永磁同步电机弱磁控制方法综述

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1、永磁同步电机弱磁控制措施 摘要：永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等规定较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范畴的调速需求，对其进行弱磁控制并拓宽调速范畴有着重要意义。本文针对目前常用的几种永磁同步电机弱磁控制措施进行综述。基于控制对象的不同，对弱磁控制措施进行分类，并具体简介了目前比较常用的负id补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等措施,分析了各措施的原理及特点，得出以电压为控制对象的弱磁措施具有一定发展前景的结

2、论。核心词：永磁同步电机；弱磁控制；内置式永磁同步电机；矢量控制 The Field Weakening Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous MotorAbstract: PMSM because of its high power density, high reliability and high efficiency characteristics, at a higher speed requirements of electric vehicle drive system has been widely used. PMS

3、M weakening control technology must be used to meet the needs of a wide speed range . And because of its salient pole effect, it is of great significance to broaden the scope of the weak magnetic field of IPMSM. In this paper, the commonly used weakening control method of PMSM are reviewed.Based on

4、the different control object,we classify the weak magnetic control method, and introduces in detail the negative id compensation method, look-up table method, gradient descent method, current angle method, single current regulator method that is used commonly at present, analyzes the principle and c

5、haracteristics of each method.Finally, we conclude that voltage control field weeking method has development prospects .Key words: PMSM; the field weaking control; IPMSM;FOC1引言永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等规定较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用1, 2。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范

6、畴的调速需求。永磁同步电机弱磁控制的思想来自对她励直流电机的调磁控制，对永磁同步电机弱磁控制的研究始于20 世纪80 年代中期3, 4。并于90 年代初形成了完善的弱磁理论5。内置式永磁电机构造简朴、鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁控制并拓宽弱磁范畴有着重要意义6。由于永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生，在转速规定较高需要弱磁运营的场合难以实现，在某些应用场合受到限制。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论是从控制角度还是本体构造的合理设计选用的角度，始终是国内外学者研究解决的热点7。因此有必要对既有的永磁同步电机弱磁控制方式进行综合分析研究。本文将针对目前常用的几种永磁同步电机弱磁

7、控制措施进行综述。文中基于控制对象的不同，对弱磁控制措施进行分类，并具体简介了目前比较常用的负id补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等措施。 2 永磁同步电机弱磁控制研究现状2.1 永磁同步电机控制技术的研究现状近二十年近年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一种新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍以采用矢量控制的为多。矢量控制事实上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感拟定后，电动机的转矩就取决于id和iq，控制id和iq便可以控制转

8、矩。通过控制电流跟踪给定便实现了电动机转矩和转速的控制。 (1)2.2 永磁同步电机弱磁控制的研究现状目前，永磁同步电机的弱磁问题重要从本体和控制方略的角度着手研究。某些学者从电机本体构造的角度，通过变化励磁回路、永磁励磁磁通旁路、混合励磁调节气隙磁通等措施对电机的弱磁性能进行改善。另某些学者则从控制方略的角度来提高永磁同步电机的弱磁性能。本文重要从控制方略的角度来简介。弱磁控制大多采用基于磁场定向控制(field-oriented control，FOC)和最大转矩电流比(maximum torque per ampere，MTPA)控制, #2。MTPA 控制重要用于低转速运营时提高电机效

9、率，而FOC控制重要在于设计d 轴、q 轴电流调节器。常用的弱磁控制方略有公式计算法、查表法、梯度下降法、负id 补偿法、单电流调节法、电流角度法等。公式计算法的精度依赖于电机数学模型的精度，实际中要想建立一种精确的模型很难，故很少在实际工程中应用。查表法通过大量的实验数据并制成表格，减少了电机控制芯片的实时计算量，实现起来较为复杂。梯度下降法计算量大，实现较复杂。负id 补偿法实现简朴，但不能实目前弱磁区域III的弱磁。电流角度法不能实目前弱磁区域III的弱磁。单电流调节法以电压为调节对象，实现了深度弱磁，具有一定发展前景，同步也存在一定缺陷，有待改善。 3 永磁同步电机的弱磁控制原理3.1

10、 永磁同步电机弱磁控制的基本电磁关系永磁同步电机的控制是与系统中的逆变器密切有关的，电动机的运营性能要受到逆变器的制约。其中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值Ilim要受到逆变器直流侧电压和最大输出电流限制。则电压极限椭园和电流极限圆的图形如图(1)所示。电压方程满足： (2)当电机稳定运营时： (3)如果忽视电阻，以ulim替代u,则电压方程满足： (4)电流方程满足： (5)电流极限环isODFACEBa电压极限椭园转速增长图1 电压极限椭园和电流极限圆Fig.1 Trajectory of voltage limit and current limit 3.2

