整理磁路交叉饱和及电感参数补偿的内置式永磁同步电机解耦控制

1、精品文档磁路交叉饱和及电感参数补偿的内置式永磁同步电机解耦限制摘要：分析了磁路交义饱和对内置式水融 M 步电机 (IPMsM) 桶速限制系统性能的影响；建立了考虑磁路交 叉饱和并对其电感参数进行补偿的限制算法.利用 MATIAB 仿真上具,建立了具有饱和特件的 IPMsM 模 型,及基于空间矢量脉宽调制 (sVPwM) 限制方法的考虑饱和补偿的前馈解耦调速限制系统模型,实现了恒 转矩和恒功率运行范围的系统仿真、仿真结果说明采用该拧制力法可有效提升调速系统的跟随性、鲁棒性 和精确度.关键词：解耦限制；交叉饱和；内置式永磁同步电机0 引言永磁同步电机 (Permanent Magnet svnch

2、m_nous Motor ,PMsM) 具有能量密度高、 效率高、可靠性高、 体积小、 结构简单等优点,其在航空航天、数控加工、电动汽车驱动等领域已得到了广泛应用1-3 .根据永磁体在转子侧安装位置的不同,可将电机分为外表式 PMsM 和内置式 PMsM(InnerPMsM , IPMsM) . IPMsM 存在 磁阻转矩,提升了恒转矩区的转矩输出水平,并且拓宽了恒功率区的速度运行范围,更符合电动汽车使用 要求.PMsM 是一个多变量、强耦合、非线性的系统,交叉饱和、耦合等多种冈素的影响使电机的限制性能和 精度不理想 5 .本文在对考虑饱和的电机参数和 PMsM 的数学模型分析的根底上,利用

3、MAATLAB 建市 了具有饱和特性的电机模型.采用每安培最大转矩和弱磁限制策略,在调速限制系统参加跟随电机参数变化的解耦限制模块,实现考 虑饱和补偿的优化限制,并与没有饱和补偿的限制系统模型进行比拟.最后,基于 MAT LAB 建立系统 仿真模型,仿真结果说明改良后的系统具有较快的响应时间,拓宽了高速区的范围,提升了低速区的输出 转矩.1 IPMsM 数学模型以坐标旋转变换为根底的 PMsM 矢量限制,在 dq 同步旋转坐标系下实现了类似直流电机的限制性能. 其稳态运行时的数学模型等效方程如下.精品文档电压方韻转蜓方程:匚=瓠枷+(儿儿 (2)在稳态下&&为常数*高世时牛电R

4、1压降可以忽 略,电压方程可简化为=-少讥式中:=如.(* / <M、叫d、g轴的等效电压; &底子电阴； S"<7轴电渍；h厶-"沖轴电感; p微分尊r；几极对数； 叭电用速度; 爭 永龜議信;件屯磁转矩2电流限制策略为了充分利用磁阻转矩,IPMsM运行在恒转矩区,采用每安培电流最大转矩限制策略.该方法使逆变器的输岀电流最小,减小了逆变器和电机的损耗,降低了系统的整体损耗,节约了能量；并且可以顺利过渡 到弱磁限制,改善电动机恒功率运行时的输岀转矩性能.随着速度的提升,电压随之增加,当电机转速升 到转折转速时,转矩输岀最大且电压电流均到达极限值,此时,电

5、机运行在如图1所示的A点.假设电机继续升速,那么进入到弱磁运行区域.根据弱磁限制Flux weakening原理,通过增加去磁电流Id,减小直轴磁链来维持高速运行时电压平衡,减小转矩为代价,电流轨迹沿电流圆逆时针方向向下即为Ac段运行轨迹；2如果电机没有到达最大转矩时如D点进入到弱磁状态,那么电机可以恒转矩运行到F点,假设继续提升转速,那么转矩随之降低,沿Fc段轨迹运行.cE段为最大功率弱磁区域,只有电机的弱磁E=LDig/书1>时才存在,理论上速度可以到达无穷到达弱磁扩速的目的.弱磁限制可分两种方式：如图1所示,电机在A点时输岀最大转矩,假设升速那么以處伍极孫輸岡大,此时输岀转矩为零7

6、-忻较拒轨连/< j-/ 厂3阳|足r电就矢吊轨述3磁路饱和影响及电感参数补偿在 IPMsM中,有效气隙小,电枢反响磁场的作用使磁阻发牛很大变化, d轴电感和q轴电感不相等,转子结构不对称,存在磁路交叉饱和影响. 由于d轴位十永磁体的轴向位置, 如图2所示,且永磁体的磁导率接近于空气磁导率,所以q轴的有效气隙比d轴有效气隙小,冈此电枢反应引起的磁饱和主要存在于 q轴.根据有限元软件分析得到的d、q轴电感随电流的变化如图 3所示,d轴电感值相对稳定,q轴电感值随q轴电流增加而明最减小.閉2电愉貫防图由于q轴电流与转矩成线性关系,在恒转矩区,交叉饱和作用使g轴电感变小,凸极率下降,所以电机输

