程 輝，楊克立

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450007)

基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的永磁同步電機最小損耗控制策略

程 輝1，楊克立2

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450007)

在分析內(nèi)置式永磁同步電機損耗模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制方案，提出了一種新穎的基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的控制算法，在線計算最小損耗實時調(diào)節(jié)磁鏈給定值，使電機在不同的運行工況下達到運行最佳效率，改善了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能.利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了系統(tǒng)模型，驗證了控制算法的有效性和可行性.

直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制；內(nèi)置式永磁同步電機；自適應(yīng)磁鏈觀測器；損耗最小；速度控制

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機與異步電機相比，不需要無功勵磁電流，具有體積小、質(zhì)量輕、功率因數(shù)高、運行效率高、可靠性高及動態(tài)性能良好等特點，在高性能拖動與伺服系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3].目前，用于異步電機高性能控制的方法仍是磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制.直接轉(zhuǎn)矩定子磁鏈(DTFC)控制省去了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換、PWM調(diào)制及電流調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)的磁場定向控制策略比較，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動態(tài)性能好，受到了業(yè)內(nèi)的青睞.

DTFC通過直接檢測定子電流和電壓計算出電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，分別與給定參考值通過滯環(huán)比較器后將差值輸給逆變器進行調(diào)節(jié).傳統(tǒng)的DTFC給定定子磁鏈值為較大的恒定值，以使電機在額定負載時效率最高，而永磁同步電機(IPMSM)是一個多變量、強耦合、變參數(shù)的非線性系統(tǒng)，電機在空載和輕載運行時效率會降低，而且不同的定子磁鏈能夠提供的最大輸出轉(zhuǎn)矩也不同，顯然易存在轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)引起轉(zhuǎn)速波動及難以控制電機損耗等問題.如何在改善調(diào)速特性的同時提升電機的運行效率，已成為許多學(xué)者和工程技術(shù)人員研究的一個熱點[4-5].近年來，基于損耗模型的永磁同步電機最小損耗控制的研究多針對表面貼裝式永磁同步電機(IPMSM)，而對于內(nèi)置式永磁同步電機，由于最小損耗控制模型復(fù)雜且為非線性，國內(nèi)外的相關(guān)研究非常少.

為了使電機在不同的運行工況下均能保持最佳的效率和快速的動態(tài)性能，必須實時在線對定子磁鏈進行最優(yōu)控制.本研究在分析內(nèi)置式永磁同步電機損耗模型的基礎(chǔ)上，采用DTFC控制方案，提出了一種新穎的基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的控制策略，采用實時在線計算最小損耗的方法來估算定子磁鏈，估算值為系統(tǒng)輸入?yún)⒖剂浚粌H可以改善DTFC的性能，而且損耗最小.

1 內(nèi)置式永磁同步電機的損耗模型

忽略阻尼繞組時，內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)的損耗主要有銅耗、鐵耗、雜散損耗及機械損耗(如風(fēng)阻和摩擦損耗)，由于雜散損耗和機械損耗所占的比例較小，不直接與電機電流及磁鏈相關(guān)[6-7]，本研究僅考慮可控的鐵耗及銅耗.圖1為考慮d，q軸上鐵耗及銅耗時永磁同步電機的等效電路圖.

圖1中，Rs為定子繞組電阻；Rc為等效鐵耗電阻；ω為電氣轉(zhuǎn)速，ω=npωr；ωr為轉(zhuǎn)子機械角速度；np為極對數(shù)；Ψf為永磁體產(chǎn)生的磁場；ud，uq分別為d，q軸上的定子電壓分量；iod，ioq分別為d，q軸上的電流有功分量.

圖1 考慮損耗模型的IPMSM直交軸等效電路圖Fig.1 Equivalent circuits of IPMSM incorporating loss

由圖1可得

icd=id-iod，icq=iq-ioq，

(1)

(2)

(3)

IPMSM的銅耗和鐵耗分別為

(4)

(5)

2 自適應(yīng)磁鏈觀測器

(6)

由式(1)和(2)可得

(7)

(8)

其中，

(9)

再分別把式(7)和(8)代入式(3),可得

(10)

(11)

(12)

(13)

把式(12)和(13)代入式(6)可得

(14)

式(14)中，icd和icq的計算分別見式(10)和(11).

