弱磁控制策略#姚超，颜建虎，应展烽# 张旭东,周鑫昇(1.南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094；\"\"#\"
2.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京 210094)摘要：针对车用永磁同步电机(PMSM)运行过程中直流母线电压跌落造成电机基速发生变化的问题，
提出了一种根据直流母线电压实时调整PMSM直轴电流的弱磁控制方法。当电机母线电压低于给定转速所的母线电压,且电压 的 型， 的基 建了
中图分类号：TM 351
与电流 时，通过 电流调 出的电压综合矢量与实时直流母线电压，来调整电机直轴电流,从而维持恒定转速。根据所提控制方法搭建了基于MATLAB/Simulink
了提控制方法 ，通过
直流母线电压跌落带来的转速突变的问题。最后，在仿&了该弱磁控制算法的
关键词：永磁同步电机；弱磁控制；直轴电流；母线电压文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2019)07-0001-06Flux-Weakening Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous
Motor with DC Bus VoUage Drop *YAO Chao1, YAN Jianhu1, YING Zhanfeng2 ,
ZHANG Xudong2 , ZHOU Xinsheng1(1. School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology,
Nanjing 210094, China)Abstract: To solve tie problem of the base speed change of the permaneni magnet synchronous motor ( PMSM)
caused by the DC bus veltage drop during operation, a flux-weakening control method by adjusting the d-axis curreni
of the PMSM based on the DC bus veltage was proposed. When the bus voVaae of the motoo was lowee than the bus
voVaae required foe a given speed as well as the veltage limit eeipse intersected the current limit circle, the d-axis current of the motoc was adjusted by judging the voVaae vectoc from the current reeulatoc output vvlue and the reeltime DC bus voVaae, se as i maintain the constant speed. The simulation model was built on MATLAB/Simulink
according to the proposed control method. The simulation results verified that the proposed control method could solve the problem of sudden speed change caused by the DC bus veltage drop. Finally, an experimental platform was
constructed i validate the effectiveness of the flux-weakening control method.Key words： permanent magnet synchronout motor (PMSM) ； flux-weakening control； !-axit current；
DC but voUage*基金项目：国家自然科学基金项目（51607091）作者简介：姚 超（1994—）,女,硕士研究生,研究方向为永磁同步电机弱磁控制技术&
颜建虎（1983—），男,副教授，研究方向为新型永磁电机的设计与控制技术&
应展烽（1982—）,男，副教授,研究方向为电机控制技术&—1——
控制与应用技术I EMCA0引言永磁同步电机(PMSM)由于高效率、体积小、
低 简
成为电 车电机驱的 。但电
车电池的直流母线电压跌落造成电机的基速和转折速度发生变化,可能
电机 控。为
电机运行时母线电压跌落造成电机失控，
合的弱磁控制法。的PMSM弱磁控制方法是基于直流母
线电压
的方法， ： 计算法⑴、 法〔2*、
法〔** & 中， 计法 电机的
，由于电机在运行中，电与磁
电流的变化而发生变化，则不用于直接的 计算，
，实际中应用；
法 量的
据搭建， 了
计算法对电机
的 ，普遍性，实现困难； 法根据电机的电压 的电压递减的方向与恒转矩运行曲线之间的夹角
，来确定电机运行
的弱磁区域,虽避免了使用大量 据带来的不便，但实现程序复杂。对于考虑直流母线电压变化的PMSM弱磁
控制方法，国内外也开展了一些研究。文献［4* 根据转速、转矩和母线电压建立了三维指令表，解
了电流调 饱 来转速失调的问题，同时也增强了动态
，但创建 难 &文献［5 *采用了电压反馈指令法，创建了二维指令表，
将转速、转矩和电压按照一定的比例作为控制指
令来修正电流，在一定程
减少了三维指令表的
据量，但创建的
普遍&文献)6*母线电压跌落时，引入了 电压矢量的闭环控制，实时修正直轴电流，虽避免了
电流调 饱和的
，缺 引入的PI调多，调 困难。文献［7*提出将实际母线电压向
额定母线电压
合，同比调整作为 据的电角速度指令值，虽拓宽了电机工作区的范围，
仍
创建
&文献)8 *提出一种逆变器的电压空间矢量脉宽调制(PWM)过调制算法，虽提
了母线电压的利用率， 法复杂&针对PMSM的直流母线电压突然下降
电机失控的不足，本文提出了在母线电压过低的—2 —电机与控剧定用2019,46 (7)，采用负直轴电流补偿的方法。该方法有
地 了 PMSM母线电压突然跌落 转速调的问题，而 迅速稳定转速，使电机仍旧持恒定速度，
过程中运算速度快，同时鲁棒性好。1 PMSM在dq坐标系下的数学模型考虑到PMSM系统多变量、非线性、强耦合
等特点，为了建立正弦PMSM dq坐标 的数 学模型，首先假设:忽略电机的铁心饱和、涡流
磁 ，且电 机的电流为三相正弦波的电流〔9*&dq坐标系下的定子电压方程为r U9 ：. d sd + 击d!d _ !\"e< (1)% 二 d^qRgq + 击 + !\"e式中：叫、％、*、*、！、！q、\"八Rs-------直轴电压、交轴电压、直轴电流、交轴电流、直轴磁链、交
轴磁 、转 电角 速
电 电 &磁 方程为9 >dqd + !
