车用内置式永磁同步电机弱磁控制研究

李永旷，林立，袁旭龙，赵海艳，彭志华

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳，42200)



车用内置式永磁同步电机弱磁控制研究

李永旷，林立，袁旭龙，赵海艳，彭志华

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳，42200)

为提高车用内置式永磁同步电动机的调速范围，本文研究了弱磁控制策略，并在MATLAB/Simulink平台上建立了内置式永磁同步电机弱磁控制系统仿真模型，并进行了高速区弱磁控制系统仿真，仿真结果表明系统有较宽的调速范围，为高速巡航及超车等工况的进一步研究提供一定的借鉴意义．

电力牵引；内置式永磁同步电机；弱磁控制

内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)因其高转矩功率密度，高功率因素，恒功率宽调速等优点，在电动汽车、风力发电、轨道牵引、电主轴等领域得到了广泛应用[1-3]．电动汽车电驱动系统低速时实现恒转矩控制，高速时实现恒功率宽调速．此外，在高速牵引等轨道交通领域，也极力追求IPMSM系统恒功率宽调速，以实现速度提升，因此，对电力牵引用内置式永磁同步电动机进行弱磁控制，提升IPMSM的调速范围，具有重要意义[4-5]．本文研究内置式永磁电机弱磁控制策略，借助Matlab/Simulink仿真平台，构建车用IPMSM弱磁控制系统仿真模型，仿真结果表明系统有较宽的调速范围，为高速巡航及超车等工况的进一步研究提供一定的借鉴意义．

1 IPMSM的dq轴数学模型

为了简化IPMSM数学模型的分析，假设转子上没有阻尼绕组，阻尼绕组对电机永磁体没有阻尼作用；定子气隙均匀分布；反电动势波形为正弦波形；忽略电机铁心饱和及电机涡流、磁滞损耗．在此假设条件下，IPMSM的dq轴数学模型为：

电压方程：

(1)

转矩方程：

Te=p(ψdiq-ψqid)=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](2)

运动方程：

(3)

式(1)-(3)中，ψf为永磁磁链；idiq，uduq，ψdψq，LdLq分别为dq轴定子电流、电压、磁链和电感分量；ω为电机电角速度；p为极对数；Te,TL,F,J分别为电机电磁转矩、负载转矩、粘滞摩擦系数和转动惯量；Rs为定子相电阻．

2 IPMSM弱磁控制策略

IPMSM的转子励磁磁场由永磁体产生，通过增加定子直轴电流id，利用直轴电枢反应减弱电机气隙磁场，等效达到“弱磁”效果，由于端电压us和定子电流is，受到逆变器输出的能力限制，在dq坐标系下，假设电流和电压的极限值分别为ilim、ulim，则可得：

(4)

(5)

由于电机高速稳态运行时，电阻值远小于电抗值，因此电阻上的压降可忽略不计，由式(1)可知稳态电压方程；

(6)

将式(6)代入式(5)，整理可得电压极限椭圆方程：

(7)

由式(7)可知，当电机的电压达到逆变器所能够输出的电压极限ulim时，若继续提速，则需进入弱磁控制区域，以增加id同时减少iq的方式达到保持输出电压平衡的效果．

图1 定子电流矢量轨迹Fig.1 Vector trajectory of stator current

由式(4)和式(7)可得电流极限圆与电压极限椭圆．如图1所示，MTPA控制轨迹为曲线OA，当进入弱磁控制时，定子电流轨迹沿曲线AB由A点至B点，以此达到弱磁扩速的目的．

2.1 弱磁控制区域

对IPMSM进行弱磁控制时，电流轨迹的工作区域划分及各区域中电压、电流以及转矩的变化情况如图2所示，弱磁Ⅱ区可以认为是图2中标出的最优控制区域，此区域内，功率达最大，当电机的参数满足特定要求时，才可实现．

图2 弱磁控制工作区域Fig.2 Working area of flux weakening control

在图2所示的恒转矩区，输出转矩恒定不变，且可为最大值．电机的反电势与电机转速成正比，成上升趋势，因此，输出功率不断增加．

图1中，可以看出逆变器的输出电压在A点后达到最大值，转速也在此达到额定值，受电流极限圆的限制作用，此种运行机制下，转速无法沿着曲线继续上升．若想继续增加转速，则进入如图2所示的弱磁控制区域．

弱磁Ⅰ区，电机转速和转矩成反比，输出功率恒定．如若需更高转速，则控制需进入弱磁Ⅱ区，电机沿着MTPV曲线运行．

其方程可以表示为：

(8)

MTPV方向为其轨迹的切线方向，由式(8)得：

(10)

根据ΔU的大小，可得电流参考修正值为：

(11)

(12)

为了使输出电压不超过逆变器所能承受的最大电压，电流调节器的输入电流可以表示为：

(13)

(14)

