车用永磁同步电机如何实现高速

元件

本帖最后由 24不可说于 2017-8-19 21:51 编辑

不懂控制怎么搞得好电机

小明有梦想有追求，别的大学生因为受不了工厂的恶劣环境纷纷离职，小明却坚持来下来。小明踏实勤快，又遇到了个好师傅。电机车间的大小事情，师傅手把手的教，小明认真的学，从怎么给定子绕线到怎么标定测试设备，从如何电磁计算到如何绘图标注，小明都学的有模有样，连续做成功了几款电机的优化项目后，很快受到了老板的欣赏。

因为踏实殷勤，同事也很喜欢他。师傅退休后，小明理所应当的接了班，做了主管设计师。小明很珍惜这份荣誉，工作进展的也很顺利，直到接了一个伺服电机项目，屡试不爽的经验设计方法失效了，接上变频器后，电机速度就是上不去，几番补救无果后，终于以失败而告终，老板也拉下脸。

小明消沉了很久，对自己的能力产生了怀疑，直到在一次讲座中，听到了一个控制工程师说：“不懂电机怎么搞好控制”。小明一个激灵，对啊，反过来也成立啊，“不懂控制怎么搞得好电机”。行业在变，电机和控制结合的越来越紧密了，师傅教的老方法不够用了，要想搞好电机，需要懂控制。

1.为什么要弱磁

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。

2.弱磁的基本原理

永磁同步电机在额定转速以下，可以做到恒转矩调速，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，永磁同步电机要通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，从而达到弱磁升速的目的。

PMSM弱磁控制示意图

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。

3.车用电机弱磁的主要挑战

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。

母线电压利用率

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，好的控制算法能够提高母线电压利用率。

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高母线电压利用率。有一种方法通过调节电机边界形状来实现利用率提高。

SVPWM控制区域

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，最高电压可以达到2Udc/π，母线电压利用率提高了10%，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。如此大大提高了母线电压利用率。当然这种算法也有一些问题，会导致电流波形正弦性变差。

4.电感参数的非线性

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，这也就意味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。

内置式PMSM非线性电感特性

针对这个问题，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，如此能够提高控制精度。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，如此控制精度大大提高，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。

电感随交直轴电流变化的矩阵

5.控制响应和稳定性

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

初级方法--普通弱磁方法

如下图所示，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控制方法。刚才描述的环节就叫弱磁环。

这种方法的优缺点如下：

优点： 控制时和电机电感参数无关，通配性好，实现简单。

缺点1：需要增加一个电压外环、响应变差、容易引起振荡。

缺点2：母线电压没有充分利用，电流变大，效率变差。

进阶方法--解析解耦方法

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。这样控制非常简单明朗。