永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究

摘要

永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。

关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机

一、永磁同步电机弱磁控制研究现状

1．永磁同步电机及其控制技术的发展

任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直,互相影响。因此，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有:矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等［1］。

1．1 矢量控制

1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理,经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统.矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能.

1．2 恒压频比控制

恒压频比控制是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出 进行控制，使电机以一定的转速运转。但是它依据电机的稳态模型,从而得不到理想的动态控制性能。 要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型,永磁同步电机的动态数学模型是非线性、多变量，它含有角速度 与电流 或 的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。 近年来，研究了各种非线性控制器,来解决永磁同步电机非线性的特性。

1．3 直接转矩控制

矢量控制方案是一种很有效的交流伺服电机控制方案，但是由于该方案需要进行矢量旋转变换，坐标变换比较复杂。此外，由于电机的机械常数慢于电磁常数,矢量控制中转矩响应的速度不够迅速。针对矢量控制的上述缺点，德国学者 Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案——

直接转矩控制（DTC)方案。直接转矩摒弃了矢量控制中解耦的控制思想以及电流反馈环节,采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点[2]。

2．永磁同步电机弱磁控制研究现状 弱磁控制是目前PMSM的一个研究热点，电动机减弱磁场就可以实现高速运行（转矩也随之减小)，因此，直流电机和感应电机都积极地进行弱磁控制,以便扩展最高转速。对于PMSM由于转子是永磁体,不能简单通过控制励磁电流实现弱磁控制，可以在抵消永磁体磁通的方向上施加一个励磁性质的电流，实现弱磁控制。但是，对于永磁体来说，存在着一个如何避免不可逆退磁的问题.目前，具有高磁能积的永磁材料的实用化，使得PMSM的弱磁控制得以实现，以下是现阶段国内弱磁控制的发展状况.

2．1 从控制角度

梁振鸿等人采用过调制技术［3］，根据零电压矢量作用时间判断过调制起始点，用查表法确定调制比,提高逆变器直流母线电压利用率，实现对永磁同步电动机弱磁运行区域的扩展。slligo Morilnoto [4]等人采用电流调节器，实现永磁同步电动机的弱磁控制，电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节,定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的偏差决定，定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。Jang-Molll kim ［5]等人提出了将直流母线电压作为一个反馈量用于电压外环调节的改进方案,从而使系统工作在最大电压利用状态.控制外环的电压可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和,从而取得较满意的控制效果.Sozer等人提出了自适应弱磁控制法[6］以克服电流调节器饱和的问题。Jiunn-Jiang Chen[7]等人将非线性降维状态观测器应用于弱磁控制，从而提高控制系统对电机参数变化的鲁棒性。

2．2 从电机本体角度

传统结构的永磁同步电动机弱磁效果较差从结构上看，由于永磁体磁阻率接近于空气，传统结构的永磁同步电动机，其永磁体总是串联在电机的直轴磁路上，等效气隙很大,直轴电抗很小,在正常的电枢电压下，不可能获得很大的直轴电流，因而无法获得满意的弱磁效果.这就要求寻找特种结构的永磁同步电动机，以适应弱磁运行的要求[8]。Richard F．Schifcrl、伊华杰等设计了一种复合转子结构永磁同步电动机,从电机的本体上解决了弱磁扩速难的问题。

二、永磁同步电机弱磁控制的控制策略

(一）电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制

文献［9］提出了电压极限椭圆的梯度下降法进行弱磁，该方法主要分为确定弱磁区域和修正电流参考值两部分。这种方法快速性强，控制精度高，不需查表,实现简单且准确率高,鲁棒性好。

1。 电压极限椭圆和电流极限椭圆

定子电压|us|要受逆变器电压极限的制约，于是有

us(e0xdid)2( xqiq)2maxωr (1）

2同样，逆变器输出电流的能力也要受其容量的限制，定子电流也有一个极限值，

即

isismax (2）

若以定子电流矢量的两个分量表示，则有

22idiqis2 max (3）

由上式构成了电压极限椭圆和电流极限圆，如图1所示。图中，电流极限圆的半径为1，即设定ismax等于额定值。由式（1）可以看出，电压极限椭圆的两轴长度与速度成反比，随着速度的增大便形成了逐渐变小的一簇套装椭圆。因为定子电流矢量is既要满足电流极限方程,又要满足电压极限方程,所以定子电流矢量is一定要落在电流极限圆和电压极限椭圆内.例如，当ωrωr1时，is要被限制在ABCDEF范围内.

