永磁同步电机的弱磁控制与仿真

永磁同步电机的弱磁控制与仿真摘要：随着永磁同步电机在新能源电动汽车等领域的应用越来越多，永磁同步电机调速系统的研究也越来越重要。为了让永磁同步电机获得基速以上的更高的调速范围，或者在低速运行时有更大的转矩，就需要弱磁控制调试。介绍弱磁控制的原理以及策略。2在MATLAB/Simulink中构建课题所提出的弱磁控制策略模型，对所需的各部分模块进行搭建，并进行实验验证。关键词：永磁同步电机，弱磁控制一.绪论1.1课题研究的背景与意义上世纪80年代，永磁同步电机的控制策略得到了快速发展，永磁同步电机受到了越来越多的行业的喜爱，并在各个行业大放异彩。如今，新能源领域的不断得到人们的重视，发展迅速，当今全球各国为了解决全球变暖、能源浪费和环境污染等问题严峻问题，都意识到汽油车需要被尽早替代，而作为替代品的电动汽车开发，便成了各国的重点关注对象。而电动机的选择，以及调速控制的设计也是影响新能源或电动汽车特性的关键因素之一，相比于其他的电励磁电动机而言，永磁同步电机具有更简单的结构与更低的损耗，它不需要使用电励磁，而是依靠自身的永磁体，所以运行更加可靠和简单。但随着永磁同步电机在新能源汽车领域得到广泛应用后，人们对永磁同步电机的性能有了更高的要求。最开始永磁同步电机的MTPA控制策略虽然能大大降低电机和逆变器的损耗，能让电机在恒转矩区成功调速，但如今需要永磁同步电机在更多环境下实现更高效的运行，于是能让永磁同步电机拥有更高转速和更多带载能力的的弱磁控制策略诞生了。20世纪80年代，以Brigette Sneyers和Thomas m.jahns[1]为代表的学者开创提出了永磁同步电机弱磁控制理论。他们将原本在三相静止坐标系下的电机电流通过坐标转换为dq轴坐标系下，并以此分析电机特性。在此基础上，提出了定子电流工作点的概念，探讨了在d-q坐标系下确定电流MTPA曲线的方法。然后，分析了限制电压对工作点的约束和影响，当转速达到一定极限时，工作点落在限压环外，使定子侧的实际电流无法跟踪指令值。然而，当时的弱场控制还处于起步阶段，弱场控制理论及其基本规律还不能得到详细而全面的阐述。随后，永磁同步电机的弱磁调速策略逐渐进入人们的视野，并逐步形成完善的系统。目前，弱磁调速系统已广泛应用于各个行业，尤其是新能源电动汽车行业，且弱磁调速已成为目前提高电动汽车性能的重要理论依据和应用的研究方向[2]。1.2永磁同步电机控制理论的发展在控制技术还不够完善的初期，永磁同步电机控制技术还是以恒压频比控制为主，与现在的电机的闭环控制需要反馈信号来对电机电流电压进行调控不同，恒压频比是一种开环控制方式，不需要反馈信号，所以是一种较为简单和成本低廉的控制方式。不过开环控制也存在着弊端，就说难以实现高标准的稳定运行，电机的控制精度低且效率一股。正因为存在这些问题，所以恒压频比控制一般只能运用在风机、水泵等器械上。在现代的闭环控制能够选择的控制方法之中，被广发接收的方法大致可以分为三种：矢量控制、摸型预测控制和直接转矩控制矢量控制技术理论(FOC):早于20世纪60年间，伟大的德国学家Hasse正式首次明确提出了向量操控的基础理论。而著名德国学家Blasclke则于1917年经过自己的理论研究后，在他的文章中指出了一条全新的研究方向一运用矢量控制技术理论来解决电动机的转矩控制问问题，也便是三相电磁系统基础理论的建立。而矢量控制理论，作为当今人们最耳熟能详的控制策略之一，其根本原理在于使电动机转子电磁定向，进而形成同步转动的d-q坐标系统，使转动的三相电机数学模型转换成静止的二相数学模型。