11、永磁同步电机弱磁控制的的区域划分1990 年日本学者 S.Morimoto 对永磁电机运营区域进行了分析总结，初次提出弱磁运营三个运营区域(区域 I，区域 II 和区域 III)根据电机运营状况，把区域分为3 个区域8：1)区域I基速如下，电机运营在恒转矩区域，采用线性最大转矩电流比控制(MTPA)，使永磁同步电机获得最大的电磁转矩9。2)区域II随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(MTPV)曲线之间的恒转矩曲线运营。该区域称为弱磁区域II。3)区域III在更高的转速范畴，电机沿着MTPV曲线运营，该区域称为弱磁区域III。当𝜓𝑓/&#

12、119871;𝑑 𝑖𝑙𝑖𝑚时，该区域不存在。4 永磁同步电机的弱磁控制措施永磁同步电机的弱磁控制措施按照控制的对象不同，可以分为三类：1) 以电流为控制对象，控制电流为老式弱磁控制措施，控制措施最多。常用的措施有公式计算法、负id 补偿法、查表法、梯度下降法等。2) 以电压为控制对象，常用措施有单电流调节器法。3) 以相角为控制对象，常用措施有电流角度法。4.1 永磁同步电机负id补偿法弱磁控制负id 补偿法的的基本思想是，不断检测电流调节器输出的电压指令，一旦电压指令超过限幅。负方向增长id，使得电机工作点左移，

13、重新回到电压椭园环内1。图(2)为基于d 轴电流补偿的弱磁控制框图，从图中我们也可以看出该措施实现起来也是相对简朴的，使用的也是老式的PI调节。该措施原理简朴，易于实现，对参数依赖性性小。这些长处使得该措施在弱磁深度规定不高的场合得到广泛应用。但是从原理上我们可以看到该措施重要是对负方向增长id，但是在前述的区域III中，若要实现MTPV曲线运营，我们是要负方向减小id的值的，负id 补偿法从原理上就很难实现区域III的弱磁运营。事实上，在深度弱磁时，该措施的稳定性严重下降，甚至发生电机失控。文献1从数字化控制系统的特点入手，分析了电流失控浮现的因素，分析成果表白，使用负id 补偿法进行弱磁控

14、制时，应当对id 进行精确合理的限幅，并在id 达到其限幅值后对iq 进行弱磁补偿，以保证系统的稳定可控。据此提出了一种改善的弱磁控制方略，经实验验证，可有效提高永磁同步电机稳定可控运营的转速范畴。图2 基于d 轴电流补偿的弱磁控制框图Fig. 2 Field-weakening control block diagram based ond-axis current compensation4.2 永磁同步电机查表法弱磁控制通过查表的弱磁控制措施是根据磁链的变化，及磁链与转矩、电流之间的关系，需要通过大量实验测试选用某些转速点来测量得到三者之间的数据关系，形成数据表。在电机运营时，电流参照值

15、则通过查表得到，免除实时的电流参照值计算，从而进行恒转矩和恒功率控制。文献10中将交、直轴电流随转矩及定子磁链的变化关系作成表格。在电机运营过程中, 根据转矩及定子磁链的参照值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该措施可以根据实际工况规定同步得出交、直轴电流参照值, 可有效地提高系统的迅速响应能力10 。文献10中将功率5kW的内置式永磁同步电机由额定转速1000r/min，弱磁扩速至2 000 r/min时转速。图(3)为弱磁区域id，iq响应曲线，成果表白其基于查表法的弱磁控制方略可获得较快的动态响应。采用查表法的控制算法精度较高，运营轨迹易于规划。但该措施需要大量实验数据，且是

16、针对某台特定的电机进行实测，其运营性能优良，但不易进行移植。图3 弱磁区域id，iq响应曲线Fig.3 i d，iq response curve in field weakening region4.3 永磁同步电机梯度下降法弱磁控制梯度下降法是根据永磁同步电机的电压极限椭圆的电压递减方向和恒转矩运营曲线方向之间的夹角大小拟定电机运营所在的弱磁区域，公式(6)用于计算电压递减方向与和恒转矩运营曲线方向之间的夹角。之后根据所在的弱磁区域，作相应的电流参照值修正，从而实现弱磁控制，图(4)为梯度下降法弱磁控制的算法框图。对于电流参照修正值的大小重要由电机输出的电压大小与电机限定电压的差值拟定，根