图1 电流极限圆和电压极限圆

2。 弱磁区域的确定

永磁同步电动机运行过程中的电流、电压轨迹如图2所示。根据运行情况,可划分为两个弱磁区域：

1) 弱磁区域I。定义电磁转矩与产生其所需的电流的比为转矩电流比。基频以下电动机恒转矩运行，采用线性最大转矩电流比控制,如图中OA所示； 最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比曲线之间的区域称为弱磁区域I。

2) 弱磁区域 II.在基频以上，电动机沿着 MT-PV 曲线运行,称为弱磁区域 II。

图2 永磁同步电动机运行过程中的电流、电压轨迹

3. 系统结构框图

图3为永磁同步电动机调速系统结构框图.虚线部分为电流修正值计算模块.速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出电磁转矩Te指令信号,经MTPA模块后输出d、q轴电流id1、iq1作为指令信号。idx、iqx分别为 d、q 轴的电流修正值。

图3 永磁同步电动机调速系统结构框图

4。 基于梯度下降法的内埋式永磁同步电机弱磁控制策略

内埋式永磁同步电机（IPMSM）由于结构上的特点使其在性能上有很多突出的优点,如高功率密度、高功率因数、结构紧凑、调速范围宽等，正是由于这些优点使其广泛应用于家用电器、交通运输、磁盘驱动器以及机床、机器人等数控系统。轨道交通和电力牵引传动系统要求电机在速度较低的时候能够输出比较大的转矩，这样可以满足起动、加速、低速爬坡等要求，除了对基速以下的一些要求外，还要求在速度范围上能够更加宽广，这就对电机的弱磁性能提出了要求,要求其调速的范围大。内埋式永磁同步电机由于存在结构转矩，比较容易弱磁，且输出转矩大，因此对内埋式永磁同步电机的研究具有重要的意义［10]。

基于梯度下降法的弱磁控制算法,不需要查表，控制精度高,响应速度快,且鲁棒性好。具体算法描述如下.

内埋式永磁同步电机运行过程中电流、电压轨迹曲线如图4所示。基速以下，电机运行在恒转矩区域,采用线性最大转矩电流比（MTPA)控制可以使永磁同步电机获得最大的电磁转矩［11]，如图中OA曲线所示。随着转速的升高,电机将沿着最大转矩电流比曲线OA和最大转矩电压比(MTPV）曲线BC之间的恒转矩曲线运行，即为弱磁区域I（FWRl）。在更高的转速范围，电机沿着MTPV曲线BC运行，即上述弱磁区域2（FWR2）,如图2所示。对于给定参考转矩瓦，随着转速的升高，电机沿着恒转矩曲线DE运行，到达E点之后，如果转速继续升高，电机将沿着MTPV曲线EC运行，其输出转矩逐渐减小M。在弱磁过程中，最主要的是确定设定电流修正值的大小.首先根据电机的运行曲线确定其所在的弱磁区域（FWRl、FWR2)，再根据所在的弱磁区域，对电流设定值进行相应的修正。

（二）采用改进的超前角控制弱磁增速

超前角弱磁控制算法是目前较为常用的弱磁控制方法[12]。运用该算法控制表贴式永磁同步电机运行于弱磁区时，随着负载的增加，通常会出现如下问题： 从恒转矩区到恒功率区的过渡过程中，出现较大的电流震荡，从而引起速度波动，系统的动态性能变差。而在恒功率区，会出现稳态速度下降的现象，稳态时的速度和电流波动也会变大，系统的稳态性能不佳。