由圖(1)中的(b)可得

(15)

d,q軸電流及相應(yīng)磁鏈之間的關(guān)系如圖2所示.綜上，DTFC控制策略下的給定磁鏈為

(16)

3 采用狀態(tài)觀測器的DTFC控制系統(tǒng)

根據(jù)上述控制原理，基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的最小損耗IPMSM的直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖2 d-q軸電流及磁鏈關(guān)系Fig.2 Various d-q-axis current and flux components

圖3 基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的最小損耗IPMSM-DTFC系統(tǒng)Fig.3 DTFC-based IPMSM drive incorporating the minimum power loss based flux observer

系統(tǒng)主要包括自適應(yīng)磁鏈觀測器、電機轉(zhuǎn)矩觀測器、開關(guān)電壓狀態(tài)矢量表、轉(zhuǎn)矩及磁鏈滯環(huán)比較器、轉(zhuǎn)矩磁鏈計算和最小損耗控制器.磁鏈及轉(zhuǎn)矩比較器用來確定轉(zhuǎn)矩和磁鏈的當(dāng)前狀態(tài)，開關(guān)電壓狀態(tài)矢量表根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈狀態(tài)選擇合適的電壓矢量，轉(zhuǎn)矩磁鏈計算用來實時計算轉(zhuǎn)矩和磁鏈，最小損耗控制則根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)速實時動態(tài)調(diào)整磁鏈的給定值，從而使電機運行在最小損耗控制方式下.

4 仿真結(jié)果

為了驗證本控制方法的有效性，建立了基于最小損耗模型的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)磁鏈觀測器并利用Matlab/Simulink軟件進行了仿真研究.仿真用IPMSM參數(shù)如下：UN=183 V；IN=14.2 A；TN=19.1 N·m；ωN=180 rad/s；極對數(shù)np=3；定子電阻Rs=0.242 Ω；銅耗電阻Rc=7.5 Ω；d軸電感Ld=5.06 mH；q軸電感Lq=6.42 mH； 永磁體磁鏈Ψf=0.24 Wb； 轉(zhuǎn)動慣量J=0.013 3 kg·m2，黏滯系數(shù)B=0.001 N·m/(rad·s-1)

圖4為系統(tǒng)在額定條件下采用上述控制策略時轉(zhuǎn)速和效率及輸出轉(zhuǎn)矩的波形圖，從圖4可以看出，輸出轉(zhuǎn)速很快追蹤并達到給定轉(zhuǎn)速的期望值，穩(wěn)態(tài)時效率高達92.6%.

圖4 采用磁鏈觀測器DTFC控制在額定條件下的響應(yīng)曲線Fig.4 Simulated starting responses of the proposed LMA-based DTFC scheme for IPMSM driver at rated load

圖5(a)為當(dāng)給定輸入轉(zhuǎn)速呈階躍性變化(每5 s輸入增加20 rad)時，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線和效率變化曲線.從圖5(a)可以看出輸出達到了期望值，系統(tǒng)的效率仍可達到86%以上.圖5(b)為估算的磁鏈變化曲線，隨著給定轉(zhuǎn)速的增加，定子磁鏈呈階梯狀遞減.

圖5 采用磁鏈觀測器DTFC控制當(dāng)給定轉(zhuǎn)速變化時的響應(yīng)曲線Fig.5 Responses of the proposed LMA-based DTFC scheme for IPMSM driver for step changes

圖6為采用傳統(tǒng)DTFC控制且取給定磁鏈為額定值0.204 5 Wb、負載為額定負載時電機的響應(yīng)速度及效率曲線.從圖6(a)可以看出，電機效率雖可達92%，但輸出轉(zhuǎn)速最高僅為125 rad/s.若取給定磁鏈為低恒值0.121 Wb，響應(yīng)曲線如圖6(b)所示.由此可見，電機轉(zhuǎn)速可跟蹤輸入，但此時電機效率較低，在負載較輕時更為明顯.

