁同步電機牽引系統結構

城軌永磁同步電機牽引變流器主電路如圖3所示：

圖3 變流器主電路

該牽引變流器同時控制4臺永磁同步電機運行，變流器參數如表1所示：

表1 變流器參數

所控制的永磁同步電機額定功率180kW，額定電壓AC1000V，額定電流116.4A，電機極數為8，額定轉矩859.4N·m，額定頻率133.3Hz，額定轉速2000 r/min，最高轉速4250r/min。

3 試驗結果與分析

永磁同步電機全速度范圍下牽引制動的試驗波形如圖4所示。

圖4 永磁同步電機全速度范圍運行波形

圖4中，波形由上而下分別為逆變器脈沖、斬波脈沖、U相電流、V相電流、直流母線電壓和線電壓。電機由牽引狀態轉成制動狀態時，母線電壓升高，斬波模塊開始運行。

4 結論

本文針對永磁同步電機牽引控制系統展開研究，設計出完整硬件平臺，對永磁同步電機控制采用MTPA控制與單Q軸電流調節器弱磁控制結合的方法，實現永磁同步電機全速度范圍內的穩定運行。試驗結果驗證了所采用方法的有效性。

[1]馮江華．軌道交通永磁同步牽引系統研究[J]．機車電傳動,2010,(05)：15-21．

[2]王詩琦．基于TMS320F28335的永磁同步電機矢量控制系統設計[D]．大連理工大學,2014．

[3]張伯澤,阮毅．內嵌式永磁同步電機最大轉矩電流比控制研究[J]．電機與控制應用,2015,(02)： 13-15．

[4]羅德榮,杜超,黃守道,郭燈塔．SPMSM非線性調制 區域弱磁控制策略[J]．微電機,2013,(09)：44-48．

王彬（1978—），男，高級工程師，現從事大功率交流傳動控制相關研究和管理工作。

山西省重點研發計劃重點項目（201603D111003）。