1. 表贴式永磁同步电机数学模型及传统超前角弱磁控制算法 d－q轴系下表贴式永磁同步电机定子电压方程为[13］

dudRsidLdidrLqiq

dtdiqrLdidrf （4) uqRsiqLqdt式中：Ld和Lq分别为直轴和交轴同步电感，且Ld=Lq,Rs为定子相电阻，r为转子的电角速度，f为转子永磁体产生的励磁磁场的基波磁链。电机高速稳定运行时,忽略定子压降，电压方程可以改写为

id

uqrLdidrf （5）

电机定子电压usud2uq2 由式（5）可得

usrLqiqLdidf （6）

22由式(6）可以看出，当电机定子电压达到逆变器的输出极限时，为了使转速r升高，只能通过增加直轴去磁电流分量id和减小交轴电流分量 iq，以维持电压平衡，达到弱磁调速的目的。

图4为传统超前角弱磁算法的控制框图，其基本原理为：以电流环的输出值作为电压 PI 调节器的输入控制量，与给定电压 Umax之间的差值通过电压PI 调

节器来控制电机定子电流矢量与 q 轴之间的超前角 .Umax为Udc/3，其中

Udc为逆变器直流母线电压。当 us低于 Umax时，由于饱和环节的作用，PI 调节器处于正向饱和,输出电流超前角=0,此时id= is，sin= 0，电机运行在恒转矩区。当 us高于 Umax时,电压 PI 调节器输入为负值,PI 调节器开始退出饱和，输出负的超前角(/20),产生负向 d 轴电流分量,电机进入弱磁工作区。同时对id还要采取一定的限制，使其小于电机的最大去磁电流。[14]

图4 传统超前角弱磁算法框图

2．改进的 SVPWM 过调制算法

表贴式永磁同步电机采用传统超前角弱磁控制算法加载运行时，当给定电机转速超过其转折速度,在其升速阶段，会出现 d，q 轴电流的剧烈震荡，进而导致速度的波动，电机没有实现从恒转矩区到恒功率区的平滑过渡。电流的剧烈震荡通常会引起驱动器的过流保护，同时引发逆变电路较大的di / dt 和 dv / dt，增大电机运行时的电磁干扰,降低功率器件的使用寿命。通过分析得出在弱磁调速的升速阶段，电流环的输出即电压指令值在某些瞬会超过 SVPWM 算法的输出范围，由于 PI 调节器固有的延迟性,依靠弱磁控制的电压闭环并不能快速地将电压调整过来，从而造成了输出电压在某些瞬间不可控，引起了电流的震荡.为此,本文尝试采用一种改进的 SVPWM 过调制算法，在逆变器直流侧电压不变的情况下增大其交流电压输出，提高电压输出能力,改善弱磁调速时的动态性能［15]。

（三）内置式永磁同步电动机弱磁控制

内置式永磁电机的永磁体埋在转子铁心里面,在弱磁运行时使其具有退磁的防护作用，所以内置式永磁电机比表贴式永磁电机不易退磁。由于内置式永磁电机d轴电感大于表贴式永磁机，且d轴电感小于q轴电感，具有磁阻转矩,所以其具有更宽的恒功率范围和优良的弱磁扩速能力［16]［17］，非常适用于启动、低

速或爬坡时输出大转矩，在高速时输出大功率，以及宽调速范围、高可靠性的车辆环境中。与传统电励磁电机相比,内置式永磁同步电动机具有体积小、质量轻、损耗小、效率高、结构简单、运行可靠等显著优点，在高性能、转矩响应快速性的场合具有很好的应用前景，所以在电动汽车中采用永磁同步电动机驱动成为发展趋势［18]。

