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车用永磁同步电机怎么来实现高速-控制篇

时间: 2025-03-31 11:26:41 |   作者: 利来最给利的老牌

  电动车牵引电机的速度很高,经常到1万转以上,单靠电机实现高速是困难的,换个思路从控制出发,能够收获更多的效果。

  如下图所示,同样的电机,无弱磁控制和带弱磁控制最高速度相差很大。好的弱磁控制甚至能够将转速提高到3倍以上,这就是控制算法的威力。

  永磁同步电机在额定转速以下,能做到恒转矩调速,当超过额定转速时,不像电励磁电机那样方便,只要减小励磁电流就可做到弱磁升速,永磁同步电机要经过控制逆变器开关元件,使定子电流相位提前,削弱永磁励磁磁场,进而达到弱磁升速的目的。

  额定转速一下时电机电枢电流产生的电枢磁通 Φa与永磁励磁磁通 Φf在空间垂直,合成磁通 Φ 幅值和相位维持不变,额定转速以上时,电机电枢电流产生的电枢磁通 Φa与永磁励磁磁。通 Φf在空间不在垂直,大于 90,合成磁通 Φ 幅值减小,相位增加,电机转速上升。

  因此所谓弱磁就是,利用定子电枢的磁场去抵消掉一部分永磁磁场,让电机的反电动势降低,不至于超过电压极限。

  虽然弱磁的功能强大,但在车用电机高速化的过程中,还是会遇到很多问题和挑战。

  前面我们说过,弱磁就是防止反电势超过电压极限,如果能提高电压极限那么转速范围会更高。这个电压极限是由母线电压和控制算法共同决定的,好的控制算法可提升母线电压利用率。

  上式是电机最高转速的计算公式,分母即为电机的电压极限。通过改进控制算法能够有效提升母线电压利用率。有一种方法通过调节电机边界形状来实现利用率提高。

  常规的SVPWM线性控制的电压势力工作在左图正六变形的内切圆区域。这时电机相电压最高到达Udc/sqrt(3),如果能工作在正六变形的边上,最高电压能够达到2Udc/π,母线%,电机的转速至少会提高10%以上。有人利用这个原理,做了控制算法设计,叫最小幅值跟随算法,如下图所示,当实际要求控制电压超过正六变形时,会将给出电压按幅值缩减最少的原则,调整至正六边形的边上。而传统算法只能调整至内切圆上。如此大幅度的提升了母线电压利用率。当然这种算法也有一些问题,会导致电流波形正弦性变差。

  车用永磁电机,在追求高速的同时,还追求高功率密度,因此往往会有高凸极比,高磁场饱和的特征,这也就从另一方面代表着传统的依据线性电机模型设计的弱磁控制算法,效果会变差。不但最高转速会降低,而且电流和损耗都会变大。在调整PI参数的时候也会相对困难。

  针对这样的一个问题,有人将非线性的电感曲线,内置于控制器中,根据当前的电流随时查询当前电感,如此可提升控制精度。但这只考虑了交直轴单独饱和产生的影响,精度提高有限。实际上内置式永磁同步电机,交直轴交叉饱和影响非常大,需要仔细考虑更复杂的情况,因此也有人将电机的二维电感矩阵输入到控制器中,作为查表对象,如此控制精度大幅度的提升,弱磁范围也加宽。但这种方式计算量较大,而且需要提前仿真获得电机电感矩阵。

  在电机跑入深弱磁区间时,如果响应速度调的太快,很容易因为超调导致转速过动甚至引起失稳的情况。几乎所有的控制算法优化,都是围绕着怎么样提高弱磁响应稳定性问题而设计的。

  如上图所示,普通弱磁方法是增设了一个弱磁环。它是这样发挥作用的,首先监控电机当前给定电压,如果给定的电压超过电压限值时,通过PI环节,形成负反馈至电流环,电压高了,就多给点Id,电压低了就少给点Id,如此当平衡后,Id达到一个稳定的值,使控制电压维持在电压极限。这是最常用最简单的弱磁操控方法。刚才描述的环节就叫弱磁环。

  普通弱磁控制最大的问题是增加了一个弱磁环,多一个环就多一份不稳定,容易振荡,那么解析法的思路是,无论是要弱磁还是不弱磁,不需要电压反馈环来给出电流来,我直接通过公式算出,当前的转速和转矩,需要多大Iq多大Id,然后算出需要多大Uq和多大的Ud。这样控制格外的简单明朗。

  上两图是解析解耦法的框图,显然这种方法需要获得准确的电感和磁链参数,才能给出合理的电压解。若能够解决掉电感参数的非线性问题,那么就能获得非常好的效果。这种方法的优缺点如下:

  解析法虽然解决了响应速度问题,但计算量太大,如果还应该要考虑参数非线性,计算压力更大,需要高性能MCU才能胜任。有人提出了一种直接查表法来解决这一个问题。

  如上图所示,最关键的是电流查表模块,该方法将交、直轴电流随转矩及定子磁链的变化关系作成表格。在电机运行过程中,根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。该方法的优缺点如下:

  随着控制要求慢慢的升高,要么增加控制算法的复杂程度,要么提高电机预计算的精度和复杂度。我们应该知道,电机的电感、反电势、磁链参数是很重要的,如果给的越准确,越充分,精确控制越容易实现。这说明电机和控制的边界将越来越模糊,越来越不容易分家。这既是挑战也是机会。