利用坐标转换，可以把三相交流电转换成两相q轴电压以达到解耦的目的，这样就可以把交流电动机的控制器近似认为是直流电机控制器，并依次对励磁电流和转矩电压实行解耦调节，以达到电动机调速驱动。在各个领域被广泛接受的矢量控制可以主要是以下几种，最大转矩电流比控制(MTPA)是最主要也最常用的，其他还包括单位功率因数控制(c0s日=1)和id=0控制。单位功率因数控制是通过定子电流，使电机无功一直为0，也就是c0s日=1。系统不输出无功，能够大幅度提高效率节约能源。d=0控制是使定子电流只剩下交轴分量d,如此就将直流去磁作用从电枢反应中剥离，避免由于直轴去磁电流带来的退磁现象。只需要控制交轴电流为所需值就可以得到需要的转矩，这样既降低了能力损耗也减小了电流。最大转矩电流比控制最主要的思想就是在所需的电子转矩下找到能产生对应效果的最小定子电流，而凸极式的永磁同步电机控制方法大多数就是采取MTPA。利用对交、直轴上电压分量的分别调节，就能够充分利用从d轴产生的高磁阻转矩，使电动机和逆变器之间的能量消耗减少以达到更高效的运行，而这也正好契合了电动车高转矩的要求。矢量控制能够做到对电机电流的精准控制，这有益于在矢量控制的基础上实现弱磁控制，这也是本文所重点研究的内容。直接转矩控制(DTC):在20世纪80年代，德国学者Depenbrock M和日本学者Takahashi I同时提出了直接转矩控制策略，并将这种控制策略运用到了永磁同步电机控制中。这种方式要求检测电机定子电压电流，并在ABC三相静止坐标系中实现电机的转矩和磁场的直接控制。通过这种直接控制避免了电流解耦的问题，不再需要像矢量控制那样将电流在不同坐标之间通过公式转换，控制系统也比较简单。不过也因此，直接转矩控制策略难以实现对电流的高情度控制，这也使得其不能实现更深层次的弱磁调速模型预测控制(MPC):模型预测控制的概念很早就出现，但是模型控制理论运用到电机控制领域还是在数字电子和微处理器技术得到比较全面发展之后，直到2004年模型控制理论才正式运用到永磁同步电机控制。模型预测控制是反馈控制的一种，其控制系统基本原理是通过测量获得了当前的受控对象实际输出的测量值，并利用获得的测量值来设计模型，最后再以模拟来预报在未来很长时间内受控对象的各参数。只需要在之后不断重复这个过程，就能实现摸型预测控制。模型预测控制系统可以完成多目标和多约束同时由于其控制简单、稳定性较好，因此在电力控制系统领域中达到了难以忽视的重要地位，也成了未来永磁同步电机控制系统的重点研发方向之一。1.3永磁同步电机的弱磁控制的发展永磁同步电机电流弱磁控制的基本思想来源于他励直流电动机的调磁控制系统。当他励直流电动机的端电压超过峰值以后，就没法再采用调压调速来提升速度，只有采用逐步减少相应的励磁电流，进而减少励磁磁通，以达到在保持电流平衡的条件下，将电机转速提高至基速以上。在弱磁调速理论提出之后，由于其对调速范围的大幅度提高，得到了各国学者的重视。直到今天，弱磁调速系统已经形成了完善的理论，并且在各个领域中得到了广泛的使用。下表列举了永磁同步电机各种弱磁控制方法及比较，通过表中数据可以简单了解弱磁控制的特点。[4弱磁方法优势不足开环控制原理简单，直接规划电流轨无参数鲁棒性，电机参数需迹要在线辨识：算法过程繁琐查表法结构简单，鲁棒性和动态响数据标定工作量大，算法移应能力较高；不依赖参数植性差电压幅值调节不依赖电机参数，弱磁区间无法实现MTPV控制，深度切换快速平滑弱磁区稳定性差梯度下降定子电流轨迹规划合理，能算法复杂实现MTPV控制单电流调节器弱磁阶段对