永磁同步電機(jī)IF控制策略轉(zhuǎn)矩匹配特性研究

張文斌, 黃 華

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永磁同步電機(jī)IF控制策略轉(zhuǎn)矩匹配特性研究

張文斌1, 黃 華2

（1.武漢川崎船用機(jī)械有限公司，武漢430084; 2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

IF控制策略是永磁同步電機(jī)的一種無(wú)位置傳感器開(kāi)環(huán)控制策略，IF控制策略的電流幅值影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩匹配和抗擾動(dòng)能力。電機(jī)轉(zhuǎn)速寬范圍變化時(shí)，傳統(tǒng)的恒流頻比控制方式不能很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩匹配。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了根據(jù)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線設(shè)置IF控制電流幅值的控制方式，從而保持IF控制中轉(zhuǎn)矩角不變，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩匹配，維持推進(jìn)電機(jī)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。在永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)本文所提的IF控制方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

永磁同步電機(jī) IF控制策略 轉(zhuǎn)矩角調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩匹配

0 引言

IF控制是永磁同步電機(jī)的一種無(wú)位置傳感器開(kāi)環(huán)控制策略。IF控制中轉(zhuǎn)速是開(kāi)環(huán)的，而定子電流是閉環(huán)控制的。IF控制一般應(yīng)用在無(wú)位置傳感器控制的低速區(qū)，IF控制對(duì)于永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制具有重要意義。

傳統(tǒng)IF控制策略中一般保持電流幅值和頻率的比值恒定，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，需要的定子繞組電流也在增加。然而應(yīng)用在不同場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線不同，恒流頻比控制不能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩匹配能力。比如推進(jìn)電機(jī)中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不是和轉(zhuǎn)速成正比，而是和轉(zhuǎn)速的冪次方成正比。

理清恒流頻比控制的不足之后，本文提出了根據(jù)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線來(lái)設(shè)定電流幅值曲線的IF控制策略?？梢暂^好的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩匹配，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)恒流頻比控制的不足。本文對(duì)這種根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線設(shè)定電流幅值曲線的IF控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 IF控制基本原理

IF控制的主要思想是給定定子繞組電流幅值和轉(zhuǎn)子電角度?？刂破鞯碾娏鲀?nèi)環(huán)根據(jù)給定的電流幅值和轉(zhuǎn)子電角度對(duì)電機(jī)的定子繞組電流矢量進(jìn)行控制。IF控制給定電角度并不是真正的轉(zhuǎn)子電角度，兩個(gè)電角度之間存在相位差。轉(zhuǎn)子實(shí)際電角度可以構(gòu)造轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)系，IF控制給定的電角度可以構(gòu)造給定同步坐標(biāo)系，有的文獻(xiàn)里也稱為虛擬同步坐標(biāo)系。IF控制的基本原理框圖如圖1所示。

由圖1可得，IF控制并沒(méi)有通過(guò)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子電角度，而是使用了給定的電角度。對(duì)定子電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，使用的就是給定電角度。IF控制中的定子繞組電流可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，IF控制中給定電角度和轉(zhuǎn)子實(shí)際電角度之間會(huì)保持一個(gè)相位差。因此說(shuō)這種控制方式是一種無(wú)位置傳感器控制方式。IF控制中給定電角度和轉(zhuǎn)子實(shí)際電角度的相位關(guān)系如圖2所示。

在圖2中給出的相對(duì)相位關(guān)系，設(shè)給定同步坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)系之間相位差為L，設(shè)相位差L的補(bǔ)角為T，代表了IF控制的轉(zhuǎn)矩角，或者稱為功角。在給定同步坐標(biāo)系下，m軸的電流幅值為0，m軸的的幅值為q*。而在轉(zhuǎn)子實(shí)際坐標(biāo)系中，d軸和q軸的電流幅值和轉(zhuǎn)矩角T有關(guān)。d軸和q軸的電流表達(dá)式如式(1)(2)所示。

根據(jù)d軸和q軸的電流表達(dá)式，可以計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，如式(3)所示。其中p表示電機(jī)極對(duì)數(shù)，f表示永磁體磁鏈。電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。根據(jù)式(3)可知，在IF控制中，如果保持m軸的電流幅值不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小就決定了轉(zhuǎn)矩角T的大小。而如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)m軸的電流幅值來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩角T的大小。

永磁同步電機(jī)的IF控制策略具有“轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩角自平衡”特性。設(shè)IF控制電流幅值不變，電機(jī)在某一時(shí)刻達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，電機(jī)會(huì)減速，IF控制的轉(zhuǎn)矩角就會(huì)增大，使電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到新的轉(zhuǎn)矩平衡。

轉(zhuǎn)矩角為零時(shí)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)矩角為p/2時(shí)，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩最大。但轉(zhuǎn)矩角為p/2時(shí)，電機(jī)已經(jīng)處于失步的臨界狀態(tài)，電機(jī)已經(jīng)沒(méi)有了電磁轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備。轉(zhuǎn)矩角為零時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備最大，電機(jī)的抗干擾能力越強(qiáng)。

因此，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要設(shè)定轉(zhuǎn)矩角在一個(gè)合理的值，該值的選取要考慮負(fù)載的波動(dòng)特性。理想情況下，在整個(gè)IF控制范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩角應(yīng)該保持不變，使電機(jī)具備較好的抗干擾能力。

2 恒流頻比控制

恒流頻比控制是IF控制的一種方式，顧名思義，即保持電流幅值和轉(zhuǎn)速給定的比值恒定，如式(4)所示。應(yīng)用這一策略的基本出發(fā)點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)提高，因此需要提高定子電流幅值。

