一种旋转电压注入的电压开环控制的直流偏置抑制方法

张 冀， 张舟云

(上海电驱动股份有限公司，上海 201806)

0 引 言

在新能源汽车领域，永磁同步电机以其高功率密度，高效率的优点，成为驱动电机的主流。为了使车辆获取更高的运行速度，必须对电机进行深度弱磁，最高运行速度常常是额定转速的数倍以上。与异步电机相比，永磁同步电机的弱磁方法较为复杂，在不同运行区域呈现出不同的弱磁特性。另外，弱磁特性与电机参数相关，而电机参数特别是交直轴的电感会随着电流急剧变化，因此也会导致弱磁特性的动态变化。因此永磁同步电机的弱磁方法一直是研究的热点。目前主要有弱磁电流反馈补偿法[1-2]、电压角补偿[3-4]、查表法[5]、q轴电压误差法[6]、单PI参数法[7]等。这些方法在一定程度上给出了弱磁方法的方向，但是对于工程来说，需要考虑电机差异、现场调试可控性及时效性等问题，因此需要时间成本更低的工程方法。

一种较为快速有效的永磁同步电机弱磁特性工程整定方法是，在不同的转速区域，采用电压开环给定的方式，使电机直接运行在电压环上，由此直接得到电机的控制参数表。但是，由于逆变器环节存在非线性，电机本体存在三相不平衡等制造品质因素，使得开环控制时，三相电流存在直流偏置，且偏置随着功率上升而增大，这使得电流产生波动，导致电机输出扭矩也波动。对于大功率电机特别是商用车用电机来说，其峰值扭矩在1000 Nm以上，扭矩波动会产生噪声以及母线电压跳变问题，更重要的是会影响控制参数表获取时的扭矩精度，严重时会制表失败。

针对电压开环控制时存在的电流偏置问题，本文首先从理论上分析了偏置对交直轴电压的影响，得到存在旋转干扰电压分量的结论，再次设计了偏置抑制算法，通过注入与电频率同步的旋转电压来抑制干扰，最后通过实验验证了所提方法的可行性与有效性。

1 理论分析

1.1 电压开环控制

当电机转速上升至基速以上时，相电压达到最大，为了继续升速或增大输出功率，需要对d轴增加弱磁电流。电压矢量会在电压环上随着弱磁电流向uq等于零的方向移动，最终uq过零并停留在MPTV点上，达到该转速点下的最大功率。由于此时电机运行在电压环上，如果进行电流闭环控制，则一旦存在电流扰动或者PI参数失调，都容易使得调节出的电压矢量超出电压环，引起过压故障。

图1 电压开环控制原理

电压开环控制的实现框图如图2所示。dq轴电压为开环给定，不同的电压组合得到不同的dq轴电流和对应的输出扭矩，通过记录电流和扭矩，就可以得到电机的控制参数表。

图2 电压开环控制实现框图

电压开环控制的方式具有简单、不用考虑电机参数的优点，但是由于没有调节器，抗干扰能力不足，仅能用于电机特性的确定，最终还是需要根据测得的参数表进行电流闭环控制。但是，参数表确定时需要电机应处于稳态，既转速、扭矩和电流应保持恒定，才能确定具体的控制参数。由于逆变器通常是非线性较严重的IGBT器件，另外电机本体工艺上也存在三相略微不平衡，因此在工程实测中，开环控制会导致三相电流出现直流偏置，进而引发电流波动和扭矩波动，对确定控制参数造成了困难。

1.2 直流偏置的影响分析

若含偏置的三相电流表达式为

(1)

式中，I1为a相偏置电流，I2为b相偏置电流。ia,ib,ic分别为a,b,c三相带偏置的交流电流，ia1,ib1,ic1分别为a,b,c三相理想的无偏置的交流电流。

转换至静止坐标系下：

(2)

式中，iα,iβ分别为相电流存在偏置时，转换至静止坐标系下的静态电流，iα1,iβ1分别为相电流不存在偏置时，转换至静止坐标系下的静态电流。

将式(2)转换至旋转坐标系下，可以得到：

(3)

式中，id,iq分别为相电流存在偏置时，转换至旋转坐标系下的静态电流，id1,iq1分别为相电流不存在偏置时，转换至旋转坐标系下的静态电流。

如果令:

则式(3)可以重新写做：

(4)

式中，p为微分算子。

带扩展反电动势的dq轴电压模型为

(5)

因此可以计算得到带偏置情况下的电压模型为

(6)

式中，ud,uq分别为相电流存在偏置时，转换至旋转坐标系下的静态电压，ud1,uq1分别为相电流不存在偏置时，转换至旋转坐标系下的静态电压。

若忽略定子压降，可以写成：

(7)

(8)

考虑到随着电流上升，Lq急剧下降，电感差增益I(ω+1)(Lq-Ld)相对于电机电压和功率等级的分量较小，因此忽略后可以得到：

(9)

写成矢量形式后：

(10)

1.3 旋转电压注入

图3 干扰电压矢量dq轴分量

因此，只要在开环控制时，只要根据电流偏置大小，向dq轴分别注入一个旋转的补偿电压矢量，就可以消除电流偏置。且补偿电压矢量为：

(11)

对于电驱动领域来说，通常定义电机逆时针旋转时转速为正，顺时针旋转时转速为负，因此补偿电压分量的符号需要根据电机转速方向来制定，正转速和负转速的补偿电压分量符号相反。由于正反转速下相同扭矩对应的工况分别为电动和发电工况，因此电动和发电工况时的补偿电压分量的符号也相反。

2 实验验证

搭建如图4所示的对拖台架，进行算法验证实验。由测功机提供转速，被测电机进行电压开环控制，被测电机参数如表1所示，用示波器抓取旋转电压注入前后的三相电流波形。

图4 实验平台

表1 被测电机参数

测功机给定4500 r/min，被测电机电压控制的扭矩分别为125 Nm、175 Nm和210 Nm，对应电机输出功率分别为59 kW、83 kW和99 kW，注入旋转电压前后的电流波形如图5所示。可以看出，随着输出功率的上升，开环控制的三相电流中包含的直流偏置也随之增大，导致三相电流出现不平衡现象，这会导致根据三相电流和电机转角来计算的dq轴电流也出现波动，同样也会导致扭矩波动，这些都会影响控制参数表的精确获取，而在经过旋转电压注入后，三相电流的平衡性明显得到了改善，这意味着稳定的输出扭矩和dq轴反馈电流，有利于确定较为精确的控制参数。

图5 4500r/min旋转电压注入前后电流波形

测功机给定7500 r/min，被测电机电压控制的扭矩分别为66 Nm、81 Nm和104 Nm，对应电机输出功率分别为52 kW、64 kW和82 kW，注入旋转电压前后的电流波形如图6所示。可以看出，注入旋转电压后，也得到了和4500 r/min相同的三相电流平衡性改善的结果。另外还可以看出，在输出功率基本一致的条件下，随着转速的上升，不平衡性进一步加剧，这需要更高幅值的注入电压，符合理论分析。

图6 7500r/min旋转电压注入前后电流波形

3 结 语

本文提出了一种旋转电压注入的方法，来抑制电压开环控制时三相电流中的直流偏置，从而获得稳定的控制参数。从理论上分析了直流偏置对交直轴电压的影响，推导了抑制算法，得到了旋转电压注入的理论依据，进行了实验。实验结果表明，所提方法对电压开环控制时存在的直流偏置具有明显的抑制作用，算法的有效性和可行性得到了验证。