梁 裕, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江

永磁同步電機分段變交軸電壓弱磁控制方法

梁 裕, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003)

水面生命探測機器人等救援探測設(shè)備在運行狀態(tài)下, 其供電電壓會發(fā)生下降, 為提高其機動性和穩(wěn)定性, 可進入弱磁擴速狀態(tài)。在供電電壓恒定的情況下, 通過變交軸電壓法的單電流調(diào)節(jié)器控制, 可有效避免雙電流調(diào)節(jié)器造成的控制系統(tǒng)復(fù)雜化, 以及系統(tǒng)失控和控制效率過低等問題, 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、控制安全和方便的效果。文中改進了弱磁控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)和變交軸電壓給定方式, 增加了限幅處理, 提出一種交軸電壓給定方式, 將電機弱磁過程劃分為恒功率弱磁和深度弱磁2個部分, 分段實時調(diào)節(jié)交軸電壓, 使電機在深度弱磁狀態(tài)下魯棒性更強, 提高電機高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性。通過Simulink仿真及實驗數(shù)據(jù)分析, 證實了該控制方法的可靠性。

永磁同步電機; 深度弱磁; 單電流調(diào)節(jié)器; 電壓反饋; 分段變交軸電壓

0 引言

永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM), 特別是稀土PMSM以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高和功率密度大等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于電動汽車[1-2]、航空航天[3]、風(fēng)力發(fā)電以及水面設(shè)備, 如快速機動的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域、軍事偵察等領(lǐng)域[4-6]。PMSM的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運行時與電源頻率保持恒定關(guān)系, 并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速, 其具有高效、小振動、低噪聲和高轉(zhuǎn)矩密度的特點。PMSM可直接驅(qū)動水面航行器, 如探測器、水面機器人, 同時也可直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng), 在魚雷和無人水下航行器等水下電力推進領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[7], 因此PMSM弱磁控制方法有著很重要的研究意義。

為了得到更寬的調(diào)速范圍, 常見的弱磁擴速方法包括: 恒轉(zhuǎn)矩弱磁控制、查表法、超前角弱磁控制、最大輸出功率弱磁控制、引入電流壓縮系數(shù)的弱磁控制、定交軸電壓單電流調(diào)節(jié)器(single current regulator-fixed Q-axis voltage, SCR-FQV)弱磁控制以及變交軸電壓單電流調(diào)節(jié)器(single current regulator-variable Q-axis voltage, SCR-VQV)弱磁控制等。文獻[8]采用恒轉(zhuǎn)矩前饋結(jié)合電壓反饋的電流補償弱磁控制策略, 該方法可以獲得良好的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速動態(tài)性能, 但是調(diào)速范圍較窄。文獻[9]采用查表法進行弱磁控制, 該方法結(jié)構(gòu)簡單, 對參數(shù)不敏感, 但是需要大量測試來制表。文獻[10]采用超前角的弱磁控制方法, 該方法可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁區(qū)的電流穩(wěn)定切換, 但是在弱磁區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩較弱, 且電流調(diào)節(jié)器易飽和, 故而在此基礎(chǔ)上提出了單電流調(diào)節(jié)器控制弱磁的方式, 該方法可以防止電機在進入弱磁或者深度弱磁過程中因電流調(diào)節(jié)器耦合嚴(yán)重而導(dǎo)致的電流調(diào)節(jié)器飽和, 使得PMSM失控。文獻[11]～文獻[15]分別采用了SCR-FQV和SCR-VQV這2種方式, 解決了弱磁時2個電流調(diào)節(jié)器解耦的問題: 通過對定交軸電壓的弱磁控制, 使得電機的可調(diào)整范圍較小; 通過對變交軸電壓的弱磁控制, 能夠保證轉(zhuǎn)速在弱磁過程中的穩(wěn)定變化。但在深度弱磁中, 仍采用同樣的交軸電壓給定方式會造成系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定, 容易造成失控。因此, 為防止在深度弱磁狀態(tài)下失控, 完善弱磁控制系統(tǒng), 文中改進了變交軸電壓的給定方式, 在恒功率弱磁和深度弱磁2個狀態(tài)中, 采用不同交軸電壓給定的控制方式。通過實驗與仿真驗證了文中方法的優(yōu)越性和可靠性。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

