李冠難，劉景林，王帥夫
(西北T業大學，陜西兩安710072)
摘要：針對無刷直流電動機弱磁高速運行時損耗大的問題，研究最小損耗電流控制。通過分析基于瞬時無功功率的無刷直流電動機弱磁控制理論，計算d-q軸電杻反應電感，提出一種考慮鐵損的電機r型近似等效電路，結合狀態方程，推導出滿足電磁損耗最小的勵磁電流表達式。仿真和實驗結果表明，在整個弱磁運行區間內，最小損耗電流控制能夠降低電機電磁損耗，提高電機運行效率，擴大電機匣功率調速范圍。
關鍵字：無刷直流電動機；效率優化；電磁損耗；弱磁
0引 言
永磁無刷直流電動機的優點是效率高，起動轉矩大，過載能力強，結構簡單牢固，免維護或少維護，體積小，質量輕；缺點是低速時轉矩脈動大，基速以上調速比小[1]。為了擴大電機的調速范圍，可以采用弱磁控制的方法，但永磁電機弱磁無法通過調節勵磁實現，只能控制電樞反應使之產生一個反向的電樞磁場來抵消永磁磁場，獲得等效弱磁，這需要從電機本體設計及電機控制兩個方面著手，因此通常無刷直流電動機調速范圍較窄。文獻[2]基于虛擬瞬時功率，在分析電機定子電流和****轉矩的基礎上提出了一種實現無刷直流電動機弱磁控制的算法，這種方法的優點在于可以在不改動電機結構的情況下，避免復雜的磁場計算，通過軟件沒計來獲得比較好的弱磁擴速效果。無刷直流電動機在額定負載、額定轉速區域的運行效率是很高的，弱磁高轉速運行時，由于電機電感相對較小，容易產生很大的峰值電流，此時大量能量消耗在鐵損和銅損上[5]。本文從****效率出發，采用d—q坐標變換，建立損耗和控制量的關系，通過等效勵磁電流的調節，實現電機電磁損耗最小，保證電機在較寬的弱磁調速范圍內高效運行。
1無刷直流電動機弱磁調速數學模型
為了擴大永磁電動機的弱磁調速范圍，國內外不少學者做過大量研究.在定子繞組上串聯電感，但會使電機恒轉矩范圍變窄，效率降低；從改變轉子結構人手，使用永磁轉子和磁阻轉子的復合永磁轉子“弱磁”方案，也可取得一定的“弱磁”效果，但這種方法使得電機轉矩密度變低，高速時鐵磁損耗很大。
三相電路瞬時無功功率理論打破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時有功功率、瞬時無功功率等瞬時功率量。假設三相電路的瞬時電壓和瞬時電流分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，考慮到電機定子三相繞組在結構上的對稱性，可以忽略電壓和電流中的零序分量。將它們分別變換到兩相正交的d-q坐標系上，可得兩相瞬時電壓ed、eq和兩相瞬時電流id、iq如下：
2最小損耗弱磁運行的效率優化控制策略
忽略電機漏抗，考慮定子鐵損無阻尼繞組，在無刷直流電動機弱磁擴速d—q坐標系中，T型等效電路能準確地反映弱磁運行時的物理狀況，但它含有串聯、并聯支路，運算較為復雜，采用圖1的r型等效電路，只有勵磁支路和負載支路兩并聯支路，計算簡化很多，高速運行時兩種算法誤差極小[4]。
機等效銅損及鐵損電阻；isd、imd、icd分別為d軸電樞電流、勵磁電流及鐵損電流；isd、imd、icd分別為g軸電樞電流、轉矩電流及鐵損電流；ψm為永磁體磁鏈；ω為電機電角速度。
由式(15)可知，iod<0，強化了弱磁特性。同時，當電機參數確定時，iod<0隨著m的降低而迅速減小，恒轉矩基速運行時，iod→O，不需補償電流。恒功率****速度時得到理論上允許的****等效勵磁電
對比式(17)與式(18)可知，ife
3仿真及實驗
實驗樣機參數：額定功率P=1 200 w；額定轉矩Ta=2．4 N.m；額定轉速n=6 000 r／min；每相繞組電阻r=O.066Ω；每相繞組有效電感l=30 mH；轉動慣量，=4．67×10 kg . m2；電動勢系數Ke=O.012 5 V／(rad·s-1)；供電電壓27 V。
在當t=2 s、n=9 600r／min時，保持電機轉速和電機機械輸出功率不變，電機從普通弱磁控制切換至最小損耗弱磁控制，仿真結果如圖2所示，可以看出，通過等效勵磁電流的調節，電機效率從83％提高到86％左右。
保持，=1 5 N·m不變，圖3、圖4分別為普通弱磁和最小損耗弱磁控制實測電壓及電流波形圖。
與普通弱磁控制相比，由于增加了等效勵磁調節電流，最小損耗弱磁控制的母線電流平均值略有增長，但電機轉速由9 500r／min升至9 980 r／min，同時由于損耗降低，電流和電壓波形曲線較為平滑，毛刺減少，電機運行穩定。
圖5為電機擴速范圍從6 000 r／min到1100Or／min時，兩種弱磁控制方法下電機效率與電磁損耗變化曲線。與普通弱磁控制相比，采用最小損耗弱磁擴速雖然Pcn相對增加，但是Pfe和電機總電磁損耗Ploss最均有明顯的減少．系統效率有r明顯的提高，調速范圍越寬效率改善越為明顯。
圖6為兩種弱磁控制方式下恒功率擴速的實驗曲線。從圖中分析得出，普通弱磁擴速調速比為1．8，而最小損耗弱磁擴速恒功率調速比達到2．3。
4結語
根據無刷直流電動機基于瞬時無功功率弱磁擴速的模型，建立其電磁損耗(鐵耗和銅耗之和)與等效勵磁電流的關系，推導出電機運行效率****的最小損耗等效勵磁電流控制方案。此控制方案在弱磁寬調速范圍內和輕負載情況F能使系統的電磁損耗達到****，從而提高電機的運行效率。仿真和實驗結果表明，在整個弱磁運行區間內，最小損耗電流控制能夠降低總的電磁損耗，提高電機運行效率，實現無刷直流電動機恒功率寬范圍調速。
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