車用IPMSM調速系統控制關鍵技術

王旭斌

（河南交通職業技術學院汽車學院，河南 鄭州 450000）

內置式永磁同步電機 （Interior Permanent Magnet Synchronous Motors，IPMSM）因轉子磁路結構不對稱，交／直軸電感不相等，能夠產生磁阻轉矩，具有高效率、高功率密度、低噪聲、高轉矩電流比、強魯棒性等優點。低速時能輸出恒定轉矩，以適應快速起動等要求；高速能輸出恒定功率，具有較寬調速范圍，適應高速行駛等要求，在電動汽車領域得到了廣泛應用。

以轉速為控制目標的IPMSM雙閉環矢量調速系統主要研究的是起動至設定轉速值的動態轉速跟蹤性、穩定性、擴展性及在設定值下穩態運行時抗干擾性。對轉速控制是基于電磁轉矩的，由電磁轉矩與定子電流關系可知IPMSM調速控制系統實質是對定子電流的控制。由運動方程知，在起動過程或干擾存在下的轉速動態變化時，轉速控制下的輸出電磁轉矩大于負載轉矩，達到穩定設定轉速值時，轉矩／電流迅速穩定到要求值，輸出轉矩和輸出功率趨于穩定。實現IPMSM調速的關鍵控制技術集中于調節器結構及參數、低速轉矩控制和高速弱磁控制策略以及IPMSM電氣參數變化對調速系統的影響。

1 運行特性

在一定的電機電壓下，對電機的控制，歸根是對IPMSM定子電流的控制，因此，電流工作區域及實時運行點是研究對其控制的根本。IPMSM實際運行時的定子電流被限制在允許的范圍內 （考慮到電機發熱和永磁體的去磁程度等原因），因此電機的轉矩也會受到限制。受到逆變器輸出能力及電機絕緣能力的限制，定子電壓隨目標 （參考）轉速ω*的升高而增大，但最終會達到電壓極限。由數學模型表達式，電壓電流限制下IPMSM工作點在電流相平面中曲線如圖1所示［1］，對應外特性如圖2所示。輸出最大轉矩能夠達到的轉速為轉折轉速ωr，也即基速。相對于基速的不同目標轉速將IPMSM運行劃分3個工作區域，電流限制區OA段 （低速，電機端電壓小于SVPWM調制下的逆變器最大輸出電壓恒轉矩運行）、電壓電流共同限制區 （電機沿曲線OA和曲線BC之間的區域運行，弱磁區域I，恒功率運行）和電壓限制區BC段 （深度弱磁區域II，最大功率運行）。另外，在研究電機效率控制時，根據電壓極限橢圓與MTPA曲線關系，將工作區劃分為恒轉矩部分、部分弱磁區和完全弱磁區［2］。電機調速范圍低速受機械摩擦等因素造成電機蠕動和爬行影響，最高轉速ωmax由弱磁能力確定。

圖1 電壓電流限制下的d，q軸平面內的工作區

圖2 外特性曲線

2 控制技術

IPMSM調速系統是通過雙閉環反饋控制實現一定直流母線電壓下，基于性能要求的控制策略計算所需的電磁轉矩、電流及電壓，再通過常用的電壓空間矢量SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）調制技術來完成的。基于矢量控制技術的控制框圖如3所示，關鍵是獲得不同轉速工作區下的電流參考值i*d、i*q。

2.1 調節器

采用電流轉速雙閉環控制可使調速系統在起動瞬態過程中，始終保持電流和電磁轉矩為允許最大值，調速系統以最大加速度運行。當到達穩態時，使電流立即降下來，電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩態運動。調節器的結構及參數將會影響運行性能，內環電流調節器的作用是對電流快速跟蹤，通常采用PI控制。轉速調節器是實現良好調速性能的關鍵環節，對其研究較多，工程上采用PI控制較多。PI參數整定一般基于頻域性能指標求解析值或工程簡化計算出，如調速范圍和負載變化范圍較大，速度環的運行狀況復雜，由比例積分PI工作過程及電機運動方程，往往很難找到一組PI轉速調節器參數使系統在各種狀況下都表現出理想的運行性能［3，4］，這時宜采用分段或智能PI控制或直接智能控制 （滑膜控制、模糊控制、預測控制等）的非線性轉速調節器。電流PI調節器輸出電壓限幅值與電機本身限制電壓也即直流母線電壓有關，轉速調節器輸出根據MTPA控制方法的需要有轉矩、定子電流is或有功電流iq等，其值由電機本身限制轉矩電流確定。PI調節器抗積分飽和采用條件積分法和反計算法結合的方法可縮短調速系統的穩定時間，減小系統的超調量［5］。需指出的是轉速PI調節器參數整定更多是基于表貼式SPMSM id=0下進行的參數整定，對IPMSM很少有公開文獻。對電流調節器，由IPMSM電壓方程，采用前饋補償方式對id、iq解耦，使d，q軸電流控制器可以分別實現線性化，實現系統完全解耦。

