中国科学院电工研究所王丽芳研究员团队研究成果：基于单电流调节器的永磁同步电机深度弱磁控制及模式切换控制策略（王丽丽 中科院半导体所）

《汽车工程》2023年第2期发表了中国科学院电工研究所王丽芳研究员团队研究成果"基于单电流调节器的永磁同步电机深度弱磁控制及模式切换控制策略"一文。为解决传统双电流调节器弱磁控制策略因交叉耦合和电流调节器饱和导致的系统不稳定问题，论文提出了一种稳定的永磁同步电机深度弱磁控制策略—基于电压相角的改进型单电流调节器弱磁控制及模式切换控制策略，并通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。

研究背景

永磁同步电机已广泛应用于智能电动汽车的不同子系统中。在实际应用中，由于对电机扭矩规格的高要求，使电机额定转速降低，难以满足宽转速范围的工程要求。为进一步提高转速，须进行弱磁控制。传统的永磁同步电机弱磁控制算法基于磁场定向，通常由两个电流调节器分别控制直轴电流和交轴电流。但随着转速升高，两个电流调节器交叉耦合加重，调节器易于饱和，导致无法同时满足两个电流调节器的调节需求，甚至造成不稳定。

研究内容

1. 构建基于电压相角的改进型单电流调节器：根据控制需求的不同，设计电机电动运行的电流圆d轴单电流调节器、等转矩d轴单电流调节器和电机发电运行的q轴单电流调节器。

图1 电动运行时电流圆 d轴单电流调节器控制框图

图2 电动运行时等转矩 d轴单电流调节器控制框图

图3 发电运行时 q轴单电流调节器控制框图

2. 设计弱磁区与恒转矩区控制模式切换策略：永磁同步电机全速域控制是采用基速以下的MTPA控制和基速以上的弱磁控制分段进行的，在双电流调节器与单电流调节器进行模式切换时，需要对电流尖峰和转矩脉动进行抑制。

图4 弱磁区与恒转矩区控制模式切换策略

3. 设计电动工况与发电工况控制模式切换策略：电机进入弱磁区后，电动运行时采用 d轴单电流调节器实现，发电运行时采用 q轴单电流调节器实现，设计电流工作点跨稳定工作区跨象限的控制模式切换策略，解决控制模式切换时电压安全问题。

图5 不同电流工作点切换

图6 电机驱动系统全工作范围控制策略

4. 设计弱磁区不同工况下等功率控制模式切换策略：实现等功率控制模式切换策略需要保持电磁转矩 Te幅值不变，改变电磁转矩 Te的符号；从电压相角来看，在切换的瞬间，电压相角由 β切换到 π- β ，保持交轴电压 uq 不变。

5. 方法验证：通过仿真和实验，以验证所提方法的有效性。

研究结果

1. 仿真验证：通过Matlab/Simulink进行仿真验证。

（1） 深度弱磁控制：在直流母线电压为50V，通过系统控制策略，使基速为950r/min的永磁同步电机在仿真中稳定扩速到6000r/min，实现了6.3倍深度弱磁控制。

图7 转速、电压相角和电流仿真结果

（2）弱磁区与恒转矩区控制模式平稳切换：通过所设计的切换条件和切换控制策略，抑制了控制策略切换时的电流尖峰和转矩脉动，系统实现了平稳切换。

图8 电流指令跟踪情况与电压指令

2. 实验验证：搭建实验台架，以进一步验证控制策略的有效性。

（1） 深度弱磁控制：受限于电源输出能力限制，电机稳定扩速到2800r/min，实现了3倍弱磁控制。

图9 转速、电压相角和电流仿真结果

（2）弱磁区与恒转矩区控制模式平稳切换：通过所设计的切换条件和切换控制策略，抑制了控制策略切换时的电流尖峰和转矩脉动，使系统实现了平稳切换。

图10 电流指令跟踪情况与电压指令

（3）弱磁区电动工况与发电工况平稳切换：验证了弱磁区单电流调节器在不同工况下的切换控制策略，实现平稳切换。

图11 电机转速和控制器电压随发电信号的变化情况

图12 交直轴电流跟踪情况

图13 电动发电切换时的电机相电流

图14 未采取切换策略时的电机相电流

创新点与意义

论文所建立的基于改进型单电流调节器的深度弱磁控制策略具有动态性能优异、控制结构简单、不依赖电机参数、电压利用率高和可移植性强等优点，使永磁同步电机具有了稳定的深度弱磁能力。同时，论文提出的模式切换控制策略使单电流调节器适用于不同工况的各类电流工作点。该研究具有重要的工程应用价值。

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