2.2 弱磁控制策略

电动汽车电驱动系统低速时恒转矩输出，以适应快速起动、爬坡、加速等要求；高速时实现恒功率弱磁调速，以满足电动汽车高速巡航、超车等要求．考虑到电动汽车电驱动系统的特点和特殊要求，设计车用IPMSM的控制系统时，采用弱磁控制策略，以拓宽电机的调速范围，实现高速恒功率运行．

图3 IPMSM弱磁控制策略总体框图Fig.3 Overall block diagram of the IPMSM flux weakening control strategy

图3为IPMSM弱磁控制策略总体框图，主要包括：弱磁控制模块、IPMSM电机模块、SVPWM产生模块、坐标变换模块、逆变器模块、转速和电流调节模块等．

3 系统仿真及结果分析

以永磁同步电机弱磁控制原理的基础上进行分析，依据如图3所示的IPMSM弱磁控制策略总体框图，以及应用上述的弱磁控制策略，在Matlab/Simulink中，利用SimPowerSystems丰富的模块，搭建了IPMSM弱磁控制系统仿真模型，如图4所示．

图4 IPMSM弱磁控制系统仿真模型Fig.4 Simulation model of IPMSM flux weakening control system

图4中电机模块的参数为：定子电阻Rs=0.86Ω，直轴电感Ld=0.0055H，交轴电感Lq=0.0113H，永磁磁链ψf=0.205Wb，极对数p=4，转动惯量J=5.345×10-3kg·m2，粘滞摩擦系数F=1×10-3N·m·s．直流母线电压Udc=537V．额定转速N=3000r/min．

图5 弱磁的交、直轴电流id、iq、转矩、转速仿真波形Fig.5 Simulation waveform of the id、iq、Te and n

图5是实验条件为给定转速n=5000r/min，0-0.3s负载转矩为TL=3N·m，0.3-0.5s负载转矩为TL=10N·m的IPMSM限幅变载弱磁调速的系统仿真波形图．起动限幅转矩为20N·m，由图5可知0-0.15s，IPMSM系统速度迅速上升到5000r/min，此阶段交、直轴电流分别为id=-50A、iq=7A；0.15-0.2s是电机速度调节过程，电磁转矩Te=3 N·m与负载转矩平衡，此阶段iq=1A、id=-40A；0.3s以后负载转矩加载到TL=10N·m时，电磁转矩为Te=10 N·m与负载转矩平衡，此时iq=4A、id=-45A，转速降低n=4800r/min．以上速度调节过程，证明了恒功率弱磁调速控制策略的有效性．

4 结论

本文研究了车用IPMSM宽调速控制策略，分析了弱磁扩速的基本原理，并对弱磁扩速系统进行了建模仿真，仿真分析结果表明，采用恒功率弱磁调速以后，整个系统的速度由额定转速3000r/min,扩速到5000r/min，有效的提高了速度范围，为车用电机高速巡航及超速的实际应用奠定了理论基础，为研究高性能车用电机控制器具有较好的参考价值．

[1]Seung-ki Sul，张永昌，李正熙，等．电机传动系统控制[M]．北京：机械工业出版社，2013．

[2]盛义发，喻寿益．轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略[J]．中国电机工程学报，2010,(30)：74-79．

[3]罗德荣，曾智波，黄守道，等．电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制[J]．湖南大学学报，2011,38(3)：1-5．

[4]唐朝辉，丁强，喻寿益，等．内埋式永磁同步电机弱磁控制策略[J]．电机与控制学报，2010,14(5)：68-72．

[5]于家斌，秦晓飞，郑军，等．一种改进型超前角弱磁控制算法[J]．电机与控制学报，2012，16(3)：101-106．

Flux-weakening control research for interior permanent magnet synchronous motor in electric vehicle

LI Yongkuang，LIN Li，YUAN Xulong，ZHAO Haiyan，PENG Zhihua

(Department of Electrical Engineering，Shaoyang University，Shaoyang 42200，China)

In order to improve the vehicle speed range of the interior permanent magnet synchronous motor, the flux weakening control strategy is studied in this article.The interior permanent magnet synchronous motor flux weakening control system simulation model is established based on the platform of MATLAB/Simulink, and high speed weak magnetic control system simulation is carried out.The simulation results show that the system has a wide range of speed regulation, and these provide a

ignificance for further study on the high-speed cruise and overtaking and other conditions.

electric traction；interior permanent magnet synchronous motor；flux-weakening

1672-7010(2016)01-0071-04

2016-02-28

湖南省科技厅重点研发计划项目(2015GK3033)；湖南省2015年普通高等学校教学改革研究项目(湘教通〔2015〕291号)；湖南省2009 年教育厅科学研究项目(09C884)；2015年湖南省科技计划项目(2015GK2033)；邵阳学院研究生科研创新项目(Cx2015SY018)

李永旷(1989-)男，湖南娄底人，硕士研究生，从事新能源电动汽车及风力发电等方面的研究

林立(1972-)，男，湖南武冈人，博士，教授，硕士研究生导师，从事电力电子与电力传动、新能源电动汽车及风力发电等方面的教学与科研工作；E-mail:linlidexin@163.com

TM30

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