簡(jiǎn)單分析車用永磁同步電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高速

電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的速度很高，經(jīng)常到1萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，單靠電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速是困難的，換個(gè)思路從控制出發(fā)，能夠收獲更多的效果。

1. 為什么要弱磁

如下圖所示，同樣的電機(jī)，無(wú)弱磁控制和帶弱磁控制最高速度相差很大。好的弱磁控制甚至能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速提高到3倍以上，這就是控制算法的威力。

弱磁的基本原理


永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下，可以做到恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，當(dāng)超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，不像電勵(lì)磁電機(jī)那樣方便，只要減小勵(lì)磁電流就可做到弱磁升速，永磁同步電機(jī)要通過控制逆變器開關(guān)元件，使定子電流相位提前，削弱永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)，從而達(dá)到弱磁升速的目的。

永磁同步電機(jī)弱磁示意圖


額定轉(zhuǎn)速一下時(shí)電機(jī)電樞電流產(chǎn)生的電樞磁通 Φa與永磁勵(lì)磁磁通 Φf在空間垂直，合成磁通 Φ 幅值和相位維持不變，額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，電機(jī)電樞電流產(chǎn)生的電樞磁通 Φa與永磁勵(lì)磁磁。通 Φf在空間不在垂直，大于 90°，合成磁通 Φ 幅值減小，相位增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

因此所謂弱磁就是，利用定子電樞的磁場(chǎng)去抵消掉一部分永磁磁場(chǎng)，讓電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降低，不至于超過電壓極限。

２. 車用電機(jī)弱磁的主要挑戰(zhàn)

雖然弱磁的功能強(qiáng)大，但在車用電機(jī)高速化的過程中，還是會(huì)遇到很多問題和挑戰(zhàn)。

前面我們說過，弱磁就是防止反電勢(shì)超過電壓極限，如果能提高電壓極限那么轉(zhuǎn)速范圍會(huì)更高。這個(gè)電壓極限是由母線電壓和控制算法共同決定的，好的控制算法能夠提高母線電壓利用率。



上式是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式，分母即為電機(jī)的電壓極限。通過改進(jìn)控制算法能夠有效提高母線電壓利用率。有一種方法通過調(diào)節(jié)電機(jī)邊界形狀來實(shí)現(xiàn)利用率提高。



常規(guī)的SVPWM線性控制的電壓勢(shì)力工作在左圖正六變形的內(nèi)切圓區(qū)域。這時(shí)電機(jī)相電壓最高到達(dá)Udc/sqrt(3)，如果能工作在正六變形的邊上，最高電壓可以達(dá)到2Udc/π，母線電壓利用率提高了10%，電機(jī)的轉(zhuǎn)速至少會(huì)提高10%以上。有人利用這個(gè)原理，做了控制算法設(shè)計(jì)，叫最小幅值跟隨算法，如下圖所示，當(dāng)實(shí)際要求控制電壓超過正六變形時(shí)，會(huì)將給出電壓按幅值縮減最少的原則，調(diào)整至正六邊形的邊上。而傳統(tǒng)算法只能調(diào)整至內(nèi)切圓上。如此大大提高了母線電壓利用率。當(dāng)然這種算法也有一些問題，會(huì)導(dǎo)致電流波形正弦性變差。



３. 電感參數(shù)的非線性

車用永磁電機(jī)，在追求高速的同時(shí)，還追求高功率密度，因此往往會(huì)有高凸極比，高磁場(chǎng)飽和的特征，這也就意味著傳統(tǒng)的依據(jù)線性電機(jī)模型設(shè)計(jì)的弱磁控制算法，效果會(huì)變差。不但最高轉(zhuǎn)速會(huì)降低，而且電流和損耗都會(huì)變大。在調(diào)整PI參數(shù)的時(shí)候也會(huì)相對(duì)困難。



針對(duì)這個(gè)問題，有人將非線性的電感曲線，內(nèi)置于控制器中，根據(jù)當(dāng)前的電流隨時(shí)查詢當(dāng)前電感，如此能夠提高控制精度。但這只考慮了交直軸單獨(dú)飽和產(chǎn)生的影響，精度提高有限。實(shí)際上內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，交直軸交叉飽和影響非常大，需要考慮更復(fù)雜的情況，因此也有人將電機(jī)的二維電感矩陣輸入到控制器中，作為查表對(duì)象，如此控制精度大大提高，弱磁范圍也加寬。但這種方式計(jì)算量較大，而且需要提前仿真獲得電機(jī)電感矩陣。

