一种新的电动车用IPMSM弱磁方法研究

徐振，谭建豪，陈文科

（湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

1 引言

近年来，随着节能减排意识的增强，电动汽车的研制成为国内外一个研究热点。在电动汽车众多技术当中，电机及其驱动控制系统的研究是一个关键技术，许多学者开展了这方面的研究工作［1－5］。在各种交直流电机中，内置式永磁电机（IPMSM）以其重量轻、体积小、效率高、具有弱磁扩速潜力等诸多优点，成为电动汽车驱动电机的理想选择。不少学者对电动汽车用IPMSM驱动控制技术展开了研究，这些研究工作主要包括两个方面：一方面是基速范围内IPMSM的控制策略的研究；另一方面是IPMSM的弱磁控制策略的研究。文献［6］研究了交流永磁同步电机伺服系统的线性化控制技术，文献［7］研究了基于端口受控哈密顿方法的PMSM最大转矩／电流控制方法，但这些文献的研究重点均为恒转矩区。基于弱磁扩速的基本思想，学者们提出了许多控制策略用于改善。文献［8］提出了单电流调节器控制算法，通过选择最优直轴电压来改善永磁同步电机弱磁控制性能。文献［9］提出了一种6步电压法，通过最大利用直流母线电压，来提高永磁同步电机弱磁控制性能。但这些论文的研究重点在于IPMSM的弱磁控制研究，忽略了恒转矩区研究，电机全转速范围的运用受到限制。

实际应用中电动车对IPMSM的变速范围和转矩要求较高，既要研究其恒转矩区，同时也要对其弱磁控制进行研究，两个区域之间的切换也要满足平稳的要求。本文在前人研究的基础上，开展了全速度范围的IPMSM控制技术研究，在分析IPMSM理想数学模型的基础上，提出了一种新的IPMSM控制方法。该方法按IPMSM运行转速不同分为3个区间，分别用3种不同的策略对电流进行控制，并且通过搭建仿真平台对该控制策略进行了理论研究。理论和仿真结果显示该控制策略具有良好的电流、转矩和转速响应特性，满足电动车对IPMSM控制的基本要求。

2 IPMSM的数学模型

为了分析IPMSM的瞬态和稳态性能，建立其d－q坐标系的数学模型是非常必要的，通过该模型可以分析电机的瞬态和稳态性能。本文沿用理想电机的一系列假设，即：忽略电机的铁芯饱和；不计电机的涡流和磁滞损耗；忽略漏磁通的影响等［10］。d－q 坐标系中IPMSM 的数学模型如下［11］：

式中：ud，uq，id，iq分别为定子电压、电流的d，q轴分量；Ld和Lq分别为定子绕组的d，q轴电感（对于IPMSM，一般有：Ld＜Lq）；Ψf为转子永磁磁链；np为极对数。

由电机的电磁转矩方程可以看出，电机的输出转矩包含两个部分：永磁转矩和磁阻转矩。磁阻转矩是由转子不对称产生的，为了充分利用磁阻转矩，应使id＜0。

3 控制策略

3.1 恒转矩区最大转矩电流比控制

3.2 弱磁控制

电机的控制和运行与系统中为其供电的逆变器密切相关，电机的性能受到一定的约束。系统中存在最大电压Usmax和最大电流Ismax的限制，使得：

要分析永磁同步电动机的弱磁控制本质，就必须从电机的稳态电压方程着手。电机稳态运行时，电枢电阻远小于电枢电抗。在忽略电枢电阻的情况下，电机在d－q坐标系中的电压方程如下：

3.3 最大输出功率弱磁控制

当转速增加达到ω2（ω2＞ω1）时，id将达到电机的最大去磁电流Idmax，为继续增加转速，iq需要进一步减小。另一方面，电机超过某一转速后，在任一给定速度下，在电机的电压极限椭圆上存在一点，该点的电机功率最大。当Ψf＜Ldis时，is随着ω的增加而减少，电压保持Usmax不变。这时采用最大输入功率弱磁控制策略，可得到最大输出功率。电机输入功率为

在给定速度下，要得到最大输入功率，应有：

此时的电流控制策略为

其中

4 仿真及结果分析

为了从理论上验证本文所提出IPMSM控制方法的效果，在Simulink7.3的环境下搭建了仿真平台，如图1所示。仿真采用ode1算法，步长为1e－5。电机的参数分别为：定子电阻0.86Ω；交、直轴电感分别为18mH，14mH；磁链为0.205Wb；极对数为4。PID＿ID和PID＿IQ为2个PI调节器，经过多次试验，其P，I参数分别为：9，0.01；8，0.06。模型中Fcn的表达式为

亦即式（7），为电压限制条件。Subsystem2为前面分析的电流给定算法。

仿真波形如图2、图3所示，从中可以看出：在给定速度为3000r／min时，电机按最大转矩电流比策略运行，转矩保持恒定。id保持不变，iq在加速过程中保持不变，速度到达给定值时开始下降，最后保持不变。给定为5000r／min时，低速区的运行状况和给定速度为3000r／min时类似。进入弱磁区后，id减小，iq在电流约束范围内随之减小，转矩也相应减小；当id的幅值增加到电机的最大去磁电流时，为进一步提速，iq继续减小，直至转速到达给定速度。仿真结果与前面的理论分析一致。

图2 ω＝2500r／min时仿真结果Fig.2 Results of simulation（ω＝2500r／min）

图3 ω＝5000r／min时仿真结果Fig.3 Results of simulation（ω＝5000r／min）

5 结论

本文从IPMSM的d－q坐标系数学模型出发，提出了一种新的交直轴电流控制算法，搭建了相应的仿真平台。仿真结果证明了算法的正确性。该算法在全速范围内具有良好的动态性能，在区间切换的过程中过渡平滑，可为高性能IPMSM控制器设计提供借鉴。

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