基于模型预测算法内置永磁同步电机弱磁控制.pdf
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1、第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:作者简介:李国洪()男副教授博士研究方向为自动控制、机电一体化及网络系统控制().通信作者:王鹏()男硕士研究生研究方向为电机控制().基于模型预测算法内置永磁同步电机弱磁控制李国洪王 鹏(天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津)摘要:针对内置式永磁同步电机()在弱磁控制阶段的不稳定性以及运行时所产生的转矩和电流波动等问题提出根据电机不同区域运行特点将其分区域进行预测控制提高运行效率与稳定性 该方法将有限集模型预测转矩控制与内置式永磁同步电机相结合分成 个控制区域根据电机基
2、速阶段最大转矩电流比和高速弱磁阶段最大转矩电压比控制以及逆变器特点在各区域提出不同的成本函数对电机进行有效约束然后利用特定的转折条件使区域之间平稳过渡完成电机转速的提升 方法能够实现电机在不同控制区域的稳定运行有效发挥电机潜能保证电机高功率输出 通过仿真验证了该方法的正确性与可靠性关键词:内置式永磁同步电机模型预测控制弱磁控制稳定性中图分类号:文献标识码:():().:引言近年来随着新型自动化技术产业的飞速发展对于各类电机的研究也是越来越深入其中永磁同步电动机的结构相比于异步电动机要显得紧凑些并且还具有功率密度大等特点逐渐被应用在航空航天和各类自动化领域内 其中内置式永磁同步电机()的永磁体是
3、被嵌入到转子的里面结构紧凑硬度比较大并且气隙的磁密度比较高又因为直轴和交轴的电感不对等所以磁通在选择路径上会有所不同从而产生磁阻转矩利用好磁阻转矩能够更好发挥永磁同步电机的性能所以对于内置式永磁同步电机研究也更加有意义控制的优化策略对于高性能永磁同步电机很重要对于传统的控制策略最经典的就是 控制和最大电流转矩比()控制这些方法对于电机在基础速度以下是比较合适的能够大大提高电机的稳定性能但是对于高速电机速度大于基础速度后这些方法就不适用电机会失控在电动汽车的实际应用也需要考虑电机高速性能所以需要设计弱磁控制方法来提高 的稳定运行 当永磁同步电机运行速度超过电机的基础速度之后通过增加 轴的负向电流
4、来减少直轴磁场反向直轴电流产生的磁动势起到一个去磁作用使速度增加这样一个控制过程就是弱磁控制 弱磁控制方法中常见的是把控制区域分成弱磁区域和并且基速以上的控制方法有很多主要包括前馈开环法、电压反馈幅值比较法、单电流调节器法、混合弱磁控制方法等模型预测控制()是一种利用系统模型并且以离散的时间步长来预测系统未来状态的一种控制方式预测的状态数量有限且固定这些有限的预测数量就称作预测范围 也是一种滚动优化的控制方式会随着时间的推移向前移动在预测完成后需要利用成本函数来进行约束限制才能获得最优的性能对于电机控制电力电子变换器是离散的开关状态考虑到设备的离散性这种概念就叫做有限控制集模型预测()基于以上
5、分析可知电机的控制方式多种多样 等提出一种通过控制逆变器的开关频率和对转矩进行预测来优化电机的运行性能的控制方式 章回炫等提出一种利用预测电流的方式来进行电机弱磁控制主要分析了电机电压利用率的问题并结合过调制策略进行控制优化兰志勇等提出利用电流运行的轨迹合理设计一条最佳 的 路 线 来 完 成 对 电 机 弱 磁 区 域 的 控 制 等提出一种针对于 高速弱磁的方法将电动汽车电池功率考虑在内根据直轴和交轴电流的补偿策略来提高电机运行速度 等提出一种转矩模型预测弱磁控制方法优化目标函数规划电流运行路线使得电流运行在电压和电流极限范围内 等提出将模糊 控制引入到电压反馈弱磁当中将开关策略进行优化限
6、制增强了系统的鲁棒性 以上文献都在不同角度对电机控制方式进行了描述但是对于永磁同步电机的弱磁区域部分以上方法都存在不同程度的参数依赖性和结构复杂性本文在以上文献的基础上进一步对弱磁区域进行分析通过对转矩的预测控制以及逆变器的开关频率控制提出新型控制器将弱磁区域不同划分合理设计成本函数优化了系统结构保证电机能在整个速度域平稳运行 弱磁控制原理分析.数学模型在、轴的同步旋转坐标系下 的稳态电压方程、磁链方程以及电磁转矩方程分别如下:电压方程:()磁链方程:()电磁转矩方程:()()式中:和 是 轴和 轴的定子电压和 是 轴和 轴的定子电流和 是 轴和 轴的定子电感和 是 轴和 轴的磁链矢量是永磁体
7、磁链是电角速度是电机的极对数是定子电阻是电磁转矩由于本文应用预测模型整体系统需考虑离散化形态为了对应要求模型转换为用状态空间变量的形式来描述:()()()()参考上述式子可得:式中:、是参数矩阵是状态变量是控制变量表示采样周期.弱磁区域分析当电机在高速运转时侯可以忽略定子两端的电压所以在稳态时电流微分项是零那么上节表达式可以改写为:()式中:代表定子端电压电机在运行时受到电流幅值和逆变器直流侧电压的限制因此必须保证在限制范围内运行那么有:()式中:是定子端最大电压是最大电流由式()、式()可得最大转矩电流比()方程为:()()()()()()()()()根据电机的运行情况通常可以将电机运行区域
8、分成弱磁区和弱磁区 电机在基速以下此区域转矩恒定为恒转矩区域采用最大转矩电流比()控制使获得最大转矩运行曲线如图 中 所示电机转速逐渐升高之后电机就会在两条曲线之间运行这个运行区域就是弱磁区 在电机超过基速之后电机需要沿着最大转矩电压比()曲线运行来满足转矩的输出如图 中 所示称为弱磁组合机床与自动化加工技术 第 期区 由图 可知当电机速度不断增加电压极限椭圆会向中心点 靠拢()为特征电流点极限情况下电机速度无限增大会达到 点但是这种情况不会发生所以由此可知弱磁效果其实是有限的取决于电机本身性质去磁电流的大小也要考虑是否合适超过极限值将造成永磁体退磁损坏电机 图 中 曲线是转矩和电流圆的切点连
9、线在 点电流圆的边界和 相交此点电机可以得到最大输出转矩 转矩曲线与电压圆的切点连线表示此点下电值最小连线称为 运行曲线 当输出转矩为正时电机需要运行在电压和电流圆的共同限制区域内以免造成电流调节部分饱和发生电机失控现象图 内置式永磁同步电机电流、电压运行轨迹.弱磁区域轨迹分析如图 所示电机运行低于转折速度时电机运行在 曲线否则将进入弱磁区 以给定转矩 为例电机刚启动时速度开始爬升沿着 曲线()运行然后逐渐接近交点 此时运行速度在若想向更高速度运行需要逆变器提供更大的电压但是由图分析得知此点处逆变器输出在此速度几乎达到极限这时就需要通过弱磁来完成通过增加负直轴电流来减弱磁通 因此电机若想加速运
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