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电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制

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电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制 1 引 言 电动汽车对驱动系统的基本要求是: 低速时 能输出恒定转矩,以适应快速起动等要求;高速时 能输出恒定功率,具有较宽调速范围,适应高速行 驶等要求。 较强的弱磁性能可在逆变器容量不变 的情况下提高电动汽车起动等能力, 或在保持能 力不变的前提下,降低电机最大功率,从而减少逆 变器容量。 因此对电动汽车驱动用 PMSM 进行弱 磁控制,并拓宽弱磁范围具有重要意义。 由于 PMSM 的转子励磁磁场由永磁体产生 , 不能直接减弱转子磁场 , 因此弱磁控制便成了 PMSM 的研究热点。 弱磁控制原理是通过增加...

电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制
1 引 言 电动汽车对驱动系统的基本要求是: 低速时 能输出恒定转矩,以适应快速起动等要求;高速时 能输出恒定功率,具有较宽调速范围,适应高速行 驶等要求。 较强的弱磁性能可在逆变器容量不变 的情况下提高电动汽车起动等能力, 或在保持能 力不变的前提下,降低电机最大功率,从而减少逆 变器容量。 因此对电动汽车驱动用 PMSM 进行弱 磁控制,并拓宽弱磁范围具有重要意义。 由于 PMSM 的转子励磁磁场由永磁体产生 , 不能直接减弱转子磁场 , 因此弱磁控制便成了 PMSM 的研究热点。 弱磁控制原理是通过增加定 子直轴电流, 利用直轴电枢反应使电机气隙磁场 减弱, 达到等效于减弱磁场的效果,从而实现弱 磁增速。 这里在电流调节的基础上, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种 PMSM 超前角弱磁控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,并进行了实验验证。 2 永磁同步电机 d,q 轴数学模型 对于 PMSM 而言, 通常采用转子磁场定向的 矢量控制方法 [1-2]。 此时,取永磁体基波磁场的方 向为 d 轴,而 q 轴顺着旋转方向超前 d 轴 90°。 转 子参考坐标的旋转速度即为电角速度 ωe, 其空间 坐标由 d 轴与 A 相定子绕组的夹角 θe 来确定 , 图 1 示出 PMSM 的基本矢量图。 电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制 李建业, 罗德荣, 曾志波, 高志军 (湖南大学, 湖南 长沙 410082) 摘要:由于永磁同步电机(PMSM)具有体积小、功率密度 、效率及功率因数高等特点 ,目前在电动汽车驱动系统 中具有较高的应用价值。 针对电动汽车用 PMSM 基速以上弱磁控制时存在的电流调节器饱和、不可控问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,设 计了基于转子磁场定向带电压外环控制的电流超前角弱磁控制方法 ,实现了基速以下恒转矩调速和基速以上 恒功率弱磁控制 ,以及两种工作模式的平滑 、稳定过渡 。 在 PMSM d,q 轴数学模型的基础上 ,分析了其弱磁控 制原理,设计了其超前角弱磁控制方法。 利用 Matlab 对设计的 PMSM 超前角弱磁控制方法进行了仿真验证,通 过实验证明了该方法的有效性。 关键词:电动汽车; 永磁同步电机; 弱磁 中图分类号:TM469.72 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2011)06-0053-02 A Leading Angle Flux-weakening Control of Permanent Magnent Synchronous Motor Used in Electric Vehicles LI Jian-ye, LUO De-rong, ZENG Zhi-bo, GAO Zhi-jun (Hunan University, Changsha 410082, China) Abstract:Permanent manet synchronous motor(PMSM) has many advantages in the motor driving system of electrical vehicle because of its excellent performances,such as small cubage,great power density and high efficiency.This pa - per describes a novel flux-weakening control method for the PMSM.It is implemented based on the outer voltage regu - lation loop which regulates the