以內(nèi)置式PMSM為研究對象, 在直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

通過坐標(biāo)變換, 在-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

由式(2)可知,和是互相耦合的, 因此單電流調(diào)節(jié)器能夠減少電流的解耦過程, 控制簡單, 優(yōu)勢十分明顯。

運行在-坐標(biāo)系下, 電流和電壓需要滿足電流圓和電壓圓, 具體關(guān)系為

式中:max是電機定子電流空間矢量最大值;max是電機定子電壓空間矢量最大值。轉(zhuǎn)速升到基速以上進行弱磁時, 可以忽略定子電阻, 因此, 電壓限制公式(3)結(jié)合式(2)可以寫為

2 PMSM弱磁控制

PMSM進入弱磁狀態(tài)會使得轉(zhuǎn)速增加, 轉(zhuǎn)矩下降。因此弱磁控制可用于需要有快速機動性能及帶載的電機控制模式下。該方法可用于PMSM供電電壓充足和不足的情況。以水面生命探測設(shè)備為例, 在供電電壓充足時, 通過弱磁系統(tǒng)可以達到轉(zhuǎn)速極限的運行狀態(tài), 快速機動輔助人員搜救; 在供電電壓不足時, 通過弱磁系統(tǒng)可以讓該設(shè)備保持基速運行, 保證設(shè)備的正常使用。

2.1 弱磁控制曲線分析

在內(nèi)置式PMSM轉(zhuǎn)速控制中, 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制區(qū)域可分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率弱磁區(qū)和深度弱磁區(qū)。文中分別采用以下控制方式: 最大轉(zhuǎn)矩電流比(maximum torque per ampere, MTPA)控制、恒功率弱磁控制以及最大轉(zhuǎn)矩電壓比(maximum torque per voltage, MTPV)控制?？刂魄€如圖1所示。

圖1 弱磁控制曲線

恒轉(zhuǎn)矩區(qū): 在電機啟動后, 在紅色的恒轉(zhuǎn)矩1的曲線運行, 該曲線和電流極限圓以及MTPA曲線的交點為當(dāng)前輸入電流為時的最大輸出轉(zhuǎn)矩點, 因此電機在該區(qū)域的運行曲線為沿著MTPA曲線從0點到點, 為最優(yōu)工作區(qū)域。

恒功率弱磁區(qū): 圖1中陰影部分為恒功率弱磁區(qū)。當(dāng)運行到點時, 此刻電壓已經(jīng)受到了限制, 為了使轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大, 則需要在電流保證最大值的條件下增加勵磁, 繼而增大電壓, 結(jié)合式(2)可知

深度弱磁區(qū): 在曲線邊緣, 此刻逆變器可以輸出的電流和電壓已經(jīng)達到了最大值。還可以通過減小來減小轉(zhuǎn)矩電流分量, 繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速。由于電機種類和參數(shù)不同, 進入深度弱磁區(qū)域, 定義深度弱磁率為

2.2 SCR-VQV控制系統(tǒng)

雙電流調(diào)節(jié)器作為傳統(tǒng)的弱磁控制方法之一,在低速階段,軸電壓未到最大值, 可以進行雙電流調(diào)節(jié)器控制; 在高速階段,軸電壓被限制, 會導(dǎo)致、軸電流耦合嚴(yán)重。

通過式(2), 可以得到軸電流和軸電流的關(guān)系式

由上式可知, 得到軸電流, 就可以計算出軸電流, 因此在弱磁階段, 只需軸單電流調(diào)節(jié)器, 就可以消除高速階段電流的耦合, 從而使控制系統(tǒng)得到簡化。

為了使弱磁狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都保持在設(shè)備最優(yōu)狀態(tài), 提出了變交軸電壓的弱磁控制方法, 防止在弱磁狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩輸出過小。

綜上, 文中設(shè)計了一種改進型分段式SCR- VQV弱磁控制方法。改進型的控制系統(tǒng)見圖2。

圖2 SCR-VQV弱磁控制系統(tǒng)圖

采用SCR-VQV控制方式時, 由于弱磁控制條件下需限定軸電壓, 需滿足式(2)中Li+ψ≥0, 因此軸電壓需要進行限幅處理, 如圖2所示, 以保證＞0。將得到的、軸電壓傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中, 通過磁場導(dǎo)向控制方式控制電機運行。

3 系統(tǒng)交軸電壓給定方式

傳統(tǒng)的變交軸電壓給定方式需要建立給定軸電壓和電流之間的關(guān)系, 在深度弱磁區(qū), 會出現(xiàn)給定軸電壓不準(zhǔn)確, 致使系統(tǒng)不穩(wěn)定, 會有一定幾率造成弱磁失控的現(xiàn)象。因此, 文中提出了一種新的弱磁軸電壓給定方式。將弱磁區(qū)分為恒功率弱磁區(qū)和深度弱磁區(qū), 分段采用不同的軸電壓給定方式進行控制。

