储能式有轨电车的永磁同步电机控制策略优化

　　摘 要: 提出一套有轨电车的永磁同步电机优化控制策略。在 d - q 轴电流平面内分析永磁同步电机不同限制曲线 之间的关系和电流轨迹变化的情况; 以转矩为控制目标，在以 MTPA 曲线、电流极限圆和电压极限椭圆为边界的区 域内根据永磁同步电机转矩特性曲线规划电流轨迹; 采用 MTPA 控制和优化弱磁控制相结合的算法进行控制实现; 以青岛超级电容储能式胶轮有轨电车为实验平台对该方法进行了现场试验及长时运行考核，永磁同步电机实际输出 转矩能准确地跟踪给定转矩，且 MTPA 控制和优化弱磁控制能平稳运行及切换，证明了所提方法的有效性和实 用性。

　　关键词: 永磁同步电机; 有轨电车; 优化弱磁控制; 超级电容储能式胶轮有轨电车

　　0 引 言

　　目前，在永磁同步电机方面的控制策略较多， 如负直轴电流补偿法控制、直轴电流分量等于零控 制、梯度下降法控制和功角控制法等[1-3]，以及文献 [4]提出的定交轴电压给定法弱磁控制，实现了对永磁同步电机的控制，但多数常以转速为控制目标， 或者存在电压利用率不充分等缺点。

　　本文根据以上控制方法的特点和有轨电车的车 体惯量大、运行路况复杂多变、爬坡能力要求高以 及对直流电压利用率要求高的特点，提出一种适用 于该车辆行驶工况的以转矩为控制目标的优化控制策略，采用最大转矩电流比 MTPA 控制和一种较新 颖的优化弱磁控制相结合的方法，提高变流器直流 侧电压利用率与电机负载能力，降低电机损耗，使 电机获得较好的控制性能和牵引续航能力而更具 优势。

　　1 永磁同步电机的数学模型及工作 特性

　　在基速以下恒转矩区，存在一个工作点使电机 在输出相同的转矩下定子电流幅值最小，可以减小 电机运行中的铜耗，提高逆变器效率，降低系统能 量损耗。

　　2 有轨电车的永磁同步电机电流轨迹规划

　　有轨电车在行驶过程中，驾驶员通过改变牵引 加速踏板行程来同时控制 2 台永磁同步电机运行， 以获得相应的转速和动力输出。电机的最大转矩外 特性曲线给出了电机在不同转速下可输出的最大转矩。

　　3 有轨电车的永磁同步电机控制算法

　　优化与实现 根据该有轨电车的运行需求特点，本设计中电 机控制在 MTPA 阶段和恒扭矩弱磁阶段运行。

　　4 实验验证

　　中车四方机车车辆有限公司研制的超级电容储 能式胶轮有轨电车，整车由弓网经高压箱或者由超 级电容提供 750V 直流电源; 一台车辆设计有 2 套牵 引变流器，各控制一台 4 对极凸极式永磁同步电机， 2 台牵引变流器都有各自的控制单元，可以同时运 行且相互独立。根据该牵引控制系统的特点，可以设计两套完 全相同的牵引变流器控制算法用于控制。以青岛超级电容储能式胶轮有轨电车为控制对 象，对牵引控制算法进行研究与验证。控制单元硬 件采用 DSP28335 + FPGA 的架构，牵引变流器采用了 IGBT 的两电平的拓扑结构。

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　　5 结 语

　　本文设计的永磁同步电机优化控制策略，满足有轨电车牵引控制各个复杂工况的运行要求，通过 了超级电容储能式胶轮有轨电车的各项实际试验。 目前，装配有本文所研制的牵引控制系统的超级电 容储能式胶轮有轨电车已达到 10 余辆，且都已完成 3000 km 运行考核，运行状态良好，充分验证了控制策略的可行性、可靠性和适用性。

　　参考文献

　　[1] WANG M S，HSIEH M F，SYAMSIANA I N，etal. Fuzzy Maximum Torque per Ampere and Maximum Torque per Voltage Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drive[J]. Sensorsand Materials，2017，29( 4) : 461-472.

　　[2] SCHOONHOVEN G，UDDIN M N. MTPA-and FW-based Robust Nonlinear Speed Control of IPMSM Drive Using Lyapunovstability Criterion[J]. IEEE: Transactions on Industry Applications，2016， 52( 5) : 4365-4374.

　　作者：杨高兴1 ，张瑞峰1，2 ，路 瑶1 ，詹哲军1 ，柴璐军1