异步电机（感应电机，IM_FOC_sensor）转子磁链观测器的整理学习-混合模型磁链观测器

导读：本期文章主要介绍永磁同步电机弱磁调速控制（FluxWeaking,FW）-电压反馈闭环法，对其进行系统的分析并进行验证。一、FW控制策略的原理梳理和模型确定 1.1 FW控制策略的简析 在实际应用中，当电机进入弱磁控制区，电流控制器发生输出电压饱和时，电机的输出转矩能力受到较大影响，很可能使永磁体永久退磁，进而导致整个控制系统失控。快速、稳定、精确地追踪输入指令，提升控制系统性能，一直是研究的热点。图1.1 PMSM的n-Te平面分区示意图 由电机特性可知，电压转速椭圆随转速增加而收缩，为保证工作点在允许运行区域内，矢量控制在不同转速及功率下采用不同的控制手段，通常根据控制手段不同将PMSM矢量控制分为恒转矩和恒功率2个区域，如图（1.1）所示。 （1）恒转矩区： 恒转矩区就是驱动系统可以按指令输出转矩，不受系统功率限制的运行区域，为减少电机运行过程中的铜损，恒转矩区通常采用MTPA。 （2）恒功率区（弱磁区）： 当电机运行在较高转速的状况下，电机的反电势可能会大于系统的输入电压，此时系统会由于没有电压调节空间从而发生失控，为克服这种现象，需要进行弱磁控制。如图（1.1）所示，电机在WrA转速以后，输出转矩随转速的升高而下降，系统功率保持恒定，一般称这段运行区域为弱磁区。 PMSM为达到弱磁扩速得目的，并保持电枢绕组得电势平衡，可采用以下两种方式削弱转子磁场： （1）PMSM 可采用电流矢量的相位控制方式，令id反向增大，电机内部气隙中会生成一个相对转子磁场方向相反的磁场，可削弱永磁体磁链，id也可以称为去磁电流，电机转速随id反向增加而增加； （2）弱磁扩速也可以通过减小iq的大小，来减小其在电机气隙中的磁场来实现。这种方式的扩速的能力受电机Lq 值的影响较大，在实际应用时，电机的输出转矩能力会受到一定的影响。简言之，这种弱磁方式通过消减输出转矩的能力来换取转速范围的扩大，转速越高，恒转矩区越小。 一般情况下PMSM 通常采用以上两种方式进行弱磁扩速，当输入电机的电压达到最大值时，PMSM 开始由恒转矩区向弱磁区移动，电机的id值会随着转速的增加而反向增大，iq值也要适量减小，保持系统动态平衡。故弱磁扩速也存在一个最大值，恒功率运行不能在任意转速下进行，当弱磁转速达到最大值时，输出转矩也会减小，合理调整id、iq才可以使电机在全速范围内保持良好的运行状态。1.2 电流限制和电压限制 图1.2 PMSM电机dq轴电流坐标系可允许运行区域示意图 在dq轴坐标系下可以根据电流-转矩关系，通过调节dq轴电流可以实现电机转矩调控，但由于电机和逆变器的物理限制，其所能承受的电压和电流是有所限制的，所以dq轴调节也应该有所限制。 1、电压和电流限制： 1）电压限制： 逆变器因元器件耐压能力、电池电压、调制方法等因素，可为电机提供的电压也是有限的。逆变器内部控制电压应满足：忽略定子电阻压降，电压椭圆方程为： 如果电机参数不变，电压转速椭圆的中心phif/Ld（特征电流）是常值，其长轴和短轴会随转速的增加而减小，所以可运行区域随转速上升而减少。 2）电流限制： 2、有限速驱动系统和无限速驱动系统： 图1.3 PMSM同步机dq轴电流坐标系有无速度限制示意图根据电压转速椭圆中心点phif/Ld（特征电流）与最大电流的关系分为： （1）有限速驱动系统： 当椭圆中心在电流限制圆外，当转速超过电压转速椭圆与电流圆相切的转速时，电流圆与电压转速椭圆不再有公共区域，因此即使没有机械方面的限制，其最大运行转速也有限制，这种电机称为有限速的PMSM。 （2）无限速驱动系统： 当椭圆中心在电流限制圆内，随转速上升，电压限制和电流限制一直有公共区域，因此理论速度没有上限，这种电机称为无限速PMSM。 