Simulink 电力电子器件控制设计

弱磁控制

开发永磁同步电机 (PMSM) 的弱磁控制

Motor Control Blockset 

设计和实现电机控制算法

弱磁即减弱磁通,该方法以降低转矩为代价,使电机转速超过其额定转速。弱磁可用于自动化应用中的电机控制,以及电动汽车和机车的牵引电机控制,以便在可接受较低转矩时实现较高的电机转速。

永磁同步电机 (PMSM) 具有高功率密度、高转速和快速动态响应,因而广泛见于上述应用。然而,当定子端电压达到逆变器输出极限时,PMSM 转速会受限。因此,PMSM 需要通过弱磁提高轴转速,使其超过设计的额定值。实现更高电机转速的一种方法是调节逆变器电力电子开关,以控制定子 d 轴和 q 轴电流,从而抵消转子磁体产生的气隙磁通量。

弱磁控制减弱了永磁体产生的气隙磁链 \(\lambda_{pm}\) 的影响,从而降低了得到的 d 轴磁通 \(\lambda_{d}\)。这是通过加大 PMSM 中 d 轴定子磁化电流的负分量来实现的,如以下图 1 所示。

图 1:得到的 d 轴磁通 λd 的向量表示

图 1:得到的 d 轴磁通 λd 的向量表示

图 2 的转矩速度特征曲线显示,电机的反电动势(定子电压)与电机转速成正比上升。此行为发生在 PMSM 的恒定转矩区域,在该区域,我们可以使用磁场定向控制 (FOC) 来调节电机。然而,当转速继续上升时,施加的电压达到最大值,反电动势电压超过施加的电压,从而阻止电机转速增加。为了让电机转速超过其基本转速,我们使用弱磁模式,同时保持恒定输出功率,该输出功率是转矩和电机转速的乘积。在弱磁过程中,电机以降低最大转矩为代价,在最大可用电压下加快转速。

图 2:PMSM 的转矩和转速特征

图 2:PMSM 的转矩和转速特征

图 3 描绘了弱磁控制区域,它位于定子电流(id、iq)平面左侧,是电压极限椭圆和电流极限圆的交集。

图 3:PMSM 的电压和电流极限

图 3:PMSM 的电压和电流极限

为了理解弱磁,可以使用限定弱磁区域 OABC 的轨迹来计算电流向量轨迹。沿 OA 的轨迹 I 是最大转矩电流比 (MTPA) 曲线,MTPA 可以通过控制电流向量轨迹以匹配 OA 曲线来实现。轨迹 II 沿着电流极限圆从 A 到 B。电流极限由直流母线和电力电子的约束来定义。轨迹 III 表示沿 BC 的深度弱磁,即最大转矩电压比 (MTPV) 曲线。在 MTPV 运行期间,电机在电压极限椭圆的约束范围内产生最大转速和相应的转矩,该椭圆受直流母线约束。无论转矩瞬时响应如何,优化的弱磁轨迹或工况点始终位于灰色区域内。

图 4 显示 Simulink® 中 PMSM 弱磁控制的系统级模块图。外部转速控制回路生成转矩指令作为 MTPA 弱磁控制模块的输入。内部电流回路包含克拉克和帕克变换空间矢量发生器。

图 4:PMSM 弱磁控制概述

图 4:PMSM 弱磁控制概述

Motor Control Blockset™ 提供弱磁控制参考示例,还支持代码生成部署,可帮助您使用 Simulink 实现弱磁控制。

要进一步了解如何设计和实现电机控制算法,可参见 Motor Control BlocksetSimscape Electrical™

Panel Navigation
电力电子控制设计

浏览电力电子控制设计区

这是一个面向学生、研究人员和工程师的 MathWorks社区,您可以在此处了解如何使用 Simulink 将电力电子控制应用于电动汽车、可再生能源、电池系统、电力变换和电机控制。

获取免费试用版

30 天探索触手可及。

了解 BLDC 电机控制算法

阅读电子书