這種恒流頻比控制方式雖然具有一定的轉(zhuǎn)矩匹配能力，但是其轉(zhuǎn)矩匹配能力卻不高，主要表現(xiàn)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩往往不是成正比例關(guān)系。因此電流幅值按正比例增加，無(wú)法維持轉(zhuǎn)矩角不變。恒流頻比控制的轉(zhuǎn)矩匹配特性可以用圖3表示。

在圖3(a)中，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，圖3(b)中轉(zhuǎn)速相對(duì)較高。圖3(b)中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比圖3(a)中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，兩者的比值要高于相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速的比值。如果僅僅按照恒流頻比進(jìn)行電流幅值調(diào)節(jié)，就會(huì)造成原有的轉(zhuǎn)矩角不足以支撐負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩角就會(huì)增大，以達(dá)到新的轉(zhuǎn)矩平衡。圖3中采用恒流頻比控制引起的結(jié)果如式(5)所示。如果轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，轉(zhuǎn)矩角也會(huì)逐步增大，嚴(yán)重情況下可能會(huì)引起電機(jī)失步。

3 改進(jìn)型IF控制

基于恒流頻比控制對(duì)轉(zhuǎn)矩角調(diào)節(jié)能力的不足，本文提出了根據(jù)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線來(lái)設(shè)定IF控制電流幅值的控制策略。電流幅值的調(diào)節(jié)不再依據(jù)恒流頻比，而是依據(jù)預(yù)設(shè)在控制器內(nèi)部的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線。而帶有不同類型負(fù)載的電機(jī)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線可能會(huì)存在較大差異，設(shè)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線用式(6)來(lái)表示。不管是什么類型的負(fù)載，總是可以整理出負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線。永磁同步電機(jī)的IF控制可以根據(jù)式(6)來(lái)調(diào)節(jié)定子電流幅值。

據(jù)此計(jì)算得到IF控制的電流幅值表達(dá)式如式(7)所示，電流幅值是轉(zhuǎn)速給定的函數(shù)，其受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的影響，改進(jìn)型IF控制方式的目標(biāo)是使轉(zhuǎn)矩角保持不變，維持電機(jī)的抗干擾能力。

永磁同步電機(jī)改進(jìn)型IF控制策略的轉(zhuǎn)矩匹配特性如圖4所示。圖4(a)中的轉(zhuǎn)速小于圖4(b)中的轉(zhuǎn)速，由于圖4中根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩角對(duì)定子電流幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此圖4(a)和圖4(b)中的轉(zhuǎn)矩角是相同的。這種改進(jìn)型的IF控制方式，對(duì)定子電流的調(diào)節(jié)更加靈活，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的匹配能力也更強(qiáng)。圖4中采用改進(jìn)型IF控制方式的結(jié)果如式(8)所示。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速寬范圍變化時(shí)，采用改進(jìn)型控制策略能夠始終保持IF控制的轉(zhuǎn)矩角，始終維持IF控制的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。該控制策略和傳統(tǒng)恒流頻比控制方式相比，具有轉(zhuǎn)矩匹配特性好的優(yōu)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

在一臺(tái)推進(jìn)永磁同步電機(jī)上對(duì)本文所提改進(jìn)型IF控制方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并將該控制方式和恒流頻比控制方式進(jìn)行了對(duì)比分析。采用改進(jìn)型IF控制方式時(shí)，需要將整定好的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線保存在控制其中，以備查表取用。圖5是轉(zhuǎn)速為60rpm時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，兩種控制方式的實(shí)驗(yàn)波形是相同的。圖6和圖7分別對(duì)應(yīng)兩種控制方式下電機(jī)120 rpm時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。

圖5中電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 rpm，兩種控制方式得到的定子電流給定均為5 A，此時(shí)轉(zhuǎn)子電角度和給定電角度的相位差為60度，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角為30度。圖6是采用恒流頻比控制方式，電機(jī)加速到120 rpm時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，由圖6可得，定子電流給定已經(jīng)上升到10 A，但是這個(gè)電流值不足以保持轉(zhuǎn)矩角恒定，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角變?yōu)?6度，并達(dá)到了新的轉(zhuǎn)矩平衡。

圖7是采用改進(jìn)型IF控制方式，電機(jī)加速到120 rpm時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線，計(jì)算得到的定子電流給定為14 A。定子電流達(dá)到14 A時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角保持為30度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型IF控制方式具有保持轉(zhuǎn)矩角不變的能力，能夠很好地匹配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，從而使電機(jī)出現(xiàn)失步的概率大幅降低。

5 結(jié)論

IF控制是永磁同步電機(jī)的一種低成本無(wú)位置傳感器控制方式，其采用的是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、電流閉環(huán)控制方式。IF控制的轉(zhuǎn)矩匹配能力對(duì)于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和抗擾動(dòng)能力具有重要意義。傳統(tǒng)恒流頻比IF控制方式的轉(zhuǎn)矩匹配能力較弱，轉(zhuǎn)速寬范圍變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩角也會(huì)大范圍變化，有可能使電機(jī)接近失步的狀態(tài)。根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線來(lái)設(shè)定定子電流幅值的改進(jìn)型IF控制方式具有更好的負(fù)載匹配能力，抗擾動(dòng)能力更強(qiáng)。在永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)型IF控制策略的有效性。

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Torque Matching Features of IF Control Scheme for Permanent Magnet Synchronous Motor

Zhang Wenbin1, Huang Hua2

（1.Wuhan Kawasaki Marine Machinery CO., Ltd., Wuhan 430084, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM351

A

1003-4862（2016）09-0019-04

2016-08-15

張文斌（1969-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電力推進(jìn)主推與側(cè)推控制技術(shù)。