通過檢測軸電流判定當(dāng)前所處的區(qū)域: 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率弱磁區(qū)、深度弱磁區(qū)。引入線性變化的交軸電壓,是線性變化的值, 由式(7)可進一步得到、軸電流的關(guān)系, 即

式中:base為線性變化的軸電壓值。文中對于base的計算采用以下給定方式:軸電流小于(B)時, 電壓給定值為

當(dāng)軸電流大于(B)后, 處于深度弱磁狀態(tài)。在深度弱磁狀態(tài)下,軸電流會減小, 若軸電流采集不準(zhǔn)確, 會導(dǎo)致式(10)中值變化過大, 致使給定的base不穩(wěn)定, 造成深度弱磁失控的現(xiàn)象。為避免該情況, 應(yīng)適當(dāng)將base值的增長放緩, 防止軸電流檢測有誤造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此, 在深度弱磁區(qū),base的給定值為

式中, 參數(shù)的選擇是根據(jù)直流母線電壓波動或者定子電阻引起的電壓裕度確定的, 取值范圍為0.7～1, 且需要根據(jù)轉(zhuǎn)速升高的速度進行調(diào)節(jié), 可通過試湊法提高數(shù)值選取的精確性; 參數(shù)則根據(jù)與轉(zhuǎn)速提升速度的線性關(guān)系進行設(shè)定, 并在其取值范圍內(nèi)進行選擇。

該方法可以提高PMSM的工作效率, 且保證在進入深度弱磁后, 系統(tǒng)仍可較為穩(wěn)定的運行。

4 實驗驗證與分析

為驗證該方法的有效性和可靠性, 以PMSM為研究對象, 且保證供電電壓恒定的前提下, 使用上文所述的弱磁控制系統(tǒng)圖和分段SCR-VQV控制方式, 通過仿真、上位機控制及具體實驗驗證, 分別對電機啟動過程、電流波形、電機效率、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行對比和分析。

4.1 實驗設(shè)備及條件

實驗采用內(nèi)置式PMSM, 基于STM32F051單片機進行程序設(shè)計。PMSM的參數(shù)如表1所示。

表1 實驗用PMSM參數(shù)

為更好地監(jiān)測電機正常運行及弱磁狀態(tài)下的電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等信息, 采用了圖3所示的數(shù)據(jù)采集設(shè)備, 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化, 并進行對比分析。

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

4.2 分段變交軸電壓給定曲線

通過上文所述的交軸電壓給定方式, 結(jié)合電機運行曲線和電機穩(wěn)定運行的效果, 采用了圖4和圖5的電壓給定方式。在通過上位機進行調(diào)節(jié)后, 在轉(zhuǎn)速達到4 000 r/min后進入深度弱磁狀態(tài), 該狀態(tài)下, 通過檢測轉(zhuǎn)把電壓, 計算得到當(dāng)前的值后代入式(11)。通過不斷調(diào)整公式中的系數(shù), 得到在恒功率弱磁區(qū)的給定軸電壓曲線, 如圖4所示。在進入深度弱磁后, 調(diào)整參數(shù)得到深度弱磁區(qū)的給定軸電壓曲線, 如圖5所示。

圖4 恒功率弱磁區(qū)q軸電壓給定曲線

圖5 深度弱磁區(qū)q軸電壓給定曲線

4.3 PMSM啟動實驗

為防止給定交軸電壓不準(zhǔn)確造成電機啟動失敗或起步不穩(wěn)定的情況, 在進入恒功率弱磁區(qū)前, 以A相為例, 檢測電機起步時相電流的波形, 如圖6所示。

圖6 A相線起步電流波形

由圖可知, 電機起步抖動較小, 起步比較穩(wěn)定, 在進入加速過程中, 電流波形較為順滑, 實驗證明該方法對電機的起步?jīng)]有影響。

4.4 PMSM加載實驗

為了驗證該方法對電機輸出轉(zhuǎn)矩的影響情況, 采集A相電流和電壓在帶載情況下的的變化, 實驗結(jié)果見圖7。

通過實驗證實, 如圖7所示, 在帶載條件下, 電機電流穩(wěn)定。計算產(chǎn)生的A相電壓較為穩(wěn)定。

在帶載條件下, 為了更好地觀察、軸電流的穩(wěn)定性, 通過仿真進行了檢測, 其仿真波形見圖8和圖9。

通過仿真可以發(fā)現(xiàn),軸電流在0.5 s后進入弱磁過程, 曲線平滑, 可以證明該變交軸電壓的控制方式對電流的影響較小, 帶載條件下具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 帶載時d軸電流波形