( 2)Wq 9 Lqiq式中：A/、/、！——直轴电感、交轴电感和永磁体
磁&稳态时,dq坐标系下的定子电压方程为{Ud 二 rs
( 3)1% 二 R + \"(! + >dqd)电机运行在高速时，
忽略电阻压降，即dq坐标系下的定子电压方程为\":{"h":15.315,"w":13.547,"x":560.325,"y":838.798,"z":527},"ps":{"_scaleX":1.224},"s":{"font-size":"14.233d 9 ":{"h":15.297,"w":7.211,"x":596.55,"y":838.812,"z":532},"ps":{"_scaleX":1.523},"s":{"font-size":"14.217 Laia\"e(
\\":{"h":11.295,"w":5.489,"x":560.325,"y":871.932,"z":544},"ps":{"_scaleX":0.857},"t":"wordUq= \"e(!4)f + Ldqd )电流极限圆方程为*9* + a (5)
式中：a——定子相电流。电压 方程为Us 9 (\"丄q* 2 + (\"丄d* + !) 2
( 6)式中：U s——定 电压&电磁转矩方程为?9 护3+ (Ld-Lq) a* (7)电机与披制应用2019,46 (7)式中：卩工---极对数和电磁转矩。2母线电压恒定条件下的弱磁控制
原理母线电压恒定
的弱磁控制
中，电机直流母线电压恒定不变，即电压
值。当电机转速低于基速，运行在恒转矩区时，电
机的 转矩输出 逆变器电流额定值的限制，因此 采用 转矩电流比(MTPA)控制方法,在给定的转矩 消 的定子电流,达 位电流下电机输出转矩 )10*&当电机转速在基速
，则运行 功率区，此时电机受电压 与电流圆的双
制，运行在弱磁区。图1 为 PMSM运行过程中，转速变化时的 电流轨迹。图1 PMSM运行过程中转速变化电流轨迹图1中,？、？、？为恒转矩曲线;\"1、\"2( \"3、 \"4为电机转 电角速度。其中，？〉？〉？，\"4〉
\"3〉\"2>\"1。图1可以划分为2个区域。区域1(基速 区域)：电流限制区，即图1中AO段曲线。当\"e$ \"1时，电机 转矩调速区采用MTPA法,实现同 出转矩的 ，消的定子电流,从而减小电机和逆变器的损
&此时,电机定 电压未达到电压 ，即 U J $ Uvm(其中:Uim二三,Udc为直流母线电压)&转速的上升，由于电机定 电压 了逆变母线电压的限制， 的电磁转矩来提高速度，即A点转速
转矩区向恒功率区过渡的转折点，也是电磁转矩
&区域2(基速以上区域)：电压和电流共同限 制区［⑴，图1中O4H区域和A3段曲线。当\"1
<\"e，且电机工作
4H曲线上时，电机 功控制与应用技术I EMCA率运行，满足定子相电流不超过电流极限值,并且
电机定 电压不超过逆变器电压
，即Idl $dm， u J $ U em&此区域中，由于电机的反
电
法超过电机端电压,而反电 与转速磁通成正比，
此基
速的话，只使 磁链减小，即增直轴去磁电流的 :行弱磁，
区域称为弱磁区。此外的增大*d的 ，因为会造成永磁 磁，需控制 磁电流达 的 ， 转速的，转矩电流*
&3母线电压跌落情况下的弱磁控制
原理对电机直流母线电压跌落
行 ，即电压
然变才、&当母线电压低于给定转速需的母线电压值时，电机转速
然 &当电机母线电压突然跌落到一定程度时， 电机定子电流
达到饱和的
，
入电压饱&为了保证电机转速恒定,则电机工作点从区域
1 入区域2,
弱磁。图2 为 PMSM运行过程中,母线电压变化时的电流轨迹&图2 PMSM运行过程中母线电压变化电流轨迹图2中，Udc1、Udc2、Udc3、Udc4为直流母线电压&
其中，？〉？〉？ ,Udc4>Udc3>Udc2>Udc1& 由图 2 可以
看出,此时电机的电压极限椭圆以A - !,0)为中心点，长轴的右端点为. ,0);而电流\"eLd极限圆以原点O点为中心点,半径为*m&当电机