2.2 MTPA

為了最大限度利用IPMSM的磁阻轉矩，減小電機損耗，在恒轉矩區常采用最大轉矩電流比 （MTPA）的控制策略，即利用最小的定子電流獲得最大的電磁轉矩輸出。MTPA關鍵是得到電磁轉矩與交直軸電流的關系，通過理論推導計算，交、直軸電流與電磁轉矩之間存在著復雜的函數關系，要準確實現最大轉矩電流比控制比較困難。對MTPA控制的研究主要從兩個方向上進行：含電機參數的MTPA研究與去電機參數的MTPA研究［6］。對于含電機參數的MTPA研究，主要包括查表法、在線計算法 （解析法、轉矩角β求解算法、反饋算法與直接求解算法）［7］、多項式擬合法及結合電機參數辨識的標幺化MTPA控制方法等。在去電機參數MTPA控制的研究方面，包括高頻信號注入法、虛擬信號注入法、步長搜索法、智能控制算法等。

圖3 IPMSM雙閉環矢量控制調速系統框圖

2.3 弱磁控制

受逆變器輸出電壓限制，當起動增速過程中轉速達到基速時，需采用弱磁方法實現轉速擴展。弱磁實際就是在保持電機端電壓不變的前提下，合理分配直軸電流id和交軸電流iq分量。從直軸電流的補償方式來看，弱磁控制策略 （FW）主要分為前饋型、反饋型與混合型。前饋型包括公式計算法、查表法等；反饋型包括基于id負向電流補償、電流超前角β法、電壓反饋法、梯度下降法、單電流調節器法等；混合型主要指結合前饋型與反饋型的綜合控制方法。從控制思想來說這些弱磁算法分為基于電機模型控制和魯棒控制兩大類算法［8］。電機端電壓和電流達到最大值，弱磁擴速能力受兩個參數弱磁率Ldid／ψf和凸極率Lq／Ld的影響是較大的，同時增加弱磁率和凸極率可以明顯提高弱磁擴速。但是，為防止直軸電流過大造成轉子永磁體不可逆退磁，弱磁時需控制d軸電流的安全運行值［9］。

弱磁控制研究除了各弱磁區域下的控制策略外，還涉及區域間的平穩過渡和切換問題，主要有基于轉速、電流及電壓或智能控制技術等方式。弱磁控制是建立在低速控制電流下對定子電流的修正，受電流極限值的約束，需對電流修正值限幅。

2.4 電機參數辨識

從上面分析所述，作為被控對象的IPMSM，電機的自身參數決定影響著工作區的范圍及劃分、調節器參數的整定、低速及高速下MTPA-FW的控制算法實施，特別是在高性能控制下，轉速和轉矩工作范圍寬，其定子電感、定子電阻和轉子磁鏈等參數在長時間運行過程中會發生變化甚至衰減，需考慮磁路飽和的作用，定子繞組自感Ld、Lq參數隨工作電流的變化和轉子永磁磁鏈ψf隨溫度的變化，進而提出了電機的參數辨識方法。采用查表法、最小二乘法及改進、自適應控制、滑模變結構、卡爾曼濾波法、神經網絡法和遺傳算法等智能控制優化算法辨識估算電機實時參數［10-12］。

3 結論

在不同控制目標的調速過程中，調節器獲得轉矩電流期望值，不同轉速區的電流控制策略完成交直軸電流計算分配，控制算法都有基于電機模型控制和魯棒控制兩大類，在高性能調速時，還要設計電機參數辨識估計算法實時修正調節器和控制策略。控制算法在滿足調速性能外，還要考慮對系統硬件計算能力要求。基于最大輸出轉矩要求的控制，低速段多采用變頻變壓恒轉矩控制，高速段采用恒壓變頻的恒功率或最大功率控制，常用的控制采用PI調節器、基速以下MTPA控制、弱磁I區電壓閉環反饋和弱磁II區MTPV弱磁控制相結合，以達到損耗最少、轉換效率最高的目的。