基于IPM永磁同步電機控制矢量分析

陳立沖，王 瑛，張洪雷，羅 曉，王金磊，蔡交明

奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽蕪湖 241002

0 引言

IPM永磁同步電機一般是在基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）控制方式，在基速以上采用弱磁控制方式以保證輸出最大功率，達到恒功率弱磁擴速的目的。因此，研究永磁同步電機的弱磁控制技術，有效的拓寬更高的轉(zhuǎn)速運行，成為技術熱點問題之一。綜合考慮到功率模塊的電壓、電流限制，同時便于實現(xiàn)以上控制方式，就要對電機實際參數(shù)進行矢量控制分析，之后有效的判斷出電機參數(shù)與功率模塊的選擇是否合適。

1 IPM地阿基動態(tài)數(shù)學方程

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的IPM電機動態(tài)數(shù)學模型如下（1）（2）（3）（6）

式中ud，uq分別為d、q軸電壓 ；id、iq分別為d、q軸電流 ；Ld、Lq分別為d、q軸電感；Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；ψm為IPM磁鏈；Rs為定子電阻；ω為電機機械角速度；p為電機極對數(shù)。

對d q軸的電壓解耦后用公式可以簡化表示為下式：

其中：μd、μq為d 、q軸電壓；

電機電磁轉(zhuǎn)矩Te可以用下式表示：

在電磁轉(zhuǎn)矩公式中轉(zhuǎn)矩包括兩部分：第一部分轉(zhuǎn)矩分量1.5pψmiq主要是永磁體磁鏈產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩；第二部分轉(zhuǎn)矩分量1.5p( Ld-Lq)idiq主要是永磁體的凸極效應產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩 ；采用PMSM電機可以充分地利用磁阻轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)相同轉(zhuǎn)矩的相電流幅值最小，降低逆變器容量。

2 永磁同步電機矢量控制分析

由于動力蓄電池特性和逆變器功率模塊的最大電流等級限制，兼顧電機低速大轉(zhuǎn)矩、高速恒功率寬調(diào)速，永磁同步電機采用定子電流的最佳控制方法，如圖1所示。

1）區(qū)間ω≤ω1時，定子電流矢量定于B點，永磁電機采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制比控制（MTPA），電機以最大轉(zhuǎn)矩運行，電流極限圓內(nèi)的電流矢量應滿足如下關系：

條件Ld＜Lq（10）

電流極限圓：

2）區(qū)間ω1≤ω≤ω2時，當電機轉(zhuǎn)速升高，電流矢量沿著B點移至C點。C點對應電壓達到極限時電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉(zhuǎn)速點。其控制方式采用弱磁控制，定子電流矢量軌跡表示為：

電壓極限圓：

3）區(qū)間ω＞ω2時，電流矢量沿著最大功率軌跡從C點移動到D點，定子電流矢量軌跡表示為：

把式（4）（5）代入到式（14）中得出式（17）電壓極限圓方程。

圖1 定子電流矢量軌跡

圖1中：C1表示電流極限圓；

T4表示電機轉(zhuǎn)矩的MTPA曲線；

P1表示最大功率曲線；

ω1、ω2表示電壓極限圓；

d、q分別表示定子的d、q軸分量；

圖1中為T2=40Nm，ω1=3000rpm, T3=15Nm，ω2=6000rpm兩個工況下的最佳穩(wěn)定工作點。Umax=54V，電流極限圓的軌跡是以原點為圓心，半徑為id-FW的圓，電壓極限圓軌跡是以點E（-id-FW,0）為圓心，半徑為(μlim/ωe)的同心圓，隨著轉(zhuǎn)速升高電壓極限圓以E點為中心收縮。根據(jù)式（12）可以計算出ISG電機最大弱磁電流id-FW=183A，位于電流極限圓以內(nèi)，這有利于調(diào)高電機的調(diào)速范圍。電機的一個完整的工作過程位于由O-A-B-C-D線段組成。電機在MTPA算法的控制下由O點加速至A點，此時轉(zhuǎn)速為3000rpm，電機沿著ω1=3000rpm的電壓極限圓在弱磁算法的控制下到達B點（電流極限圓與電壓極限圓的交點）。然后沿著電流極限圓電機加速到6000rpm到達C點，最后電機沿著ω2=6000rpm，的電壓極限圓到達D點，此時的轉(zhuǎn)矩Te=0N·m。

電動機運行時，定子電流空間矢量既不能超出電動機的電流極限圓，也不能超出電壓極限圓。這種分析方法適用于電機電動、發(fā)電狀態(tài)。

附表1電機參數(shù)經(jīng)過分析完全滿足電機開發(fā)設計要求。

表1 插入式永磁同步電機參數(shù)表

3 結論

根據(jù)IPM永磁同步電機在不同轉(zhuǎn)速段的轉(zhuǎn)矩特性，綜合考慮電流、電壓限制條件，以最大轉(zhuǎn)矩輸出為目標設計出一種永磁同步電機全速范圍運行的電流控制策略。該方法可以快速評估電機設計結果的準確性，達到永磁電機參數(shù)與功率模塊選擇分析的最佳方法，減小設計風險。

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