矢量控制技术在矿用永磁同步电机车上的应用研究

卢如意，郑昌陆，耿宇翔

（1.中煤集团大屯煤电公司机电部，江苏 徐州 221611；2.上海申传电气股份有限公司，上海 200072；3.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072）

0 引言

蓄电池电机车是全国各煤矿主要使用的运输设备，目前，全国煤矿使用的驱动装置主要采用直流电动机，直流电动机存在电刷损害率高、维护成本高、安全性能低等缺点[1]，已经成为制约煤矿现代化技术升级的重要因素。而交流电动机可以很好的避免这些现象。

永磁同步电动机（PMSM）较异步电动机具有响应速度快、效率高、功率密度大等优势，在煤矿上低电压应用的优势就更加明显了。相比直流电动机和异步电动机，具有的优点有： 维护费用将大幅度降低，节约大量的人力和财力；更加节能，永磁同步电动机以高效节能著称，可以实现电气制动功能，安全性能也得以大幅度提高。传统的直流电动机制动依靠机械闸摩擦力使机车减速，存在安全隐患，采用永磁同步电动机可以实现电气制动功能，在节能的同时增强了安全性。因此，永磁同步电动机在矿用蓄电池电机车上的应用具有更广阔的发展前景。研究矢量控制永磁同步电动机具有非常重要的意义。

1 永磁同步驱动系统在电机车上的控制原理

近二十多年来，随着电动机的矢量控制、直接转矩控制等技术的问世和计算机人工智能技术的进步，电动机控制理论和控制技术上升到一个新的高度。目前，永磁同步电动机调速系统主要以矢量控制为主。

永磁同步电动机矢量控制技术的核心思想是将永磁同步电动机放在一个同步旋转的坐标系下，从永磁同步电动机中获得了直流电动机的控制规律，这样励磁分量和转矩分量就是相互独立的，因此永磁同步电动机的控制方式得到了简化。

式（1）为永磁同步电动机的输出转矩公式，从式（1）中能够发现，当转子磁链ψr、定子绕组的直轴电感和交轴电感Ld，Lq确定以后，电机转矩就与id和iq相关。而电机的转速与转矩与一定的id*和iq*相对应，所以，当控制id*和iq*时，就可以实现对转速与转矩的控制。通过PI 控制使id和iq跟随指令值id*和iq*，可以快速精准实现对永磁同步电动机转速和转矩的控制。

由于实际馈入电枢绕组的电流是三相交流电流iA、iB、iC，因此三相电流的指令值必须由下面的变化从id*和iq*得到：

2 永磁同步驱动系统在电机车上的控制策略分析

矢量控制中电流的控制是很重要的，而电流的控制策略有很多种，电流的控制策略和转子的几何结构影响着PMSM 的性能和驱动器的容量[2]。PMSM 的电流控制方式主要有以下几种： id=0 控制、cosφ=1 控制、转矩电流比最大控制、恒磁链控制等。

本系统根据煤矿电机车的应用特点，采用了转矩电流比最大控制方式。与其他电流控制策略相比，该控制策略是满足永磁同步电动机输出转矩一定的情况下，通过减小PMSM 的铜损耗，最大幅度的降低定子的电流。因此，相对来说，就可以减小驱动器的容量，达到降低成本的效果。在基频以上运行时，需要通过弱磁控制达到改善PMSM 高速运行的性能的目标。当然，转矩电流比最大控制模式的缺陷是随着转矩输出的变大功率因数下降较多。但是针对煤矿电机车的应用实际，以及直流电机、异步电机来说，永磁同步电动机的功率因数还是远远大于前两者的。

图1 PMSM 矢量控制策略框图Fig.1 PMSM vector control strategy frame

图1 为PMSM 矢量控制的原理图。PMSM 定子电流是三相交流电流ia、ib和ic，要实现转速和转矩的控制，就需要转换成dq 坐标轴系下的反馈电流值id和iq为：

PMSM 矢量控制调速系统的控制过程由以下几个步骤组成：

（1）经过位置和速度检测传感器检测出转子的角度θ，就可以得到相对应的实时转子角速度ωr。

（2）通过霍尔传感器检测流入PMSM 电枢电流ia和ib，经过空间坐标变换后得到反馈值id和iq。

（3）将反馈得到的实际转速和转速指令值进行对比，通过PI 控制器得到q 轴电流指令值。

（4）通过控制d 轴电流的指令值，把dq 轴电流的指令值与反馈值进行对比，然后通过PI 控制器，得到dq坐标系下的ud和uq值，经过坐标变换后，得到静止坐标系的uα和uβ值。

（5）利用矢量合成法则，由uα和uβ的空间矢量合成得到确定的扇区，总共有6 个扇区。相邻电压矢量和零矢量依次导通时间可以由公式计算得到。然后，得到的计算值通过设置数字信号处理器的三个全比较单元的比较寄存器值[3]，产生PMSM 驱动器的脉冲波形。

3 永磁同步驱动系统Matlab 仿真研究

蓄电池电机车调速系统转速控制的要求有三个方面：加速，稳速，减速。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，能够大幅提高调速范围和精度。

图2 的模型是根据矢量控制系统的结构建立的。该模型利用坐标变换原理将PMSM 的电枢电流ia、ib、ic分解成dq 坐标系上的两个分量id和iq。这样就可以得到交流电动机磁链和转矩的解耦，可以像调节直流电动机的转矩和转速那样调节PMSM 的转速和转矩[4]。

恒负载起动： 速度给定为300rpm，负载转矩给定值TL=11.9N·m。转矩限幅值为30N·m，速度PI 调节器的比例系数Kp=50，积分系数Ki=20。

转速突变时： 速度给定为300rpm，t=0.5s 时，速度给定150rpm，负载转矩给定值TL=11.9N·m，转矩限幅为30N·m。

从图3 中可以看出，电机输出转速上升平滑，且能很好的跟随设定的速度，在调速过程中稳态时精度高，定子三相电流经过很短的时间调整为正弦波。从图4 中可以看出，0.5s 负载突变时，电机转速依然保持闭环，很稳定，且转矩的动态响应很快。

图2 PMSM 矢量控制Matlab 仿真系统图Fig.2 PMSM vector control Matlab simulation system

图3 恒负载起动时的仿真图Fig.3 Simulation diagram when starting with constant load

图4 转速突变时的仿真图Fig.4 Simulation diagram when speed change suddenly

4 结论

本文提出了一种新的蓄电池电机车调速系统方案，即采用矢量控制型永磁同步调速系统。方案旨在提高蓄电池电机车的调速性能。文中对矢量控制进行了分析，并根据永磁同步电动机的特点，设计了永磁同步电动机的矢量控制策略，并进行了Matlab 仿真，结果证明了矢量控制算法在永磁同步电机式蓄电池电机车上的应用是可行的。

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 郑宝周. 永磁同步电动机无传感器矢量控制技术研究[D].郑州大学，2006.

[3] 王磊.全数字永磁交流伺服研究[D].郑州轻工业学院，2007.

[4]王沫然. Simulink 4 建模及动态仿真[M].北京：电子工业出版社，2002.