摘要：本文提出了一种改进内置式永磁同步电机高速运行的全数字控制系统。这种控制方案允许电机平稳过渡到磁链减弱模式，能快速响应和调整电机和逆变器的电流和电压饱和限制。控制系统的核心由3个PI调节器和3个查找表组成，从而使微处理器能够以较低的采样次数实现。本文对包含空间矢量调制器的整个驱动系统进行仿真，验证了所提算法的可行性。

关键词：PMSM，弱磁控制，空间矢量控制

1 引言

      永磁同步电机(PMSM)广泛应用于伺服驱动领域，在所有交流和直流电机中具有最高的功率密度、效率和最大的扭矩惯量比。但PMSM在恒功率或弱磁模式下的运行时，其最大可达到的速度不如感应电动机。

      内部永磁同步电机(IPMSM)已被证明在扩展速度范围内磁通减弱模式工作时具有良好的属性。为了提高电机性能，各个学者在机器设计阶段和制定详细的控制方案方面都做了相当大的努力。

      到目前为止，恒转矩控制中的矢量控制的控制效果有目共睹。其中不同的控制策略，如单位电流最大转矩，已成功证明了能以最大限度地减少能耗。

      逆变器的饱和限制使得进入和退出磁链削弱模式的过渡成为一个特殊问题，因此有必要采用同步旋转坐标系中坐标电枢电流分量的控制并行策略。在磁通减弱期间，解耦控制是不可能的，除非做了某种额外的补偿。

       本文的目的是表明，在考虑电压和电流饱和限制的恒转矩和磁链削弱模式下，建立电枢电流分量Id和Iq的解耦控制是可能的。这是通过叠加磁链参数的控制环来实现的，仅在磁链减弱期间有效，扩展了电机的转矩能力。本文采用了MATLAB-SIMULINK软件包对整个驱动系统、电机、逆变器和控制进行了仿真，仿真结果验证了该算法的可行性。。Teodorescu等人的研究表明，SIMULINK可以将控制块与其他建模电力电子设备的块相结合，是一种很好的运动控制系统仿真工具。

2 电流矢量控制原理

      在dq轴坐标下，与转子同步旋转时，永磁同步电动机的电压、转矩、磁链方程为：

其中，

       在所提出的控制方案中，电流控制是在定子坐标中实现的，它与空间矢量调制器(SVPWM)相结合，提供了快速和平滑的控制变量的调节。其中，最重要的是要使电流采样与调制周期同步，以避免在电流调节器中引入高次谐波，导致响应性能下降。使用SVPWM和同步采样，无需引入模拟低通滤波器，能增加了当前控制器的带宽。

    逆变器工作在10KHz。使用z变换方法设计电流控制器，采样时间为200us。

为了生成Id和Iq的参考，在恒转矩情况下，一个合适的策略是优化转矩/安培比，通过计算式（2），获得一组可用于查找表的值。

3 电流和电压约束

      电机连续运行时的最大允许电流以及逆变器的最大可用输出电压取决于直流链路电压和实施的调制策略。

      在式（5）中，电阻压降被忽略，在稳态状态下，电压极限可以表示为一组嵌套椭圆，随着速度的增加而逐渐减小。如图1所示，包括电流最大值、每安培最大转矩和恒转矩双曲线等，这些曲线以及仿真是根据表1所示的电机参数完成的。

                                图1 限流圆，限压椭圆，恒转矩双曲线和每安培最大转矩轨迹

 表1 IPMSM的标称参数

4 磁通削弱策略

      本文的目标是控制电机，使其能够遵循Idq平面上的任何命令轨迹，即任何电压限制椭圆，恒转矩双曲线和电流限制圆。要沿着这些曲线移动，电枢电流的d轴和q轴分量必须同时变化，因此，有必要实现一种算法，该算法考虑到每个不同轨迹中这两项的相互依赖关系，并生成足够的电流命令。

       便于简化策略推导工程，当电机运行达到磁链弱化条件，即达到电压极限椭圆时，保持磁链模常数的值，并随着工作点沿期望轨迹移动而改变磁链参数。回到式（3），它也可以表示为

      由于每个椭圆都是等速的几何轨迹，因此它也是磁链模量的几何轨迹。若需能够沿着任何椭圆移动，需要使通量链角变化，直到其达到一个稳定的工作点。

图2 IPMSM驱动系统框图

       所提出的控制方案如图(2)所示。F1和F2是指令磁链模量和角度作为参考转矩的函数的查找表，离线计算如文献[1]所提及并利用式（3）中的线性关系。磁模型块包含从磁链到电流命令的反向转换，表示为

       当磁通减弱达到W＞Wb时，估算输出扭矩(2)（表示为“扭矩模型”）不能跟随命令扭矩，则激活δ-PI调节器使磁通角变化，直到达到平衡点。

      如图(3)和(4)所示，电机响应的参考扭矩步长为10N·m。可以观察到输出转矩如何在不到1ms的响应时间内达到命令值，在恒转矩状态下保持在10N·m的最大转矩，并且一旦磁通减弱开始，工作点沿10N·m双曲线移动，到达后沿限流圈移动。

                                            图3 10 N·m扭矩参考输入下的阶跃响应

                                     图4 电机响应10N·m转矩步长输入的电流矢量轨迹

       图（5）和（6）是在1N·m/ms负载斜坡扰动下，电机对250rad/s和330rad/s速度命令在磁通削弱区域的响应的Id-Iq表示。在这两种情况下，工作点沿电压极限椭圆移动，试图抵消所需的扭矩。

                               图5 1N·m/ms负载斜坡扰动下，250rad/s速度输入电流轨迹

                               图6 1N·m/ms负载斜坡扰动下，330rad/s速度输入矢量轨迹

5 仿真

     使用最新的MATLAB-SIMULINK软件包对整个驱动系统进行了仿真。这是一种适用于控制系统的动态块仿真软件，已成功应用于电力电子设备的建模。电机已使用式(1-3)建模，对于机械部分，使用以下表达式：

      电流控制器以及磁链参数控制器是PI类型，考虑到微处理器将需要在实时应用程序中计算算法的时间，在z变换中设计，一个延迟周期被实现。

      采用龙格-库塔三阶方法对常微分方程进行了积分仿真。该方法对连续和离散混合系统均有较好的求解效果。

6 结论

      本文提出了一种新的磁通弱化控制方法。在恒转矩模式下，该算法与文献[1,3,5]相似，因为查找表和磁链-电流转换方程是基于电机参数的。

       在磁链弱化模式下，通过磁链参数的控制，使电机能够沿限压椭圆、恒转矩双曲线和限流圆跟踪指令轨迹，从而增强电机的转矩和速度能力。

       利用MATLAB-SIMULINK软件在10KHz逆变器和空间矢量调制器上进行仿真，验证了该算法的可行性。