圖9 帶載時q軸電流波形

4.5 PMSM弱磁過程性能實驗

為了驗證在弱磁和非弱磁情況下采用該方法對電機的影響, 通過不斷增大負載, 從整個過程進行設(shè)備檢測分析, 觀察系統(tǒng)性能。圖10是未進行弱磁情況下系統(tǒng)的運行情況。

圖10 無弱磁情況下系統(tǒng)運行曲線

電機采用1:10差速比。通過圖10可知, 無弱磁情況下, 電機空載轉(zhuǎn)速可達3 300 r/min左右, 由于該系統(tǒng)設(shè)計了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán), 在負載增大到90 N前, 轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定在一個相對平穩(wěn)的速度, 到達90 N后, 電流可以穩(wěn)定在50 A左右。無弱磁條件下效率最高可達到84%左右。

有弱磁情況下系統(tǒng)運行情況如圖11所示。由圖可知, 有弱磁情況下, 空載轉(zhuǎn)速可達5 400 r/min, 但轉(zhuǎn)速提高, 最大轉(zhuǎn)矩就會變小, 因此在負載增大到40 N時, 轉(zhuǎn)速開始下降。在有弱磁情況下, 電流依然可以穩(wěn)定在50 A左右, 效率可以達到81%。

圖11 有弱磁情況下系統(tǒng)運行曲線

通過上述有無弱磁2種情況對比發(fā)現(xiàn), 在轉(zhuǎn)速提高后, 雖然有弱磁狀態(tài)下最大轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的時間較短, 但是電機的輸出效率并沒有受到影響, 且電機的電流和輸出功率等數(shù)值也變化較小。

綜上所述, 文中采用的分段SCR-VQV弱磁控制方式, 可以讓電機轉(zhuǎn)速提升更高, 且系統(tǒng)穩(wěn)定, 電機運行效率較高。在供電電壓恒定的情況下, 可以為水面救援機器人提供快速的機動能力; 在供電電壓下降的情況下, 進入深度弱磁狀態(tài), 也可以維持恒定轉(zhuǎn)速, 保證人員救援的順利進行。

5 結(jié)束語

針對弱磁控制問題, 文中提出了一種分段SCR-VQV弱磁控制方法, 使得電機在深度弱磁狀態(tài)下仍可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過數(shù)據(jù)和理論分析, 驗證了該方法的可行性。該方法能夠大大提高電機運行速度, 同時提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。該方法適用于水面小功率低速運行設(shè)備, 對于提高水面生命探測機器人的機動能力, 以及保證落水人員安全也具有一定的實際意義。下一步工作是進一步細化變交軸電壓給定關(guān)系, 以防止系統(tǒng)失控。

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Field Weakening Control Method of Subsection Variable Quadrature Axis Voltage for Permanent Magnet Synchronous Motor

LIANG Yu, LIU Wei-ting, WEI Hai-feng, ZHANG Yi, LI Yuan-jiang

(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

When rescue detection equipment such as water-surface life-detection robots are in operation, their power supply voltage drops, which can cause them to enter a weak expansion state to improve maneuverability and stability.Under the condition of constant supply voltage, a single-current regulator control of the variable quadrature axis voltage method can effectively avoid the complexity of the control system caused by a double-current regulator, which maintains system control, improves the control efficiency, allows for the realization of a simple structure, provides safe control, and has a convenient effect.In this study, the feedback link of the field weakening control system and given method of variable quadrature axis voltage are improved, and a limit processing is added.A method of quadrature axis voltage setting is proposed, which divides the motor field weakening process into constant power field weakening and deep field weakening; in two parts, the quadrature axis voltage is adjusted in real time, in sections, to make the motor more robust in the deep field weakening state and improve its stability at high speeds.Through a Simulink simulation and an experimental data analysis, the reliability of the control method is verified.

permanent magnet synchronous motor;deep field weakening; single current regulator; voltage feedback; sectional change of quadrature axis voltage

梁裕, 劉維亭, 魏海峰, 等.永磁同步電機分段變交軸電壓弱磁控制方法[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2022, 30(1): 61-67.

TM351; TJ630.32

A

2096-3920(2022)01-0061-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.008

2021-03-18;

2021-04-19.

國家自然基金科學(xué)基金項目(51977101); 江蘇省省重點研發(fā)計劃產(chǎn)業(yè)前瞻性與共性關(guān)鍵技術(shù)重點項目(BE2018007).

梁 裕(1996-), 男, 在讀碩士, 主要從事電機驅(qū)動控制研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)