基于轉子磁場定向的永磁同步電機牽引控制策略

王要強+謝海霞+秦明+蔣亞杰

摘 要： 以永磁同步電機為控制對象，研究了其轉子磁場定向驅動的控制策略。首先分析永磁同步電機的數(shù)學模型，基于此研究轉子磁場定向永磁同步電機的調(diào)速控制策略，并設計了速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，最后通過系統(tǒng)仿真驗證了整個驅動控制策略的有效性。結果表明，系統(tǒng)抗干擾能力強，具有良好的動靜態(tài)性能。

關鍵詞： 永磁同步電機； 轉子磁場定向； 調(diào)速系統(tǒng)； 牽引控制

中圖分類號： TN03?34； TM351 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0129?05

Abstract： The permanent magnet synchronous motor （PMSM） is taken as the control object， and its drive control strategy based on rotor field orientation is investigated. The mathematical model of the PMSM is analyzed. On this basis， the PMSM speed control strategy based on rotor field orientation is studied， and the regulators of the outer speed loop and inner current loop were designed. The effectiveness of the whole drive control strategy was verified with system simulation. The results show that the system has strong anti?interference ability， and excellent dynamic and static performance.

Keywords： permanent magnet synchronous motor； rotor field orientation； speed regulating system ； traction control

0 引 言

永磁同步電機由于具有結構簡單、體積小、效率高、運行可靠等優(yōu)勢，在電力機車、機器人、航空航天等工業(yè)應用領域展示了巨大的潛力[1?3]。隨著電力電子技術和現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，以及近年來釹鐵硼等永磁材料價格的回歸，永磁同步電機系統(tǒng)已經(jīng)具有非常高的性價比，永磁同步電機的驅動控制已成為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個重要研究領域[4?6]，并引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。

永磁同步電機是強耦合、多變量、非線性的復雜系統(tǒng)[7?8]，且運行時經(jīng)常面臨各種各樣的干擾。這些干擾可能由于內(nèi)部或外部因素，例如：摩擦力、工作溫度和負載擾動等，因此改善永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，提高其魯棒性及驅動控制問題是提升整個調(diào)速系統(tǒng)性能的關鍵環(huán)節(jié)[9?10]。

本文在永磁同步電機數(shù)學模型推導的基礎上，研究了基于轉子磁場定向的永磁同步電機驅動控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型進行仿真研究。結果表明系統(tǒng)抗干擾能力強，具有良好的動靜態(tài)性能。

1 永磁同步電機數(shù)學模型

2 轉子磁場定向PMSM牽引控制策略

2.1 轉子磁場定向PMSM控制模型

PMSM的空間矢量圖如圖1所示。圖中，為轉子磁極軸的空間位置角；為定子電流矢量與轉子永磁磁鏈矢量之間的夾角。在轉子磁場定向的坐標系上將電流矢量分解成兩個相互垂直、彼此獨立的產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量矢量和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量。一定的轉速和轉矩對應于一定的和給定值，通過控制使實際的和跟蹤其對應的給定量，就可以實現(xiàn)電動機轉矩和轉速的控制，即把永磁體同步電動機的控制歸于對電機定子電流空間矢量相位和幅值的控制。

至此可得，永磁同步電機的轉矩和磁通是解耦的。對于給定的永磁同步電機，勵磁磁場由永磁體決定，為常數(shù)，其輸出轉矩與軸定子電流呈線性關系，因此只需控制軸定子電流的大小就可以控制電機的輸出轉矩，這樣處理的效果使得永磁同步電機可以像直流電機那樣進行獨立的轉矩和磁通控制，從而使永磁同步電機的控制過程大為簡化。

2.2 轉子磁場定向PMSM控制策略

根據(jù)轉子磁場定向的永磁同步電機控制數(shù)學模型可以得到轉子磁場定向永磁同步電機牽引控制策略的結構框圖，如圖2所示。

圖2中，Park/Clark Transform為坐標變換部分，PMSM為永磁同步電機本體。首先通過轉子位置傳感器檢測出電機轉子角度并計算出電機轉速同時檢測電機定子兩相電流和經(jīng)CLARK?PARK矢量變換后，得到兩相同步旋轉坐標系下的電機定子電流和檢測到的實際電機轉速與給定電機轉速相比較后送入轉速外環(huán)調(diào)節(jié)器，將轉速調(diào)節(jié)器的輸出信號送入電流調(diào)節(jié)器的軸通道，作為軸電流的給定值，并取電流調(diào)節(jié)器軸通道的給定值為0；電流調(diào)節(jié)器軸通道調(diào)節(jié)器的給定信號與實際信號相比較后送入對應通道的電流調(diào)節(jié)器，并將其輸出信號送入PARK反變換環(huán)節(jié)，從而得到逆變器輸出電壓在兩相靜止坐標系下的參考信號；再經(jīng)過PWM信號產(chǎn)生、隔離驅動、逆變器等環(huán)節(jié)后驅動電機運行，組成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

忽略電流內(nèi)環(huán)兩個控制通道間的交叉耦合作用，可以得到系統(tǒng)電流控制回路在一個通道的等效控制結構框圖，如圖3所示。圖中，為電流環(huán)濾波時間常數(shù)；為逆變器延遲時間常數(shù)；為電磁時間常數(shù)，為逆變器的電壓放大倍數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

由圖5可以看出，永磁同步電機三相定子電流在系統(tǒng)空載運行時維持在零值附近，加入恒值負載后變?yōu)榛ゲ?20°的三相對稱正弦波；電機定子電流軸分量一直在零值附近小幅波動，軸電流波隨著負載轉矩的突變階躍上升，且與電機輸出的電磁轉矩正相關；電機電磁轉矩可以很好地跟蹤負載轉矩的變化；系統(tǒng)轉速響應迅速，超調(diào)小，在啟動和負載突變情況下的轉速波動小，抗擾性好。

即自時起，對電機加入幅值為2，頻率為20 Hz的負載轉矩。圖6（a）～（f）分別為系統(tǒng)加載轉矩、電磁轉矩、轉速響應、軸電流、軸電流和三相定子電流的仿真波形。

由圖6可以看出，系統(tǒng)在啟動和負載連續(xù)變化的情況下仍能保持較好的響應速度，超調(diào)和波動小，響應迅速，抗擾性好；電機軸定子電流一直維持在零值附近；軸電流與電機電磁轉矩正相關；電機三相定子電流為幅值隨負載轉矩變化的正弦波；電機電磁轉矩和定子電流幅值能夠跟蹤負載的變化。

4 結 論

本文研究了轉子磁場定向永磁同步電機驅動控制系統(tǒng)。首先對永磁同步電機進行數(shù)學建模，研究了基于轉子磁場定向的永磁同步電機調(diào)速控制策略，并設計了速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，最后通過仿真驗證了驅動控制策略的有效性。結果表明，系統(tǒng)抗干擾能力強，具有良好的動靜態(tài)性能。

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