轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略

轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略
盛义发 1，喻寿益 1，桂卫华 1，洪镇南 2
(1．中南大学信息科学与工程学院，湖南省 长沙市 410083； 2．南华大学电气工程学院，湖南省 衡阳市 421001)
Field Weakening Operation Control Strategies of Permanent Magnet Synchronous Motor for
为了充分利用定子电流，在恒转矩区采用最大
转矩电流比运行[5-15]，其方程如下：
id
=
ψf 2(Ld − Lq )
−
ψ
2 f
4(Lq − Ld )2
+ iq2
(2)
iq =
(8Teψ 3np
f
)2
−
4[ψ
2 f
2[ψ
2 f
− 4(Ld − 4(Ld
−
Lq
)2
][(
4Te 3np
− Lq )2 ]
)2
iq 转矩递增方向 电压递减方向 恒转矩方向
θ
θ
θ
id
O

1.1 弱磁区域的确定
轨道车辆用内置式永磁同步电机运行过程中
电流、电压轨迹曲线如图 1 所示[5-15]。
MTPA
iq
MTPV
A
BE DF
Teb Te1 Te2
Te3
G
H
I C
id
ωb ≥ ω1 ≥ ω2 ≥ ω3
ψ (−
f
, 0)
O
Ld
图 1 内置式永磁同步电机运行过程电流、电压轨迹 Fig. 1 Trajectory of current and voltage of IPMSM
IPMSM 的转子磁场由永磁体产生，因此不可 能直接被减弱，其弱磁控制是利用直轴电枢反应使 电机气隙磁场减弱，从而达到等效于减弱磁场的效
第9期
盛义发等：轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略
75
果。文献[1]提出了六步电压法，实现了对直流母线 电压的最大利用，但该算法对电机参数和负载条件 敏感，鲁棒性差。文献[4]提出了单电流调节器控制 算法，鲁棒性好，但变转速、转矩时最优直轴电压 较难选择。文献[5]采用查表法，应用前馈控制的概 念，通过查表来进行快速响应，但该算对数据表精 度要求比较高，且闭环控制器的增益较难设置。
本文研究轨道车辆用内置式永磁同步电机的 弱磁控制，提出了利用电压极限椭圆的梯度下降法 进行弱磁和电流参考值修正的新方法。该方法主要 分为弱磁区域的确定和电流参考值的修正 2 部分。 弱磁区域由恒转矩曲线方向和电压极限椭圆递减 方向之间的夹角大小来确定，电压极限椭圆递减方 向信息通过梯度下降法计算得到。电流参考值的大 小根据不同弱磁区域内弱磁方向和电压差值的幅 度大小来确定。该方法不需要查表，控制精度高， 响应速度快，鲁棒性好。
1 内置式永磁同步电机的弱磁控制
速的升高，电机的运行曲线为：从 D 点开始沿着恒 转矩曲线运行到 E 点，最后到达 C 点[5-15]。
首先根据电机的运行曲线确定其所在的弱磁 区域(弱磁区域 I、弱磁区域 II)。如图 2 中用不同的 箭头分别表示转矩递增方向、恒转矩方向和电压递 减方向。θ 角为恒转矩方向和电压递减方向之间的 夹角，根据 θ 角的大小可以确定电机运行所在的弱 磁区域。当 θ < 90° 时，电机运行于弱磁区域 I，当 θ ≥ 90° 时，电机运行于弱磁区域 II。然后，根据所 在的弱磁区域，对电流参考值进行相应的修正和弱 磁控制。
KEY WORDS: railway vehicle; interior permanent magnet synchronous motor; field weakening; gradient descent method
摘要：内置式永磁同步电机可利用其磁阻效应来提高电机效 率和改善调速特性，适宜用作轨道车辆的牵引电机。研究了 轨道车辆用内置式永磁同步电机的弱磁控制，提出了利用电
−ψ
2 f
]
+
8Teψ f / 3np
2[ψ
2 f
− 4(Ld
−
Lq )2 ]
(3)
此时，IPMSM 在电流环限制内的最大转矩/电
流运行轨迹如图 1 中 OA 所示。
为了便于工程实现，利用 Matlab 可得到 id=f (Te) 和 iq= f(Te)的函数曲线，选取 IPMSM 电机参数：PN = 100 kW ； UN = 233 V ； np = 2 ； Rs = 2.85 Ω ； RFe =
Railway Vehicles
SHENG Yi-fa1, YU Shou-yi1, GUI Wei-hua1, HONG Zhen-nan2
(1. Institute of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China; 2. School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China)
第 30 卷 第 9 期 74 2010 年 3 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.30 No.9 Mar.25, 2010 ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2010) 09-0074-06 中图分类号：TM 351 文献标志码：A 学科分类号：470·40
图 2 转矩、电压方向图 Fig. 2 Directions of torque and voltage
1.2 弱磁区域 I 的运行分析
内置式永磁同步电机的电磁转矩方程如下：
Te
=
3 2
np
[ψ
f
iq
+ (Ld
−
Lq )id iq ]
(1)
式中：ψf 为转子永磁磁链；np 为极对数；Ld 和 Lq
为交、直轴电感；id 和 iq 为交、直轴电流。
ABSTRACT: The interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) can make use of the magnetoresistive effect to improve its efficiency and speed characteristics, so that it is suited to railway vehicle. The field weakening control strategy of interior permanent magnet synchronous motor for railway vehicle was studied in the paper. A novel method of modifying the current reference and field weaking based on gradient descent of voltage limit according to the ellipse were proposed. The method consists of two parts, one is the determination of the field weakening region, another is the current reference modification. The field weakening region was determined by the angle between the constant torque direction and the voltage limited ellipse decreasing direction. The direction of voltage limited ellipse decreasing was calculated by using the gradient descent method. The current reference was modified by the field weakening direction and the magnitude of the voltage error according to the field weakening region. The simulink model was founded by Matlab and the experiment platform of the 100 kW IPMSM field weakening control system was implemented using a TMS320LF2407A DSP. The validity of the proposed strategy was proved by the simulation and experimental results.
76
中国电机工程学报
第 30 卷
102.85 Ω；Ld = 2.5 mH；Lq = 7.5 mH；J = 0.008 kg⋅m2； ψf = 0.75 Wb；nN = 1 800 r/min。采用多项式拟合方 法可得 3 阶多项式拟合函数表达式为
id = −0.001Te3 − 0.003 2Te2 + 1.575Te − 0.217 (4) iq = 0.003Te3 − 0.021 6Te2 − 0.010 3Te + 0.112 (5) 当 IPMSM 运行速度大于基速时，受到电压和 电流极限环的限制，电机进入弱磁区域 I 内运行。 为最大限度利用逆变器容量，控制电流矢量沿着电