永磁同步電機矢量控制電流環設計

王健健

（蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

隨著高性能永磁材料的廣泛應用，電力電子技術、微電子技術、傳感器技術與控制理論的飛速發展，永磁同步電機控制系統成為研究領域的熱點，要實現新能源汽車所使用的永磁同步電機穩定且高性能運行，必須要求開發出一套性能良好的永磁同步電機控制技術，目前矢量控制是最普遍、性能優良的一種控制方式。

永磁同步電機進行高性能矢量控制系統是一個包含位置環、速度環和電流環的多閉環系統，電流環作為最內環是矢量控制的基礎，直接影響電機的轉矩控制精度、轉速精度等，并在嚴重情況時可能會導致系統超調甚至失調。電流環性能影響因素很多，比如電流調節器的設計、電機運行時的參數變化、功率器件的傳遞特性等，高性能的矢量控制必須有高性能的電流環。因此，做好永磁同步電機電流環設計工作對于永磁同步電機控制性能起著非常重要的作用。

1 dq軸動態等效電路分析及解耦

在永磁同步矢量控制中，可以將定子三相靜止軸系（ABC）變換為旋轉的軸系（dq），通過對dq軸上的直軸電流id和交軸電流iq的控制，也就直接控制直軸電樞反應磁場和交軸電樞反應磁場，將對電機的矢量控制轉變為對定子電流的控制。定子具有了這種控制功能，就意味著可將永磁同步電機的轉矩控制轉換為對等效他勵直流電動機的轉矩控制。

圖1是在旋轉坐標系下永磁同步電機的動態等效電路，其d、q軸定子電壓方程如下：

式（1）中，ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為dq軸上的等效電壓、電流、電感，dq軸上的等效電阻為Rs，ωr為電源電角速度。

由式（1）可以看出，在同步旋轉坐標系dq軸中，電流之間存在著耦合項，耦合項中包含電感參數。在實際的控制系統過程中，由于飽和效應的響應，電感參數會隨著電流的變化而變化，特別是在高速動態加減載的時候，電流環急劇惡化，導致電流震蕩，嚴重時候會導致控制發散。在這種情況下電感設定一個恒定值就無法實現電流的完全解耦，從而影響永磁同步電機的控制性能。

根據上述分析需要，為了提高電流環的動態響應能力，分別從d、q軸對電流環進行解耦，其耦合項分別為：

2 電流環設計

2.1 典型1型系統分析

控制系統的開環傳遞函數都可表示成如下：

分母中的sr表示系統在s=0處有r重極點。為3或者以上的系統很難穩定，而r為0的系統穩態精度低。因此，在電機控制中，把2型系統作為速度環設計的目標，把1型系統作為電流環的設計目標。典型1型系統，其開環傳遞函數為：

其中，T為系統的慣性時間常數，它往往是控制對象本身固有的參數，K為系統的開環增益。

2.2 電流環設計

對定子電壓進行解耦得到永磁同步電機的等效結構圖后就可以進行電流環的設計，在進行電流環設計時，一般可以采用零極點對消，將電流環校正成1型系統，以q軸為例介紹電流環的設計過程：

圖1 永磁同步電機d-q軸動態等效電路Fig.1 Dynamic equivalent circuit of d-q axis of permanent magnet synchronous motor

圖2 q軸電流環動態結構圖Fig.2 Q Axis Current ring dynamic structure diagram

圖2是q軸電流環的動態結構圖，其中Tf為數字控制帶來的電流環等效延遲時間，1/Tfs+1為數字控制與發波的傳遞函數，1/Lqs+Rs為控制對象的傳遞函數。

在數字控制中，必須至少保證控制器的延遲時間小于被控對象時間常數，只有在這種情況下，才可能對永磁同步電機進行有效控制。因此，對電流環來說，須滿足以下條件：

把電流環校正成典型1型系統，采用PI調節器，其傳遞函數為：

式（6）中，Kc為電流調節器的比例系數；τc為電流調節器積分時間常數。因此，選擇電流調節器參數，令：

則調節器的零點對消掉了被控對象的極點，得到q軸電流環傳遞函數為：

式（8）是一個典型的二階系統，它的標準形式為：

圖3 200KW電機驅動器Fig.3 200KW Motor Driver

式（9）中，ξ為阻尼比，ωn為無阻尼自然振蕩角頻率。通過比較，可以得到式（10）：

通常取ξ=0.707。至此，q軸電流環設計完成，而以上設計方法對d軸電流環也是完全適用的。因此，這里只給出d軸電流環最后的設計結果如式（11）：

3 實驗及結果分析

實驗硬件平臺使用TI公司的TMS320F28335型DSP為主控單元，驅動器功率200KW，使用500V直流供電，峰值電流500A，樣機如圖3所示。

實驗電機為150KW峰值扭矩為1600N.m的新能源大巴車永磁同步電機，樣機如圖4所示。

圖4 150KW永磁同步電機Fig.4 150KW Permanent magnet synchronous motor

圖5 根據本文電流環設計的q軸電流波形Fig.5 Q-axis current waveform designed according to current ring in this paper

圖6 沒有解耦手動調節電流環參數q軸電流的波形Fig.6 No decoupling manually adjusting the waveform of the Q-axis current of the current ring parameter

實驗時，當在轉速達到3000rpm的時候用腳猛踩油門踏板，實現快速的加載與減載。在后臺觀測q軸電流的給定值與反饋值，如圖5和圖6所示，其中黃色為q軸電流設定值，紅色為q軸電流反饋值。圖5為使用本文設計的電流環參數運行曲線，其電流波動在±0.9A。圖6為手動調節的效果較好的電流環參數，其電流波動在±6A。由此可見，本文設計的電流環參數效果比較理想。

4 結語

本文對永磁同步電機的電流環進行了詳細分析，把電流環設計成典型1型系統，根據零點對消計算出了電流環的參數，并對計算出的參數進行了實驗驗證，結果顯示，采用本方法計算出的電流環參數可滿足永磁同步電機高性能的矢量控制。