1． 内置式永磁同步电机移相弱磁控制策略 图5是本设计提出的弱磁控制策略方框图。

图5 IPMSM移相弱磁控制方框图

图中转速环主要得到转子位置角度，经取微分得到电角速度。通过转速调节

器得到转矩Te,由电流发生器按照最大转矩电流比控制的电流输出公式给出*id和

*q轴的电流参考值在角度运算器中做极坐标到直角坐标的变换以及逆变换。iq,d、

当转速超过基速时切换到弱磁控制模式，弱磁控制器生成系数作用到电 流相位角上生成*idnew和*iqnew。d、q轴电流分量经过PI调节和电流解耦后得到

*ud和*uq,最后通过旋转至静止的坐标变换，便可获得用于控制变频器输出的

静止坐标系中的定子电压*u、*u。

与传统的基速下采用Id=0的弱磁控制方式比较，该系统增加了一个带弱磁控制其的电压反馈环节.弱磁控制其的作用就是检测给定定子电压,并用它与实际定子端电压做一种方式上的比较，最后经过PI调制得到比例系数，再经由角度元算器将它作用到电流相位角上以起到弱磁效果.经由给Id和Iq。运算得到的

*通过它与定子端电压做比较就保证潜在弱ud和*uq包含着此时电机负载的信息，

磁区间(b,c)中选择一个依赖于负载的点进入弱磁模式.这里的弱磁控制器的设计需要满足一下几个条件:

（1）运算给定低于端电压Udc时，输出的系数的作用应不改变相位角,相当于电机处于最大转矩电流比控制。此时,电动机处于基速以下恒转矩运行或

者是潜在弱磁区域中的最大转矩电流比容许部分。

(2）电动机端电压随着IPMSM转速的增加逐步升高，当运算给定大于Udc时，弱磁控制器要快速响应,迅速给出调制系数，使它在角度运算器的作用下得到

以保证弱磁控制开始，使IPMSM的转速的一继续升高。在调制的过程中，由

于响应速度的要求，PI调制要快速退饱和，要求对PI控制器作出特殊的设计。

(3)在调速过程中，注意对电流要限制,Id和Iq都要在电流极限的容许范围内[19］。 2． 具有快速动态响应的前馈弱磁控制策略

基于前馈控制的弱磁控制策略,将交、直轴电随转矩及定子磁链的变化关系绘制成表格。在电机运行过程中,根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该方法可以根据实际工况要求同时得出交、直轴电流参考值，因此可以有效地提高系统的快速响应能力［20]。

图6 IPMSM移相弱磁控制方框图

如图6所示,弱磁控制策略的实现过程主要包括4个部分。第四部分是根据逆变器直流侧电压及电机的转速计算定子磁链限幅值。这里假定电压参考值为最大输出电压值，即:

|s|maxUrefrUdc3r (7)

第二部分即根据电机的转矩、磁链参考值查表得出电机的交、直轴电流给定值,以实现系统的前馈控制。第三部分是根据转速的升高实时限定电机可能输出的最大转矩，从而实现电机的恒功率运行。

前馈控制可以提高系统的快速动态响应,然而，不同的交、直轴电流作用下，电动机的磁路饱和程度不同，因而，电机参数不同,这对系统的弱磁控制性能有直接影响。因为直轴磁路存在永磁体，其磁导率接近空气的磁导率,不易饱和，所以直轴电流对直轴电感的影响较小；而交轴电流的变化对交轴电感的影响则比较明显。永磁同步电动机弱磁升速过程中，直轴电流逐渐增大，而交轴电流是逐渐减小的。因此在弱磁过程中，应该考虑交轴电感Lq值的变化造成直轴参考电流id的计算误差。

三、结 语

本文主要分析、研究了无刷直流电动机的无位置传感器技术、转矩脉动控制以及起动方法分析这三个热点问题。和传统结构永磁同步电动机和复合转子永磁同步电动机通过弱磁控制能够拓宽速度范围，但是存在一些不足。与之相比,利用设计漏磁通路改变磁通路径的方法为彻底解决永磁电机的弱磁问题提供了新的希望和途径，目前这种利用漏磁通路弱磁的方法尚有待更为深入的研究。可见,寻找一种能够完美地满足弱磁控制要求的新型永磁同步电动机结构和控制方法，是当今电机界的重要研究课题。

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