的转速恒定不变时， 直流母线电压跌落，电机
的电压
&当电机工作在A点时，母线电压从UdC1跌落到Udc2,电机的转 从A点
变成C点,而 持电机的转速恒定， 从C点—3 —控制与应用技术I EMCA电机与控剧定用2019,46 (7)向K点转移,此时 过弱磁控制手段&区域采用MTPA控制法，在调 ，作为*的补偿值对MTPA控制下的*
行修改，使电机在弱磁区域
复杂计算本文在基速 基速
区域采用负直轴电流补偿法。也
:好的工作特性&3・1基速以下区域区域
此外，电机工作在此区间，电压与电流满足以『T* $ *4 2 2.2 + ( 10)
逆变器电流容量的限制，为增，有利于减的转矩，采用出转矩，采用MTPA控制法。该控制法使电
机
同的电磁转矩下定子电流
的电流
! + >5*5 )
+ \"e( Qg)
$ U14电机运行过程中的
&为了利用
，提定子电流的利用由式(9)和式# 10)计算可得电机的基速(转 折速度)表达为3 二定理,对转矩方程 直轴电流@(槡2 +!+’严(11)与交轴电流的给定，即：-------二(I其中:C __ ! + J槡 + 8( >5 _ >8)2 *4 &I %*根据式(5)、式(7)和式#))，可求得直轴电流
*与交轴电流*给定值：从式(11 ) 出电机的转折速度与母线电压成正比。当Udc \"。曲线向。点转移&当电压 (')从\"与电流 (A 电流 夕卜)时，电机不再能够使用弱磁控制手段维持转速恒定，即 (u< - *4。只有当 ud< & 槡(- 在该区域里采用MTPA控制法使加入弱磁控 制算法 方便，也 好地利用内 电机\">5*4 )时，电机才可以通过使用弱磁手段来解 的磁阻转矩 ， 功 运行时输出转矩的&3.2基速以上区域区域 弱磁 区， 采 用 负 直轴电流 补偿 法& 母线电压跌落 ， 来的转速突变的问题&4控制系统的仿真结果根据以上的控制策略，运用MATLAB/S4ulin9 工 方法通过 电流调 出的电压指令与电机的母线电压 ，一电流调 出的 电压综合矢量超过电压 ，则增 直轴电流 建母线电压跌落 的弱磁 型,&从PMSM的弱磁控制法框图，如图3 的 ，使电机的工作 ，重新 电压于逆 图3 ，通过电流调 入弱磁区& 出的电压综合矢量与过内&当电流调 变器电压 出的电压综合矢量 实时的直流母线电压值的0.577 比较，判入弱磁区，则使用电压 时，则计 出两者 过PIpiMTPAAzSVPWM三相 逆变 电路PI V--- zb转速计算e转子位置 检测PMSM图3 PMSM弱磁控制法框图—4 —电机与披制应用2019,46 (7)PI调 出在弱磁区域 补偿的直轴电流，再与MTPA控制算法 的直轴电流进行, 电机的给定直轴电流值&调整电机跌落的母线电压值,使 电机从MTPA区域进入 弱磁区域，采用 的弱磁控制 持电机恒定速度， 控制法的可行性&为了 控制方法的可行 考虑到试的问题，本文选用小功率的内 PMSM作为 对象&电机 1 &表1电机主要参数参数名称参数值额定转速/( r-min-1 $2 000额定功率/9W3.1极对数3定子相电阻/!0.35d轴电感/mH3.75q轴电感/mH2.35永磁体磁链/Wb0.175 4转动惯量/( kg-m2 $0.004 3图4〜图7 为直流母线电压跌落到低于给定转速 的母线电压时,为了保持PMSM持给定转速不变,采用负直轴电流补偿的弱磁 控制方法的 & 时，电机 空载运行。图5表现出直流母线电压跌落,直轴电流a与 轴电流*的变化，此时a在0 50 100 t/s150 200 250图4仿真直流母线电压图5仿真dd与dq控制与应用技术I EMCA25 00r2 0 o or 0u15oo 0 -sr J)1/7UPU・9 9 9s: 0 o o J)^ 9 5o9 o 999 103 107 111 1150 50 100 t/s150 200 250图6 转速12108 6 4 2 图7 岀转矩母线电压 跌落的时候,开始负向增大电流幅 值,进入弱磁区域。由图6 出，直流母线电压跌落时,电机转速发生了微小的波动，响应迅速。