基于转子磁场定向的永磁同步电机牵引控制策略

王要强+谢海霞+秦明+蒋亚杰

摘 要： 以永磁同步电机为控制对象，研究了其转子磁场定向驱动的控制策略。首先分析永磁同步电机的数学模型，基于此研究转子磁场定向永磁同步电机的调速控制策略，并设计了速度外环和电流内环的调节器，最后通过系统仿真验证了整个驱动控制策略的有效性。结果表明，系统抗干扰能力强，具有良好的动静态性能。

关键词： 永磁同步电机； 转子磁场定向； 调速系统； 牵引控制

中图分类号： TN03?34； TM351 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）01?0129?05

Abstract： The permanent magnet synchronous motor （PMSM） is taken as the control object， and its drive control strategy based on rotor field orientation is investigated. The mathematical model of the PMSM is analyzed. On this basis， the PMSM speed control strategy based on rotor field orientation is studied， and the regulators of the outer speed loop and inner current loop were designed. The effectiveness of the whole drive control strategy was verified with system simulation. The results show that the system has strong anti?interference ability， and excellent dynamic and static performance.

Keywords： permanent magnet synchronous motor； rotor field orientation； speed regulating system ； traction control

0 引 言

永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、运行可靠等优势，在电力机车、机器人、航空航天等工业应用领域展示了巨大的潜力[1?3]。随着电力电子技术和现代控制理论的不断发展，以及近年来钕铁硼等永磁材料价格的回归，永磁同步电机系统已经具有非常高的性价比，永磁同步电机的驱动控制已成为交流调速系统的一个重要研究领域[4?6]，并引起了国内外学者的广泛关注。

永磁同步电机是强耦合、多变量、非线性的复杂系统[7?8]，且运行时经常面临各种各样的干扰。这些干扰可能由于内部或外部因素，例如：摩擦力、工作温度和负载扰动等，因此改善永磁同步电机调速系统的动静态性能，提高其鲁棒性及驱动控制问题是提升整个调速系统性能的关键环节[9?10]。

本文在永磁同步电机数学模型推导的基础上，研究了基于转子磁场定向的永磁同步电机驱动控制系统，并在Matlab/Simulink环境下搭建系统仿真模型进行仿真研究。结果表明系统抗干扰能力强，具有良好的动静态性能。

1 永磁同步电机数学模型

2 转子磁场定向PMSM牵引控制策略

2.1 转子磁场定向PMSM控制模型

PMSM的空间矢量图如图1所示。图中，为转子磁极轴的空间位置角；为定子电流矢量与转子永磁磁链矢量之间的夹角。在转子磁场定向的坐标系上将电流矢量分解成两个相互垂直、彼此独立的产生磁通的励磁电流分量矢量和产生转矩的转矩电流分量。一定的转速和转矩对应于一定的和给定值，通过控制使实际的和跟踪其对应的给定量，就可以实现电动机转矩和转速的控制，即把永磁体同步电动机的控制归于对电机定子电流空间矢量相位和幅值的控制。

至此可得，永磁同步电机的转矩和磁通是解耦的。对于给定的永磁同步电机，励磁磁场由永磁体决定，为常数，其输出转矩与轴定子电流呈线性关系，因此只需控制轴定子电流的大小就可以控制电机的输出转矩，这样处理的效果使得永磁同步电机可以像直流电机那样进行独立的转矩和磁通控制，从而使永磁同步电机的控制过程大为简化。

2.2 转子磁场定向PMSM控制策略

根据转子磁场定向的永磁同步电机控制数学模型可以得到转子磁场定向永磁同步电机牵引控制策略的结构框图，如图2所示。

图2中，Park/Clark Transform为坐标变换部分，PMSM为永磁同步电机本体。首先通过转子位置传感器检测出电机转子角度并计算出电机转速同时检测电机定子两相电流和经CLARK?PARK矢量变换后，得到两相同步旋转坐标系下的电机定子电流和检测到的实际电机转速与给定电机转速相比较后送入转速外环调节器，将转速调节器的输出信号送入电流调节器的轴通道，作为轴电流的给定值，并取电流调节器轴通道的给定值为0；电流调节器轴通道调节器的给定信号与实际信号相比较后送入对应通道的电流调节器，并将其输出信号送入PARK反变换环节，从而得到逆变器输出电压在两相静止坐标系下的参考信号；再经过PWM信号产生、隔离驱动、逆变器等环节后驱动电机运行，组成完整的闭环控制系统。

忽略电流内环两个控制通道间的交叉耦合作用，可以得到系统电流控制回路在一个通道的等效控制结构框图，如图3所示。图中，为电流环滤波时间常数；为逆变器延迟时间常数；为电磁时间常数，为逆变器的电压放大倍数；为电流调节器的传递函数。

由图5可以看出，永磁同步电机三相定子电流在系统空载运行时维持在零值附近，加入恒值负载后变为互差120°的三相对称正弦波；电机定子电流轴分量一直在零值附近小幅波动，轴电流波随着负载转矩的突变阶跃上升，且与电机输出的电磁转矩正相关；电机电磁转矩可以很好地跟踪负载转矩的变化；系统转速响应迅速，超调小，在启动和负载突变情况下的转速波动小，抗扰性好。

即自时起，对电机加入幅值为2，频率为20 Hz的负载转矩。图6（a）～（f）分别为系统加载转矩、电磁转矩、转速响应、轴电流、轴电流和三相定子电流的仿真波形。

由图6可以看出，系统在启动和负载连续变化的情况下仍能保持较好的响应速度，超调和波动小，响应迅速，抗扰性好；电机轴定子电流一直维持在零值附近；轴电流与电机电磁转矩正相关；电机三相定子电流为幅值随负载转矩变化的正弦波；电机电磁转矩和定子电流幅值能够跟踪负载的变化。

4 结 论

本文研究了转子磁场定向永磁同步电机驱动控制系统。首先对永磁同步电机进行数学建模，研究了基于转子磁场定向的永磁同步电机调速控制策略，并设计了速度外环和电流内环调节器，最后通过仿真验证了驱动控制策略的有效性。结果表明，系统抗干扰能力强，具有良好的动静态性能。

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