永磁同步電機的弱磁控制及工程應用

韓鳳喜，陳 萍，羅情平，韓承斐，馬法運

（1．青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

1 弱磁原理

永磁同步電機（PMSM）的勵磁磁動勢由永磁體產生，無法調節，需通過調整電機定子電流增加定子直軸去磁電流，方可維持高速運行時電機電壓的平衡穩定，達到弱磁擴速的目的[1-2]。在參考同步坐標系下，PMSM的電壓方程如下：

式中：ωr為永磁電機電角速度，ψf為永磁體磁鏈。

永磁電機端電壓矢量幅值的最大值Umax滿足以下不等式：

忽略定子電阻Rs，永磁電機電壓方程簡化為：

將方程組（3）代入不等式（2），得出：

另外，永磁電機電流合成矢量幅值最大允許值Imax滿足以下不等式：

式（4）至式（6）的電流軌跡，如圖1所示。

圖1 PMSM電流軌跡

以往的永磁同步電機弱磁控制采用雙電流環弱磁控制方法[3]，如負直軸電流補償法本質上為加入弱磁控制器給定id、iq的目標值。在直流側電壓約束下，隨著永磁同步電機轉速逐漸升高，可運行的弱磁區域逐漸變小；對應圖1中Umax的面積逐漸縮小，轉矩曲線與Umax的交集逐漸變小；id和iq耦合增強。多個調節器相互影響，降低了永磁電機的響應速度。雙電流弱磁控制較難保證永磁電機高速性能，是這種控制策略的固有弱點[4]。

為了應對雙電流環弱磁控制的缺點，采用交直軸電流解耦的單電流環弱磁控制方法。這種弱磁控制方法只有一個電流控制環路，進行單d軸電流弱磁控制或者單q軸電流弱磁控制（CCR-VQV），從而不存在兩個電流控制環相互耦合的問題。CCR-VQV弱磁控制方法動態調節交軸電壓目標值，簡單易行，工程實現和使用方便。CCR-VQV弱磁控制方法具有更好的深度弱磁能力。PMSM電流閉環控制框架如圖2所示。

圖2 PMSM電流閉環控制框圖

2 再生弱磁

針對再生工況，PMSM在沒有轉矩外環的情況下，進行單d軸電流弱磁控制系統不穩定，需要進行單q軸弱磁控制。單q軸弱磁控制原理和單d軸電流弱磁控制相同，不再詳述。控制框圖如圖3所示。

圖3 PMSM再生工況方波單電流環控制框圖

q軸電流調節器控制uq，計算得到ud。牽引和再生弱磁之間的切換以iq為判據，如圖4所示。

圖4 牽引弱磁與再生弱磁切換判據

切換過程中，需要控制積分器幅值。牽引進入再生時，給q軸電流調節器積分器幅值為2uc/π；再生切牽引時，給d軸電流調節器積分器幅值為0。

3 工程實現方式

實現過程中，為了順利切入弱磁，需設定弱磁切換標志位。當電機的電壓合成矢量小于逆變器輸出最大電壓（即調制度m＜1）時，則令弱磁標志位為0，采用MTPA控制；當電機的電壓合成矢量大于逆變器輸出最大電壓（即調制度m＞1）且iq＞0時，則令弱磁標志位為1，進入牽引弱磁，采用CCR-VQV單電流環控制，控制d軸電流；當電機的電壓合成矢量大于逆變器的最大輸出電壓（即調制度m＞1）且iq＜0時，則令弱磁標志位為2，進入再生弱磁，采用CCR-VQV單電流環控制，控制q軸電流。

為了順利退出弱磁，設定id/iq比值判據。當id/iq＞k時，則退出弱磁；當id/iq＜k時，則不退出弱磁。其中，k為進入弱磁時id和iq的比值。

弱磁控制中的PI參數給定和MTPA控制中相差較大。通過實驗得到如下規律：采用改進型CCR-VQV策略進行PMSM控制時，應取正常大小的比例參數和相對較大的積分參數，以確保系統的動態響應特性；當增大電機輸出轉矩時，適當減小電流控制器中的比例和積分參數，以減小控制系統的超調量。

4 實驗結果分析

4.1 實驗說明

試驗平臺由一臺永磁同步電機和陪侍電機構成，同時使用VVVF箱作為主控逆變器。為試驗方便，設定進弱磁調制度為0.2。在平臺低速下驗證弱磁算法關鍵技術點：牽引工況單d軸弱磁控制試驗、再生工況單q軸弱磁控制試驗、牽引與再生工況弱磁切換試驗。

牽引工況單d軸弱磁控制：給定PMSM q軸電流指令30 A，d軸電流指令根據MTPA控制給定，逐漸增加平臺轉速，使PMSM進入弱磁控制。進入弱磁控制后，轉速每增加100 r/m，d軸電流指令減小35 A。在弱磁區運行一段時間后，降低平臺轉速，退出弱磁控制。

再生工況單q軸弱磁控制：給定PMSM q軸電流指令-50 A，d軸電流指令根據MTPA控制給定，逐漸增加平臺轉速，使PMSM進入弱磁控制。進入弱磁控制后，轉速每增加100 r/m，q軸電流指令保持不變。在弱磁區運行一段時間后，降低平臺轉速，退出弱磁控制。

牽引與再生工況弱磁控制切換：電機運行在牽引工況，逐漸減小單d軸弱磁控制的d軸指令絕對值，使電機進入再生制動工況單q軸弱磁控制。

4.2 實驗結果

圖5為牽引工況單d軸弱磁控制試驗結果，依次為q軸電壓uq，q軸電流ud，d軸電流id，d軸電壓為iq。進出弱磁平滑，切換過程完全無電流沖擊。進入弱磁后，電流控制良好。其中，弱磁控制dq電流有紋波，其反應的是平臺轉速振蕩，因為平臺轉速由異步電機開環控制而有波動，造成電流指令波動。

圖5 牽引工況弱磁控制

圖6為再生工況單q軸弱磁控制試驗結果，依次為q軸電壓uq，d軸電壓為ud，d軸電流id，q軸電流iq。再生工況下，能夠順利進入弱磁控制。進入弱磁控制后，電流控制效果良好，能夠平滑退出弱磁而完全無電流沖擊。

圖6 再生工況弱磁試驗

圖7 為牽引與再生工況弱磁控制切換試驗結果，依次q軸電壓uq，d軸電壓為ud，d軸電流id，q軸電流iq和弱磁標志位。其中，弱磁標志位從10變為20，說明這電機從牽引弱磁進入再生弱磁。切換過程中，iq從正到負變化平滑。試驗結果表明，完成了牽引弱磁與再生弱磁控制的切換。

5 結 論

通過以上實驗可以看到，在采用新型弱磁控制策略和新型方波弱磁優化方案后，PMSM電機的直軸電流和交軸電流跟蹤精確，達到了工程應用的要求，且其控制方案便于實施，為相關工程應用提供了范例。

圖7 牽引與再生工況弱磁切換試驗