最大转矩电流比控制比较符合启动系统低速大扭矩启动过程的需要。图8.26永磁同步电动机双闭环矢量控制框图的差值。图8.26永磁同步电动机双闭环矢量控制框图当永磁同步电动机运行在恒转矩区时，直轴电流为已知值，交轴电流值根据直轴电流和PI调节器的限幅值决定。最大转矩/电流的控制方法就是当电动机输出力矩为某一值时，使定子电流的模值最小[6]。......
2023-06-23
启动过程中电动机转矩的控制优化
【摘要】：系统的启动过程，是指启动发电一体机在电池通电后转速上升，并带动发动机由静止状态达到最低点火转速，使发动机成功启动。发动机点火后，启动成功，电动机退出工作。为使系统的启动过程时间短、性能可靠，需针对不同阶段制定不同的启动转矩控制策略。为此，该阶段采用定占空比控制，使电动机电流尽可能平稳增长，进而产生波动幅度小的转矩，保证启动过程的平稳性。
系统的启动过程，是指启动发电一体机在电池通电后转速上升，并带动发动机由静止状态达到最低点火转速，使发动机成功启动。根据启动过程电动机的工作状态，可将其分成三个阶段：①初始阶段。此阶段电池直流电经逆变器逆变后变为交流电，供给电动机。受定子绕组阻抗的影响，电流不断增大，电动机并未开始运转。②加速阶段。该阶段电流增加，电动机转矩不断增大，其输出转矩大于负载转矩，电动机加速，带动发动机达到目标转速。③终止阶段。发动机点火后，启动成功，电动机退出工作。
为使系统的启动过程时间短、性能可靠，需针对不同阶段制定不同的启动转矩控制策略。
1.初始阶段电动机转矩控制策略
在启动的初始阶段，电动机输出转矩小于发动机阻力矩，电动机静止，电流迅速上升。为了缩短系统的启动时间，电动机从通电到转动的时间应尽量减小，所以需要加快电流的变化速度。根据前面的推导，电动机电流与电压满足如下关系：
设定不同的PWM占空比、电感系数、电阻Rs，可以得到不同参数影响下的电流曲线，如图8.33～图8.35所示。在启动静止阶段，PWM占空比、电感系数、电阻Rs对电动机电流均有不同程度的影响。PWM占空比通过电动机换相电路实现，占空比越大，电动机相电压的幅值越大，因此定子电流增加越快。定子电阻越大，同等电压值情况下的定子电流越小，故电流增加得越慢。电感系数越大，电流增加得越慢。因为电动机的电感系数和电阻值均为固定的参数，在电动机运转阶段不可调整，而占空比却可以通过控制电路来改变，因此，初始阶段占空比应取最大值1，以保证启动时间尽可能短。
为此，该阶段采用定占空比控制，使电动机电流尽可能平稳增长，进而产生波动幅度小的转矩，保证启动过程的平稳性。
2.加速阶段的电动机转矩控制策略
在加速阶段，采用转速电流双闭环控制逻辑，调节PI参数，使电动机转矩实时追踪发动机提供的负载转矩。转速环、电流环共有三个PI控制器，下文重点描述如何在线计算出各PI控制器的参数。
1）转速环PI调节器的参数整定
对于转速环PI调节器的参数整定，本书采用一种在线计算PI参数的方法。
式中，ωm为电动机的机械角速度；J为转动惯量；B为阻尼系数；TL为负载转矩。
采用Harnefors F，Pietiliainen K等人在Torque-maximizing field-weakening control[8]中方法计算转速环PI调节器的参数，给出有功阻尼为
当采用零d轴控制策略时，并假定电动机在空载情况下启动，由上式可得到
将上式的极点配置到期望的闭环带宽β，能够推导出转速与q轴电流之间的传递函数为
联立上述两式，即可得到有功阻尼的系数Ba
采用传统的PI调节器，则转速环控制器的表达式为
因此，PI调节器的参数Kpω、Kiω可由下式整定：
式中，β为转速环期望的频带带宽。与采用典型Ⅱ系统进行PI调节器参数整定的方法对比，该方法参数调整与系统动态品质关系明确。
2）电流环PI调节器的参数整定
图8.41所示为典型的内模控制框图，其中
为内模，G（s）为被控对象，C（s）为内模控制器。
图8.41 内模控制框图
等效控制器为
I为单位矩阵。
如果内模建模足够准确，即
=G（s），则系统不存在反馈环节，此时系统传递函数为
因此，要保证系统稳定，只有当且仅当G（s）和C（s）稳定。
由于电动机的电磁时间常数远小于机械时间常数，电流环可近似看作一阶系统，根据
=G（s），定义
式中，L（s）=αI/（s+α），α为设计参数。
联系上式，可得内模控制器为
进而可以得到
于是，控制器的调节参数从两个缩减为一个，减小了参数调节的难度，且满足如下关系：
定义响应时间tres为系统响应从阶跃的10%到90%所需的时间，则α与tres的关系近似为tres=ln9/α。由α与tres的关系可知，减小α 将延长系统响应时间，增大α 将加快系统响应速度。但是α不能无限增大，实际中系统响应时间受电气时间常数的限制，电动机的时间常数为
仿真中，电动机参数设置如下：极对数pn=1，定子电感Ld=Lq=0.16 mH，定子电阻R=1.13Ω，磁链ψf=0.007 83Wb，转动惯量J=5.9×10-7kg·m2。仿真条件设置为：直流侧电压Udc=12V，PWM开关频率fpwm=10 kHz，采样周期Ts=10 μs。
由于电流环带宽与电动机的时间常数有关系，即时间常数τ=min｛Ld/R，Lq/R｝，带宽α=2π/τ，根据电动机参数可以计算得到α=44 375 rad/s，从而根据内环电流环的PI参数计算推导式得到PI参数。另外，选取转速环的带宽为β=100 rad/s，将电动机的参数代入外环转速环PI调节器的计算公式，可以得到转速环PI控制器的参数为Ba=0.003，Kpω=0.005，Kpi=0.5。
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