圖6 滿載時，若給定磁鏈變化系統(tǒng)的響應(yīng)曲線Fig.6 Motor speed and efficiency responses for step changes in command speed at full load

圖7 最小損耗磁鏈觀測器DTFC控制與 傳統(tǒng)的DTFC控制比較Fig.7 Motor efficiency for step changes in load with the proposed LMA-based flux observer and constant low flux based DTFC scheme

圖7為當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為100 rad/s而負載階躍性增加時，分別采用傳統(tǒng)的DTFC控制方式和基于磁鏈觀測器的DTFC控制方式的電機效率曲線.由圖7可以看出，在穩(wěn)態(tài)時最小損耗模型磁鏈觀測器DTFC控制策略比傳統(tǒng)的DTFC控制策略更能保證電機以較高的效率運行，在低負載運行時效率的改善更為明顯.

5 結(jié)語

本研究基于內(nèi)置式永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制平臺，針對最小損耗模型提出了一種新穎的基于自適應(yīng)磁鏈觀測器的控制策略，采用實時在線計算磁鏈給定的方法，隨控制系統(tǒng)外界輸入信號如給定速度、負載等的變化動態(tài)地自動調(diào)整磁鏈給定值，使電機在不同的運行工況下實現(xiàn)運行效率最佳，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能也得到了改善.仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制系統(tǒng)相比，該控制方案可以在寬調(diào)速范圍內(nèi)和輕負載情況下明顯提高運行效率，可改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.

[1] 黃劭剛,鄭軍洪,廖書明.內(nèi)置式永磁電動機的飽和參數(shù)與矢量控制分析[J].微電機,2014,47(10):66-69.

[2] 符榮,竇滿峰.電動汽車驅(qū)動用內(nèi)置式永磁同步電機直交軸電感參數(shù)計算與實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(11):30-36.

[3] 朱魯佳.電動汽車用永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制[J].電機與控制應(yīng)用,2015,42(2):56-59.

[4] 盛義發(fā),喻壽益,洪鎮(zhèn)南,等.內(nèi)置式永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化研究[J].電氣傳動,2011,41(6):14-18.

[5] 吳欽木,韋書龍,李捍東,等.永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化控制參數(shù)變化影響研究[J].電機與控制應(yīng)用,2012,39(6):18-23.

[6] 徐艷平,鐘彥儒.永磁同步電機最小損耗控制的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(22):5283-5286.

[7] 刑紹邦,羅印升,宋偉,等.永磁同步電機效率改善策略比較研究[J].電氣傳動,2012,42(4):42-46.

[8] 崔皆凡,李林,單寶鈺.永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)最小損耗分析[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,34(4):372-376.

[9] 王曉雷,趙克友.永磁同步電機最小損耗的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制學(xué)報,2007,11(4):331-334.

Minimum loss controller method for permanent magnet synchronous motor based on adaptive flux observer

CHENG Hui1，YANG Keli2

(1.CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China;2.EngineeringTrainCenter,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

A novel adaptive flux observer based on direct torque and flux control(DTFC) method of the interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM) was presented. An online loss minimization algorithm(LMA) is developed to estimate the air-gap flux so that the motor operates at minimum loss condition. The optimum operating efficiency of IPMSM was achieved at different operating conditions, and the dynamic and static performances of the system were improved. The Simulink model was founded by Matlab/Simulink, which verified the validity and feasibility of the theoretical model and control strategy.

direct torque and flux control; interior permanent magnet synchronous motor; adaptive flux observer; loss minimization; speed control

2017-03-25

國家自然科學(xué)青年基金(61405054)

程輝(1979-)，女，河南新野人，講師，研究方向為電機及其控制、電力電子與電力傳動等.

TM341；TM351

A

1674-330X(2017)02-0035-05