1.3 电流轨迹分析 图1.4全速范围内定子电流矢量轨迹 在基频以下，PMSM的电流轨迹为MTPA曲线或者id=0的控制策略下的电流曲线；在基频以上，电流轨迹沿着最大电流限制圆的轨迹进行运动。 图（1.4）中在电流平面同时绘制出所有约束边界，以及对应的控制曲线，包括MTPA控制曲线，MTPV控制曲线。在低速到高速的整个转速范围内，定子电流同时需要满足电流、电压的限制，在满足这一前提下研究定子电流在全速范围内的电流轨迹。一般将电机运行区间分为三个区域，恒转矩区、部分弱磁区和深度弱磁区。 1、恒转矩区； 如图（1.4）所示，在恒转矩区，一般采用id=0或者MTPA控制策略，电流轨迹沿着OA。 2、部分弱磁区； 当转速上升到Wn时，此时电压刚好上升到极限电压Umax。若继续上升转速，A点将不满足电压极限的限制。此时应当弱磁，使电流工作点沿着曲线AB运行。这段运行轨迹上电机的输出功率恒定，处于部分弱磁区。 3、深度弱磁区； 转速继续上升，当转速超过B点对应的速度时，电流轨迹沿着MTPV曲线运行来保证最大功率输出，此时称为深度弱磁。二、FW弱磁控制策略的方法综述 2.1 负id电流补偿法图2.1 负id电流补偿法的同步机弱磁控制策略框图 图2.2 弱磁矢量控制运行区域示意图 矢量目标电流分配由id=0控制策略和负id弱磁组成，其中负id弱磁法基本原理为：当电机进入弱磁区时，电流工作点在电压转速椭圆外，实际电流无法跟踪目标电流，电流调节器将达到饱和。将电流调节器输出超调量经过修正变成d轴电流的负向增加量，改变dq轴的控制目标电流，保证工作点在电压转速椭圆内（电压反馈闭环控制）。 由现有文献指出，负id弱磁控制具有算法简单，计算量小等优点，但其具有电流分配速度慢和深度弱磁区电流-转矩非线性等不可忽视的问题。 （1）电流分配响应性问题： 负id弱磁环节为电压反馈PI控制，通过电压饱和度进行反馈调节d轴电流，从而实现dq轴的目标电流的分配，但负id弱磁在实际运行过程中也遇到了诸多电流分配响应性问题： a、弱磁PI参数选择：PI控制中最为关键的环节就是参数的选择，参数需要在调节速度和调节稳定性之间做平衡，另外弱磁环节由于与非线性多耦合系统串联适用，很难从理论角度对参数进行优化； b、调节受电压波动的影响：弱磁PI的输入量是由控制电压和实际电压之差组成，而在实际运行过程中，电池电压随着整车工况、电池工况发生波动，这种波动同样会造成弱磁PI的震荡（反馈电压加LPF处理）； c、控制需要留有电压裕量：为保证系统弱磁调节空间，在系统没有电压饱和时就需要进行弱磁控制，导致系统电压没有100%利用，造成了资源浪费。 （2）深度弱磁区电流-转矩非线性问题： 负id弱磁方案在沿着最大电流运行时，如图（1.4）所示，电机系统会在达到某个转速后随着转速的上升不再保持恒功率状态，出现功率降低，直至降为零的状况。这是由于当系统处于深度弱磁时，最大电流圆运行上的点不是系统的最大功率点，最大功率点是图（1.4）中总体电流较小的MTPV曲线。转矩和电流非线性的关系给深度弱磁区的控制造成了很大的困难，在深度弱磁区按照负id补偿会导致电机输出功率减小甚至控制失控的现象。三、软件验证（重点：参数标幺化设计） 图3.1 速度跟踪波形变化情况 图（3.1）是速度跟踪波形变化情况：电机的额定转速是3000rpm，从图（3.1）可以看出，在带载的情况下电机转速可以平稳保持在4200rpm，并且可以平顺地切换到1500rpm，说明弱磁控制可以正常实现扩速的功能。 图3.2 负id电流补偿电流的变化情况 图（3.2）是负id电流补偿电流的变化情况：基频时，id补偿电流等于0；基频以上时，id补偿电流为负值。说明负id计算在策略切换过程中可以满足需求。 图3.3 反馈电压的变化情况 图（3.3）是反馈电压的变化情况：在基频时，反馈电压（参考电压）在限幅值以下平稳运行；基频以上，反馈电压被限制在参考值上；切换到基频，根据给定速度运行在对应的电压范围。 来源：浅谈电机控制