轨道车辆用永磁同步电机系统效率优化智能集成控制研究

盛义发^{1, 2}，喻寿益¹，桂卫华¹，洪镇南²

(1. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳，421001)

摘  要：为提高轨道车辆用永磁同步电机(PMSM)系统在稳态下的效率，将智能控制技术与转矩补偿相结合，提出一种适用于轨道车辆用PMSM系统的效率优化智能集成寻优控制策略。在搜索的前半程采用模糊逻辑自适应地调节直轴电流分量效率的优化方法，自适应地调整步长，解决转矩波动问题；在搜索的后半程采用黄金分割法搜索，以加速搜索过程，提高收敛性；在整个过程中，引入转矩校正方案，在调节励磁电流的过程中，实时地补偿转矩电流，以解决转矩的脉动问题，保证系统动态和静态性能。针对100 kW的轨道车辆用永磁同步电动机开发了基于TMS320LF2407A DSP的效率优化智能集成控制系统。实验结果证明了本策略的有效性。

关键词：轨道车辆；永磁同步电动机；效率优化；智能集成控制

中图分类号：TM351         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2252-06

Efficiency optimization of permanent magnet synchronous motor for rail vehicles based on intelligent integrated control

SHENG Yi-fa^{1, 2}, YU Shou-yi¹, GUI Wei-hua¹, HONG Zhen-nan²

(1. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China)

Abstract: To improve the steady state efficiency of permanent magnet synchronous motor system for rail vehicles,the online intelligent integrated optimal control strategy for PMSM efficiency optimization was presented. The intelligent integrated control technology and torque compensation method were combined in the system. The method of using adaptive fuzzy logic to adjust direct-axis current was adopted in the first half search period, and the torque fluctuations were reduced using the adaptive step size. The golden section search method was adopted in the next half search period to speed up the search process and improve its convergence. In the whole process, the torque correction program was introduced to compensate for the torque current in real time and resolve the torque pulsation problem in the regulation process of the excitation current. The dynamic and static performances of the system were improved. A 100 kW PMSM efficiency optimization intelligent integrated control system was implemented using a TMS320LF2407A DSP. The validity of the proposed strategy was proved by experimental results.

Key words: rail vehicle; permanent magnet synchronous motor; efficiency-optimization; intelligent integrated control

永磁同步电机(PMSM)以其体积小、密度低、功率密度大、低速输出转矩大、效率高、维护简单等优点受到高度重视，以德国、法国和日本为代表的铁道装备制造强国纷纷开展了永磁同步电机牵引系统的研究，并取得了一定的成绩。日本已经将PMSM应用于低地板电动车、独立车轮式电动车和可变轨距电动车，德国和法国也在高速动车组和低地板电动车上采用了永磁同步牵引电机^[1-3]。目前，我国在这方面的研究尚属空白。与异步电机相比，应用于城轨牵引的永磁同步电机不需要无功励磁电流，虽然其具有功率因数高和效率高等优点，但是，由于电机的损耗仍然存在，在变负载、宽范围调速的情况下进一步提高效率，成为许多学者和工程技术人员研究的热点。从目前的研究情况看，PMSM系统效率优化可以分为两类：基于损耗模型的效率优化控制方法(LMC)^[4-10]和基于在线搜索技术的效率优化控制方法(SC)^[11-17]。其中，损耗模型控制是建立电机损耗的数学模型，推导出最优效率时的最优励磁电流和励磁磁链，并加以控制实现效率最优。由于损耗模型控制具有损耗模型复杂、计算量大和对电机参数依赖强等特点，限制了其应用。搜索技术则不依赖电机参数，它以保持输出功率一定为前提，不断调整励磁电流，使得在输入功率最小时，系统效率达到最佳点，对应的励磁电流即为最佳的励磁电流。效率搜索方法包括梯度法、模糊搜索法和黄金分割法，技术关键在于合理选择步长。梯度法搜索步长固定，导致收敛时间长或引起磁链和转矩波动。模糊搜索法能够自适应地给出较小的步长，解决转矩波动问题，但在效率最优点处可能出现振荡，而且搜索慢，收敛性差。黄金分割法具有确定的较快的收敛速度，但在搜索的起始阶段将引起转矩波动。由于基于损耗模型的最优直轴电流计算复杂，对电机参数依赖大，而这些参数经常随电机运行状况改变，实用中需对模型简化，得到的近似最优解与实际最优值仍存在偏差，最终只能实现效率次优控制；同时，最小输入功率在线搜索方法存在收敛速度慢和转矩波动大的缺点。为提高轨道车辆用PMSM系统在稳态下的效率，采用智能控制技术与转矩补偿相结合，提出一种适用于轨道车辆用PMSM系统的效率优化智能集成寻优控制策略。