電感隨交直軸電流變化的矩陣


４. 控制響應(yīng)和穩(wěn)定性

在電機(jī)跑入深弱磁區(qū)間時(shí)，如果響應(yīng)速度調(diào)的太快，非常容易因?yàn)槌{(diào)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過大波動(dòng)甚至引起失穩(wěn)的情況。幾乎所有的控制算法優(yōu)化，都是圍繞著如何提高弱磁響應(yīng)穩(wěn)定性問題而設(shè)計(jì)的。

1.初級(jí)方法--普通弱磁方法

如上圖所示，普通弱磁方法是增設(shè)了一個(gè)弱磁環(huán)。它是這樣發(fā)揮作用的，首先監(jiān)控電機(jī)當(dāng)前給定電壓，如果給定的電壓超過電壓限值時(shí)，通過PI環(huán)節(jié)，形成負(fù)反饋至電流環(huán)，電壓高了，就多給點(diǎn)Id，電壓低了就少給點(diǎn)Id，如此當(dāng)平衡后，Id達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值，使控制電壓維持在電壓極限。這是最常用最簡(jiǎn)單的弱磁控制方法。剛才描述的環(huán)節(jié)就叫弱磁環(huán)。



這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)： 控制時(shí)和電機(jī)電感參數(shù)無(wú)關(guān)，通配性好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)1：需要增加一個(gè)電壓外環(huán)、響應(yīng)變差、容易引起振蕩。

缺點(diǎn)2：母線電壓沒有充分利用，電流變大，效率變差。

２.進(jìn)階方法--解析解耦方法

普通弱磁控制最大的問題是增加了一個(gè)弱磁環(huán)，多一個(gè)環(huán)就多一份不穩(wěn)定，容易振蕩，那么解析法的思路是，無(wú)論是要弱磁還是不弱磁，不需要電壓反饋環(huán)來給出電流來，我直接通過公式算出，當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，需要多大Iq多大Id，然后算出需要多大Uq和多大的Ud。這樣控制非常簡(jiǎn)單明朗。





上兩圖是解析解耦法的框圖，顯然這種方法需要獲得準(zhǔn)確的電感和磁鏈參數(shù)，才能給出合理的電壓解。如果能夠解決掉電感參數(shù)的非線性問題，那么就能獲得非常好的效果。這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的弱磁環(huán)，自動(dòng)進(jìn)入弱磁，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快

缺點(diǎn)1：對(duì)電機(jī)的電感參數(shù)比較敏感，參數(shù)不準(zhǔn)，電機(jī)性能會(huì)下降。

缺點(diǎn)2：如果參數(shù)準(zhǔn)確，計(jì)算量比較大，對(duì)硬件成本要求高。

３.高級(jí)方法--直接查表方法

解析法雖然解決了響應(yīng)速度問題，但計(jì)算量太大，如果還要考慮參數(shù)非線性，計(jì)算壓力更大，需要高性能MCU才能勝任。有人提出了一種直接查表法來解決這個(gè)問題。



如上圖所示，最關(guān)鍵的是電流查表模塊，該方法將交、直軸電流隨轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的變化關(guān)系作成表格。在電機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的參考值通過實(shí)時(shí)查表得出電機(jī)的交、直軸電流給定值。該方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)1：不需要額外的弱磁環(huán)，自動(dòng)進(jìn)入弱磁，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快；

優(yōu)點(diǎn)2：對(duì)電機(jī)的電感參數(shù)不敏感，同一種方法可以適用多種參數(shù)類型的電機(jī)；

優(yōu)點(diǎn)3：達(dá)到相同的控制精度，計(jì)算量要求小；

缺點(diǎn)1：事先電機(jī)的計(jì)算量比較大，仿真工作多；

缺點(diǎn)2：控制算法和電機(jī)必須一配一打包應(yīng)用；

5. 結(jié)論

隨著控制要求越來越高，要么增加控制算法的復(fù)雜程度，要么提高電機(jī)預(yù)計(jì)算的精度和復(fù)雜度。我們需要知道，電機(jī)的電感、反電勢(shì)、磁鏈參數(shù)是非常重要的，如果給的越準(zhǔn)確，越充分，精確控制越容易實(shí)現(xiàn)。這說明電機(jī)和控制的邊界將越來越模糊，越來越不容易分家。這既是挑戰(zhàn)也是機(jī)會(huì)。