17、据区域的不同，完毕电流参照值的修正。文献6中将电机从1800r/min弱磁到3600r/min,实验成果表白梯度下降法略优于老式措施，提高了直流母线电压运用率。该措施对弱磁控制区域划分明确，控制精确，可以实现无限速度弱磁。算法可靠、鲁棒性好，响应快，避免了使用查表法需要大量实验数据带来的不便，可以实现对电机的实时性调节，但是实现程序比较复杂。 (6)图4 梯度下降法弱磁控制算法框图Fig.4 Block diagram of gradient descent field weakening method4.4 永磁同步电机单电流调节器弱磁控制美国学者提出了一种新颖的单电流调节器控制的弱磁控制措

18、施。该措施去掉了q轴的电流调节器，只保存了d轴电流调节器，图(5)是单电流调节器控制框图，从图中我们可以看到q轴直接给定了一种电压信号VFWC,该控制措施一旦id和Vq的值拟定了，iq便会由电机内部自动调节到一种固定值，且iq的值与id的值线性有关，其关系满足下式(7)体现式1。在文献2中，单电流调节器控制大大提供了弱磁深度，使得电机最高转速可达基速的8倍以上。文献指出电压控制具有天然的弱磁能力。电流指令跟踪由于电流电压相应关系不固定，导致弱磁时电流无法跟踪，电机失控。而电压指令与逆变器输出电压直接相应，不会浮现失控状况。同步也指出了电压控制和单电流调节器控制的某些缺陷。电压控制存在动态响应差

19、、转矩控制能力弱、调节电压值选用难等缺陷。单电流调节器控制相比双电流环控制有效率减少、转矩输出能力下降等问题。 (7)图5 单电流调节器控制框图Fig.5 Single current regulator control block diagram 4.5 永磁同步电机电流角度法弱磁控制变化电流矢量相角的措施是运用输入到电机的电压参照值和电机的限制电压Ulim之间的差值通过控制器得到定子电流矢量与q 轴的控制角11, 12。在 = 0 时，阐明电机运营在恒转矩区，相称于id = 0 控制系统，当外部电压差值为负值时，通过控制器环节，得到 0，产生d 轴负向分量，使电机进入弱磁控制区域，控制框图

20、如图(6)所示。图6 电流角度法弱磁控制框图Fig.6 Block diagram of current angle field weakening method 结论永磁同步电机弱磁措施众多，永磁同步电机弱磁控制措施按照控制的对象不同，可以分为以电流控制型、电压控制型、相角控制型三类。电流控制型算法中，公式计算法易于规划轨迹，但无参数鲁棒性，实用价值很低。负id补偿法措施简朴可靠，不依赖参数、鲁棒性好，但稳定性随转速上升而下降，不能实现三区的弱磁。查表法易于规划轨迹，可实现转矩相应，但需要大量的实验数据，针对某台特定电机，可移植性差。梯度下降法可实时调节弱磁方向，实现非线性控制，但算法较复杂

21、，有一定参数依赖性。电压控制型算法中，单电流调节器法的电压指令与逆变器输出电压直接相应，不易浮现电机失控状况，易于规划轨迹，弱磁深度大大提高，电机最高转速可达基速的8倍以上，但存在动态响应较差、转矩控制能力弱、调节电压值选用难等问题。相角控制型算法中，电流角度法不依赖参数，鲁棒性好，但不能实现三区的弱磁。相对来说，电压控制型算法可实现深度弱磁，具有一定发展潜力。道谢 感谢高瑾教师对本工作的协助，在此表达感谢！参照文献：1朱磊,温旭辉,赵峰.永磁同步电机弱磁失控机制及其应对方略研究J.中国电机工程学报,4(18): 67-72.2朱磊,温旭辉,薛山.车用永磁同步电机弱磁控制技术发呈现状与趋势C.

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23、esJ.IEEE Transactionson Industry Applications,1986,22(4): 398-407.5S.Morimoto,Y.Takeda,T.Hirasa.Expansion of operating limits for permanent magnet motor by current vector control considering inverter capacityJ.IEEE Transactions on Industry Applications,1990,26(5):866-71.6盛义发,喻寿益,桂卫华.轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控

24、制方略J.中国电机工程学报,6(09):74-9.7万佳,赵魁,柴凤.弱磁型永磁同步电机研究综述J. 微电机,10(01):1-6+21.8唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版社.:258-63.9孙旭霞,岳经凯.永磁同步电机MTPA弱磁控制措施研究J.电气传动,5(11):62-4.10王莹,唐任远,曹先庆.内置式永磁同步电动机弱磁控制实验研究J.微电机,3(11):1-4.11罗德荣,曾智波,黄守道.电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制J.湖南大学学报(自然科学版),7(03):40-4.12于家斌,秦晓飞,郑军.一种改善型超前角弱磁控制算法J.电机与控制学报,7(03):101-6.