1  轨道车辆用PMSM系统效率优化智能集成控制

1.1  控制原理

图1所示为轨道车辆用PMSM系统效率优化集成控制原理框图，其中：P(k)和P(k-1)分别为第k次和第k-1次直流输入功率；?P(k)为第k次直流输入功率的增量；?ω为转速偏差；ε，ε₁和ε₂分别为励磁电流变化阈值、速度滞环比较器的下限值和上限值；?i_d(k)为直轴电流增量。该控制方法基本思路是：在稳态给定转矩和转速下，保持输出功率不变，根据测得的输入功率，通过在线搜索的方式不断调整励磁电流，使输入功率最小，从而优化电机运行效率。

1.2  控制策略

1.2.1  效率优化过程混合搜索方法的实现

(1) 基于模糊逻辑搜索技术(FLSC)的效率优化控制。表1所示为模糊逻辑控制规则，其中：NB，NM，NS，ZE，PS，PM和PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大7个模糊集。在额定磁链条件下的调速过程结束后，系统进入稳态，再根据表1进行模糊搜索效率优化。为提高效率优化速度，采用基于模糊逻辑自动调整直轴电流增量的自适应效率优化控制策略^[3-17]，如图2所示，即当PMSM系统处于稳态时，连续检测逆变器直流输入功率的变化，根据前一次直轴电流增量及直流输入功率的变化按照模糊控制规则确定直轴电流增量。设计不对称隶属度函数，使搜索过程在到达输入功率最小点之前停止在效率最优点附近。输入和输出隶属度函数设计如图3所示。

图1  PMSM系统效率优化集成控制原理图

Fig.1  Schematic diagram of efficiency optimization based on intelligent integrated control strategy for PMSM

表1  模糊逻辑控制规则中Δi_d模糊集

Table 1  Fuzzy sets of Δi_d in fuzzy logic control rules

图2  自适应效率优化控制策略

Fig.2  Adaptive efficiency optimization control strategy

图3  输入和输出的隶属度函数

Fig.3  Membership functions for input and output

(2) 黄金分割法搜索(GSM-SC)的效率优化控制。在效率优化的起始阶段，步长给定使得励磁电流单方向下降，输入功率增量为负，采用模糊搜索寻优。当输入功率增量为正时，说明搜索已接近效率最优点，由于在效率最优点处可能出现振荡，而且搜索慢、收敛性差，因此，切换为黄金分割法搜索寻优。

(3) 混合搜索方法的实现步骤。根据图1和上述分析，可得混合搜索方法的实现步骤。

1) 调速阶段：当系统发出调速指令或负载转矩发生变化时，电机进入调速过程，此时，转子磁链被提升至额定值以满足转矩输出要求，系统运行在恒转矩控制方式。

2) 模糊搜索阶段：当转速偏差(为偏差阈值)时，系统进入稳态，开始模糊搜索效率优化。

3) 黄金分割法寻优阶段：经过若干步长，电机运行点越过效率最优点，输入功率增量从负变为正，即?P_d(k)＞0。由此开始黄金分割法寻优，直至励磁电流变化小于设定的最小值：≤ε，结束效率优化过程，取最优励磁电流为I_ds2(k)和I_ds1(k)的平均值。

4) 状态判别：在寻优过程中，当负载变化或转速调整使得转速偏差(为偏差阈值)时，立即终止寻优步骤，并恢复额定励磁，开始相应的调速过程。在动态过程结束后，进入新的稳态，开始新的一轮效率优化。

5) 滞环比较器阈值设计：为了保证稳态和暂态切换的稳定性，应设计成一个滞环比较器，和分别为速度滞环比较器的下、上限。

1.2.2  转矩电流补偿器

为避免i_d在搜索过程中持续阶跃变化造成电机电磁转矩和转速波动，在调节i_d的同时，对交轴电流i_q进行同步调节来维持电磁转矩的恒定，以保持PMSM系统处于稳态，提高效率优化速度。

直轴电流调整前，PMSM的电磁转矩T_e为：

         (1)