7、岀转矩冈饱和作用也会降低.在低速运行区,采用每安培电流最大转矩限制策略,电机的电感参数分别 采用额定运行的恒值和图 3所示的电感随电流变化的非线性值.电机转矩和机端电压输岀曲线如图 4所示, 可以看岀磁路交叉饱和对电机特性的影响,考虑交叉饱和时电机输岀转矩和机端电压均降低,凶此需要对 电机的饱和影响进行补偿.图3电爾电流喙化曲哉在高速区,即弱磁区域,由于电流圆的限制,随着去磁电流Id的增加,Iq不断减小,磁饱和作用降低但是,随着d轴电流的不断增大,d轴电感值略有下降,凸极率增加,那么电机的转矩输岀水平略有提升.为了更好地发挥电机固有的输出水平,在限制系统中利用插值法进行补偿.考虑饱和补偿和没有

8、考虑饱 和补偿的转矩速度特性曲线如图 5 所示.从图中可以看出考虑补偿的限制力式不但拓宽了高速区运行范围, 还提升了电机输出转矩.4电流解耦环节由式(I)可看出d轴和q轴反电动势相互耦合,即 ud、uq不能独立限制id、iq,属于典型的非线性系统.由式 (1)可知,在低速时,耦合影响小,而在高速时,由于IPMsM 的自感相对较大,耦合起了主导作用,使得耦合影响随着转速的提升更加明显,从而严重影响弱磁电流和转矩响-:14-亠010 如 抽 4436071</A2OISME*甦 fin 4采川悔虫培电说城大轨矩电流限制嫌略的机端电医和箱刑比拟1 000 2 000 3 tKXi伽紬 5 00

9、0 d l>lll 7(HM1 叫心A U 4* 0 > <-0 5 1- !- 丁 4 Ti 1 1ffi5和卄践徘邃看补摆时的转期連理特性比拟精品文档(4弩=Mj - a上入叫式中:冲;、町1菲4山卅一二呢+叭® +厶/念応KPI调节启的給定电压; 一解隅后得到的鑫考电曲应.要在有些运行状态下,解耦之后限制系统性能并不完美,电机饱和也会对限制系统带来不稳定的影响. 在高速时,假设假设q轴电感为恒定值,当电流指令变化较大时,由于电机和逆变器的容量有限,会使得机 端电压超过极限值,PI限制器的输岀产生电压饱和现象,使得限制系统不稳定.因此,采用了电感变化的的馈解耦限

10、制方式对给定电压进行补偿,解耦限制模块如图6所示.精品文档图6采用参JS补偿的綽精换块精品文档5结果分析PMsM矢量限制系统框图如图 7所示.为了模拟实际的电机模型,在此限制系统中,建立了考虑参数饱和特性的电机模型,并在限制系统小,利用跟随电机参数变化的解耦模块对电机电压饱和的影响进行了补偿限制.电机参数如表 1所示.东17.5 kW电机毯数畑伙4定子 rllRl/HO.A250.062i抽他宦咆感曲【0.20 4724阀准转肚"rB mh)13 000利用MATLAB对电机调速系统进行了仿真,并对有、无解耦补偿的限制系统仿真结果进行比拟,如图8所示.电机空载起动,到达给定速度4 0

11、00 r/min后,在t=0.15 s加小负载转矩Te=5 N m,电机稳定运行后在t=0.2 s时转速阶跃上升到 5000 r/min.如图8(a)所示,采用解耦补偿之后,电机的起动转矩大,起 动时间短,响应速度快,转矩波动小.图8(b)为速度曲线,解耦补偿之后转速快速上升剑给定值,加负载扰动,速度稍有降低后立即恢复到稳定值,动态性能好,鲁棒性好.图8(c)、(d)为电流响应波形,电流波动小,抗干扰性好,能快速稳定.精品文档f,"-臨丄*伽图了II霊祈i调建禅制議続棒阳£1)協谢即商®剜5 5IK) '财 J JOU .4 ow 匚门创 =W曲0 匚匸黑加 A "Hi * I 5011t阿5UU0<1.05 II ill fl IS ft.20 OJS IIJH(t) o*N<ttn(-)轴吐点柏站卜性没rr懈氐"枕一!叫-12okIi 和 *111*90,0$ 也山 QJ5 0 訓0.)0(>n1*