phase angle of current leading EMF in order to prevent the saturation and uncontrol - lable status of the current regulator.Based on the d,q mathematical model of the PMSM,this dissertation ana -lyzes the principle of the flux-weakening,then a new method which called current lead angle flux-weakening control for PMSM based on PI current regulator is presented.Furthermore,in this thesis the air-gap flux orientation for flux-weak- ening control is analyzed and a block diagram of the control system is given.The simulation results in-dicate the fea- sibility and validity of this scheme. Keywords:electric vehicle; permanent manet synchronous motor; flux weakening 定稿日期:2010-12-06 作者简介:李建业(1987-),男,山东潍坊人,研究方向为电 力电子与电气传动、伺服控制。 图 1 PMSM 基本矢量图 电力电子技术 Power Electronics Vol.45, No.6 June 2011 第 45 卷第 6 期 2011 年 6 月 53 电力电子技术 Power Electronics Vol.45, No.6 June 2011 第 45 卷第 6 期 2011 年 6 月 在 d,q 坐标系下 ,PMSM 的电压 、磁链 、电磁 转矩方程如下: ud uq� �= Rs+pLd -ωe Lqωe Ld Rs+pLq� �idiq��+ 0ωeΨf� � Ψd=Ldid+Ψf, Ψq=Lqiq Tem=pn[Ψf iq+(Ld -Lq)iq id � � � � � ] (1) 式中:p 为微算子;ud,uq 为 d,q 轴定子电压 ;id,iq 为直交轴 电流 ;Ld,Lq 为直交轴电感 ;Rs 为定子电阻 ;Ψf 为永磁体产 生的磁链;ωe 为转子电角速度。 若用幅值和相位表示 id,iq,可得: id=-Issin β, iq=Iscos β (2) 式中 :Is= 3姨 Ie= id2+iq2姨 ,Ie 为电枢电流一相的有效值 ;β 为电枢电流 is 超前 q 轴的角度,β=arctan(-id /iq)。 用 β 表示电流矢量的大小 is,则电磁转矩为: Tem=pn[Ψf iscos β+(Ld-Lq)is2sin(2β)/2] (3) 3 弱磁控制原理 PMSM 弱磁控制的思想源自他励直流电动机 的调磁控制。 当他励直流电动机端电压达到最大 时, 只能通过降低电动机的励磁电流来改变励磁 磁通,在保证电压平衡条件下,使电动机能恒功率 运行于更高转速 [3]。 对 PMSM 而言, 励磁磁动势因永磁体产生而 无法调节,只能通过调节定子电流,即增加定子直 轴去磁电流分量来维持高速运行时的电压平衡 , 实现弱磁扩速,电压平衡方程为: us=ωe (Lq iq)2+(Ld id+Ψf)2姨 (4) 图 2 示出定子电流矢量的轨迹。 由图可知,A 点对应的转矩为 Tem1, 是电动机 在转速 ω1 时输出的最大转矩 。 转速升高到 ω2 (ω2>ω1)时 ,最大转矩 /电流轨迹与电压极限椭圆 相交于 B 点,对应的转矩为 Tem3。 若此时定子电流 矢量偏离最大转矩 /电流轨迹由 B 点沿着电压极 限椭圆移动到 C 点,在此过程中电流并未达到极 限值 , 当移动到 C 点时 , 对应输出更大的转矩 Tem2,从而提高了电动机超过转折速度运行时的输 出功率。 若要继续提高转速,则定子电流可沿着 电流极限圆由 C 点移动到 D 点 , 但是转矩会下 降。 定子电流在从 B→C→D 变化的过程中,id 逐 步增大 ,削弱了永磁体磁通 ,在逆变器容量不变 的情况下,达到弱磁扩速目的。 当电动机运行于某一 ωe 时 ,由式 (4)可得弱 磁控制电流矢量轨迹: id =- ΨfLd + 1Ld ulim2 ωe2 -(Ld iq)2姨 (5) 弱磁控制时,为满足式(5),可控制 id 或 β 使 逆变器输出功率不变, 将电动机运行范围扩大到 高速区域。 通过上述分析, 在实际应用中, 提高 PMSM 的弱磁能力主要是在满足电压极限椭圆和 电流极限圆的基础上,通过控制电流矢量轨迹,避 免电流调节器饱和, 从而使 PMSM 由恒转矩调速 平稳、快速地过渡到弱磁工作模式。 与 id =0 矢量控制系统 [4]相比 ,该系统增加了 一个带电压 PI 调节器的反馈环,由电动机端电压 us 与检测到的直流侧电压 Udc 之间的偏差,通过电 压调节器来控制 β 的相位。 在弱磁时,适当增大 β 的相位, 可反向增加 id,id 对气隙磁通产生去磁作 用,达到弱磁扩速的目的。 