式中：L_d和L_q分别为电机的直、交轴电感；为空载永磁磁链；n_p为极对数。

直轴电流变化?i_d后，对交轴电流值进行相应调整，保证电流调整前、后PMSM电磁转矩不变，则调整后的电磁转矩可以表示为：

 (2)

由式(1)和(2)可得交轴补偿电流为：

       (3)

则实际电流为：

            (4)

            (5)

补偿后的交、直轴电流分量即为系统实际给定控制量。

1.3  轨道车辆用PMSM系统效率优化智能集成控制器

轨道车辆用PMSM系统效率优化智能集成控制器框图如图4所示。系统采用TI公司制造的TMS320LF2407A高性能16位数字信号处理器，直流母线加装LEM电压、电流传感器，采样信号经低通滤波后分别送入DSP(Digital signal processing)的两路A/D转换器。永磁同步电机的转速和位置信号是通过长春第一光学仪器厂生产的ZKD系列含有AB信号，U，V，W和Z信号的混合式光电码盘获得。其中AB信号的脉冲为2 500 个/r，用于转速的测量；U，V和W的脉冲为3 个/r，用于起动阶段的转子定位；Z信号的脉冲为1 个/r，用于实现从利用U，V和W信号起动到利用AB信号进行位置测量的转换，并且用于消除位置测量过程中的累积误差。永磁同步电机牵引系统软件采用C语言和汇编语言进行混合编写，主要包含主程序和中断处理程序。作为软件主体的效率优化智能集成控制器框图如图4中虚线框内所示。

2  轨道车辆用PMSM系统效率优化智能集成控制实验

效率优化智能集成控制的轨道车辆用PMSM实验系统如图5所示。PMSM参数为：额定功率P_N=100 kW；额定电压U_N=233 V；额定转矩T_N=400 N?m；额定转速n_N=1 500 r/min；极数n_p=4；定子电阻R_s=2.85 Ω；等效铁损电阻R_Fe=102.85 Ω；直轴电感L_d=2.5 mH；交轴电感L_q=7.5 mH；磁链ψ_f=0.75 Wb。应用转矩/转速测试仪和WT230数字功率计分别测量该轨道车辆用PMSM系统的输出功率与直流环节输入功率^[18]。

实测不同转速下的PMSM系统效率如图6所示。为方便比较，图6同时给出了未采用效率优化控制时的系统效率曲线。在800 r/min时，采用智能集成效率优化控制方式，系统效率最大提高4.0%，平均提高2.3%；在1 600 r/min时，采用智能集成效率优化控制方式，系统效率最大提高3.4%，平均提高2.4%。从图7可以看出：在相同负载条件下，采用智能集成效率优化控制方式可以使PMSM系统效率明显提高。

电磁转矩响应曲线如图7所示。在图7(a)中，未采用效率优化控制时传统DTC(直接转矩控制)算法的转矩最大脉动达到10.5%，平均脉动为7.9%；在图7(b)中，采用智能集成效率优化控制时DTC算法最大转矩脉动为5.5%，平均脉动为3.1%。从图7可知：采用智能集成效率优化控制技术后，转矩脉动大大降   低，转矩脉动得到有效抑制，改善了直接转矩控制运行性能。

图4  效率优化智能集成控制器框图

Fig.4  Schematic diagram of intelligent integrated controller of efficiency optimization

图5  轨道车辆用PMSM系统效率优化智能集成控制实验平台

Fig.5  Experiment platform of efficiency optimization intelligent integrated control system of PMSM for rail vehicle

图6  不同转速下PMSM系统效率

Fig.6  Efficiency of PMSM system in different rotation velocities

图7  电磁转矩响应曲线截图

Fig.7  Curves of electromagnetic torque response

3  结论

(1) 采用智能集成控制技术与转矩补偿相结合的方法，提出了一种适用于轨道车辆用PMSM系统的效率优化智能集成在线寻优控制策略。

(2) 该方法可以减小系统能耗，有效提高牵引系统的效率，转矩脉动小，鲁棒性好，并可以缩短最优效率搜索的收敛时间。

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(编辑 刘华森)

收稿日期：2009-12-12；修回日期：2010-03-08

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(60634020)；湖南省自然科学基金资助项目(10JJ6076)；湖南省科技厅资助项目(2010GK3183)；湖南省教育厅资助项目(09C857)

通信作者：盛义发(1973-)，男，湖南衡阳人，副教授，从事电力电子与电气传动、智能控制研究；电话：13307349788；E-mail: syf871@yahoo.com.cn