5试验结果分析为了充分验证该算法的有效性，进行了相关 机的 。进行 的电机 一, 采用的TI v 的高速 型DSP TMS320F28355作为主控芯片&图8〜图11 为PMSM采用上述的弱磁控 制算法在母线电压 跌落 ，交直轴电流、电机转速 出转矩 。由图9可见,电机在直流母线电压跌落到170 V时,转速突 然 , 于采用了负直轴电流补偿控制方法,使得电机维持恒定转速。因为本文 电机在空，采用转速电流闭环控制， 图11不现电机『 运行 转矩或者恒功率区350300 “三 250 -200 -^150-100 500 50 100 t/s150 200 250图8试验直流母线电压—5 —控制与应用技术I EMCA图9试验*与*图10试验转速域。 了电机的交直轴电流能够准确地 ，所提弱磁控制算法可行。6结语本文针对母线电压低于给定转速 的电 压时,电机 持恒定转速的问题，提出了采用负直轴电流补偿的弱磁控制 转速变。过 出母线电压一旦低于某时，电机的转折速 发生变化。在此基 ，进行了 与 & 了直流母线电压 跌落的 ，采用负直轴电流补偿弱磁控制方法 地维持恒定转速。该控制方—6 —电机与控剧定用2019,46 (7)法通过判定电流调 出的电压综合矢量与实时得来的直流母线电压的 来作为MTPA轨迹曲线向弱磁区的切换点，比计算实时的电机转折 速度作为切换 简单、可靠 应迅速。【参考文献】:1 :朱磊,温旭辉，赵峰，等•永磁同步电机弱磁失控机 制及其应对策略研究:J]•中国电机工程学报， 2011，31(18) : 67.)2 ]王莹，唐任远,曹先庆，等•内置式永磁同步电动机 弱磁控制实验研究[J] •微电机,2008,41( 11) : 1.)3 ]李珂，顾欣，刘旭东，等•基于 法的永磁同步电机单电流弱磁优化控制:J] •电工技术学报， 2016,31(15) : 8.)4 ] LEEJH, LEE J H, PARK J H, et al. Field weakening strategy in condition of DC-link voltage variation using on electrio vehicte of IPMSM ) C ] // 2011 Internationri Conferenco on Electricri Machines and Systems (IPEMS) ,2011•)5 ] KIM B, KWAK M, CHUNG T, ci at. A method foeimproving HEV motoe system eeiciency considering battere voltage vvriation ) C ] // 2011 IPEE 8th Internationai Conference on Powei Electronicc and ECCE Asio (IPPE & ECCE) ,2011•:6 :陈宁，张跃，桂卫华，等•内埋式永磁同步电机驱动 的弱磁控制[J] •控制 与应用，2013,30(6)： 717.:7 :黄苏融，王维辰，王爽，等•基于母线电压动态变化 的电动汽车永磁同步电机控制策略:J] •电机与控 制应用，2012,39( 10)： 24.:8 :吴芳，万山明,黄声华•一种过调制算法及其在永磁 同步电动机弱磁控制中的应用:J] •电工技术学 报,2010,25( 1)： 58.:9 :唐朝晖，丁强，喻寿益，等•内埋式永磁同步电机的 弱磁控制策略[J].电机与控制学报,2010,14 (5 )： 68.:10]陈亚爱，陈焕玉,周京华，等•永磁同步电机弱磁与 过调制控制策略研究)J] •电机与控制应用,2017, 44(11) : 26.:11]盛义发，喻寿益,桂卫华，等•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(9) : 74.收稿日期：2019-03-27 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容