增大 β,可提高转速;减 小 β,可降低转速。 图 3 示出 PMSM 超前角弱磁控 制系统框图。 4 实验结果 根据上述分析,对 PMSM 超前角弱磁控制通过 Matlab 建立系统仿真模型。 电机参数:Rs=10 mΩ, TN=28.6 N·m,IN=37.8 A,nN=2 000 r·min -1,pn=6, Ld=0.602 mH,Lq=1.295 mH,Ψf =0.056 6 Wb。 电流 环采样周期为 0.1 ms。 图 4 为电机由启动加速至 2 000 r·min-1,再弱 磁至 6 000 r·min-1时的实验波形。 可见,所提出的 弱磁控制法具有较宽的调速范围, 系统速度响应 较迅速,弱磁时所需电流较小。 (下转第 66 页) 图 2 定子电流矢量轨迹(ρ≠1) 图 3 PMSM 超前角弱磁控制系统框图 54 电力电子技术 Power Electronics Vol.45, No.6 June 2011 第 45 卷第 6 期 2011 年 6 月 5 结 论 在永磁同步电机弱磁控制原理基础上, 建立 了仿真模型, 并对其超前角弱磁控制系统进行了 研究,分析了空载、加载以及负载不同时的电流响 应。研究可知该控制系统具有过渡过程平滑稳定、 电流控制准确、控制方法简单、受电动机参数影响 小等优点。实验验证了该方法的可行性。系统具有 良好的调速性能,能很好地满足电动汽车的要求。 参考文献 [1] 唐任远 .现代永磁电机理论与设计 [M].北京:机械工业 出版社,2000. [2] 陈伯时 .电力拖动自动控制系统 [M].北京:机械工业出 版社,2004. [3] Nicola Bianchi,Silverio Bolognani,Mauro Zigliotto.High- Performance PMSM Drive for an Electrical Scooter[J].IEEE Trans. on Industry Applications,2001,37(5):1348-1355. [4] Jiunn-Jiang Chen,Kan-Ping Chin.Automatic Flux-weaking Control of PMSM Using a Reducd Order Controller [J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2000,15(5):881-890. 图 4 实验波形 为 32 V。 图 5b 示出突加负载时 a 相电压、电流波 形图。 可见,在瞬态过程中,ia 并未发生振荡现象, 始终保持正弦,并且功率因数始终保持为 1。 5 实验验证 为进一步验证所提控制算法的正确性, 进行 了实验验证。 系统实验主电路参数与仿真参数相 同。 初始时,负载电阻为 24 Ω。 由图 6 可见,稳态 时 Udc 保持稳定,ia 波形几乎为正弦, 并且保持单 位功率因数。 负载电阻由 24 Ω 突变为 16 Ω 时,ia 波形并未发生振荡现象,实现了平滑过渡。 Udc 最 大跌落为 27 V,与仿真结果相近。 6 结 论 三相 PWM 整流器普遍采用双闭环 PI 控制系 统, 电流环是一个多输入多输出系统, 传统的 PI 调节器无法满足该系统高性能控制需要。因此,设 计了一种 H∞ 鲁棒控制器,无需解耦,且抗干扰性 和动态性较好。 通过将 PWM 整流器转化为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 H∞ 鲁棒控制问题,建立了增广状态方程,定义了 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 信号。 根据 H∞鲁棒控制原理,求解 Riccati 不 等式,找出正定解,得到所设计的控制器。 通过仿 真和实验证明, 该系统可实现单位功率因数稳定 运行,并且具有较好的动态效果和抗干扰性。 参考文献 [1] 周 鑫 ,郭源博 ,张晓华 ,等 .基于自适应跟踪控制的 三相电压型 PWM 整流器[J].中国电机工程学报,2010, 30(27):76-82. [2] 高吉磊 ,黄先进 ,林 飞 ,等 .基于重复观测器的 PWM 整流器无差拍控制 [J].电工技术学报 ,2010,25 (6): 47-54. [3] 徐 彬,杨 丹,王 旭,等 .电压型 PWM 整流器模糊 逻辑功率预测控制策略 [J].电机与控制学报 ,2010, 14(8):52-57. [4] 邓富金,蔡 旭.基于内模控制的双闭环 PWM 整流器[J]. 电力电子技术,2008,42(6):60-62. [5] 梅生伟 ,申铁龙 ,刘康志 .现代鲁棒控制理论与应用 (第 2 版)[M].北京:清华大学出版社,2008. [6] 薛应枫 ,何礼高 .基于电压定向矢量控制的三相 PWM 整流器研究 [J].电力电子技术,2010,44(4):74-76.图 6 实验波形 图 5 突加负载时直流母线电压及 a 相电压电流波形图 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (上接第 54 页) 66
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