FOC控制系统中的逆变器直流电压闭环设计

采用电压型逆变器供电的永磁同步电动机工作在高速区域时，由于定子电压接近极限，所以电流调节器可能会出现饱和以致电动机电流处于开环控制，从而导致系统进入非可控状态，存在着较大的安全隐患。对此的改进措施是，当电流调节器进入饱和时，将调速系统对电动机定子电压的需求和逆变器直流侧电压进行对比，并产生一个额外的去磁电流分量（i_d）补偿到原电流指令值。

图12-22给出了含有逆变器直流电压闭环的永磁同步电动机矢量控制系统框图，里面除了前面介绍的速度闭环、两路电流闭环以外，还增加了一个电压闭环。新增电压闭环可以抵消电动机运行时对定子电压的额外要求，从而避免定子电流调节器进入深度饱和，进而对定子电流实施更为有效的闭环控制，提高了系统的可控性。

图12-21 前馈单元内部结构框图

图12-22 含有逆变器直流电压闭环的永磁同步电动机矢量控制系统框图

图12-23给出了定子电流指令值发生器的内部框图，电动机转矩命令值首先经过预处理：一方面在不同运行区域内的转矩最大值受限，另一方面输出转矩受到直流电压的限制，当电压降低时，转矩指令需要相应减小。然后根据运行中的不同优化控制策略，将转矩指令转化为定子电流的命令值i^*_dref、i^*_qref。高速运行的电动机受到电压极限的限制作用是比较明显的，所以根据图中电压调节产生的电流指令补偿量，最终形成真正的电流指令值i_dref、i_qref。

下面针对采用图12-22的控制系统对电动机定子电阻、励磁电感等参数变化的抑制效果进行了仿真。(www.xing528.com)

图12-24中电动机运行于高速负载情况下，图中的箭头标注了不同的干扰：1—定子电阻逐渐增加；2—定子电感缓慢减小；3—定子电感快速减小；4—定子电阻逐渐减小，恢复正常。从中可以看出，随着电动机参数的变化，由于图12-22中的电流指令同步发生变化，所以电流调节器可以继续保持电流的闭环控制。

图12-23 高性能电流命令发生器框图

图12-24 电压闭环控制效果

需要指出的是，由于电动机内部磁场饱和的影响，PMSM中的L_d、L_q电感值与定子电流i_d、i_q大小有关，特别是L_q在定子电流较大时会有明显的下降，从而会显著影响电动机的转矩控制效果。对电动机转矩控制性能要求较高的场合（如电动汽车）需要考虑对电动机内部某些参数进行在线辨识。