永磁同步电机的弱磁控制策略的仿真研究
永磁同步电动机弱磁运行控制研究
永磁同步电动机弱磁运行控制研究陈书锦;杨帅;杜煦【摘要】为了提高永磁同步驱动电机弱磁运行性能,根据驱动系统的特点,在详细分析永磁同步电动机驱动系统弱磁运行过程的基础上,分析了不同弱磁参数对电机转矩、扩速能力的影响,指出了永磁同步电动机直接转矩弱磁控制基本原则和最佳的弱磁率范围为[0.25,0.75].在弱磁运行过程中,根据转速的变化不断调节磁链和转矩给定,在空间电压矢量调制的基础上,实现了永磁同步电动机直接转矩弱磁运行,实验结果证明了文中提出的控制算法和控制方法的正确性和有效性.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(024)006【总页数】5页(P576-580)【关键词】永磁同步电动机;弱磁控制;弱磁率【作者】陈书锦;杨帅;杜煦【作者单位】江苏科技大学,江苏省先进焊接技术重点实验室,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,江苏省先进焊接技术重点实验室,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,江苏省先进焊接技术重点实验室,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】TG921.1永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的转子励磁磁场由永磁体产生,不能像异步电机一样直接减弱转子磁场[1-2]．弱磁控制下的电动机能够在逆变器容量不变的情况下提高系统的起动、加速能力;或者说在保持系统起动、加速能力不变的前提下降低电机的最大功率,从而降低逆变器容量[3]．现有的弱磁控制方法大都在矢量控制中实现,永磁同步电机直接转矩弱磁控制少有报道．因此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱磁范围有着重要的意义．弱磁控制性能的关键方面有:直流母线电压的最大利用，弱磁性能受控制方式的影响[4]，电机参数对性能的影响程度[5]．如果采用过调制技术提高母线电压利用率以提高弱磁性能,会使谐波增加，电机发热严重;由于电机一经制造完毕,其主要的弱磁性能就已经确定了,当前文献从电机本体出发对弱磁性能的讨论并不完全,如弱磁率的定义并不统一[5];因此有必要进一步探讨直接转矩运行方式下,电机参数对弱磁性能的影响．文中从弱磁率的定义和电机弱磁控制原理出发,系统地研究了弱磁率对扩速能力、输出转矩的影响,分析了最佳的弱磁率范围、永磁同步电动机直接转矩弱磁控制稳定运行的条件、定子磁链给定、转矩角对系统运行的影响．1 弱磁参数对永磁同步电动机运行性能的影响永磁同步电动机的弱磁运行能力与其自身参数有关,研究弱磁性能与参数的关系对于电机的选型以及充分挖掘电机弱磁潜能有重要意义．忽略定子电阻,若电机电压达到极限时,电机的电角速度为(1)当电机端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量时,普通弱磁条件下的理想高速ωmax=ulim/|Lsdilim-ψf|(2)当电机的极限电压和极限电流一定时,电机的理想最高转速主要取决于电机的永磁磁链、直轴电感和电机的极限电流,因此从方便控制的角度出发,定义电机的弱磁率ξ、凸极率ρ、电角速度和电机功率基值分别为ξ=Lsd|id|/ψf,ρ=Lsq/Lsd,ω0=ulim/ψf,P0=ulimψf/Ld.1.1 弱磁率对电机扩速能力的影响在最大转矩/电流控制方式下,当电机电压达到极限值时,电动机的转折速度为(3)式中,在最大转矩/电流控制方式下,达到电流极限时,电流向量角与弱磁率和凸极率之间的关系为(4)式中，β为电流矢量与q轴的夹角．根据上式,由弱磁率和凸极率的定义,标幺化后转折速度为(5)式中,可以推导在弱磁控制方式下,电角速度与电流向量角、弱磁率之间的关系,用标幺值写成下式(6)根据上式可知理想最高转速为(7)定义电机的弱磁扩速倍数为(8)根据以上关系,可以得出弱磁率对弱磁扩速倍数的影响(图1)．图1中，曲线1，2，3，4，5表示ρ为1，1.25，1.5，2.0，2.5，3时弱磁扩速倍数曲线．当ξ<1时,扩速倍数K随着ξ的增加而增加,在ξ接近1时,扩速倍数达到极限值,而当ξ>1时,扩速倍数K随着ξ的增加而减小,在相同ξ的条件下,K受凸极率影响,随着ρ增加而降低．图1 弱磁率对扩速倍数的影响Fig.1 Influence of ξ on ext end speed factor1.2 弱磁率对电磁转矩的影响电机的电磁转矩为T=ψfisq+(Lsd-Lsq)isdisq(9)取电磁转矩的基值为(10)式中,P0，ω0分别为功率和电角速度的基值．标幺化处理后电磁转矩为=ξctg β[1+(1-ρ)ξ]/P(11)图2a)，b)分别表示不同ρ的输出转矩．曲线1，2，3，4，5，6，7分别代表弱磁率为0.25,0.5,0.75,1,1.25,2,3时的输出转矩．由图2可知,输出转矩随着转速的增加而迅速减小;当ρ变大时,相同转速和ξ下转矩会变小．当ρ相同时,如果ξ<1,随着ρ的增加,转速范围扩大,同一转速下输出转矩也随着ξ增加而增加;ξ=1时,转速范围达到最大; ξ>1时,随着弱磁率增加,转速范围缩小．通过以上分析,可得到以下结论:1) ξ>1时，转折速度、扩速倍数随ξ的增大而降低;电机输出转矩随着转速的上升急剧下降;此时电机的调速范围变小,当超过转折速度后,输出转矩急剧下降．ξ>1时,反向去磁电流较大,考虑到永磁体可能被去磁的危险性,所以要避免ξ>1的情况出现．2) ξ≤1时，调速范围变小,输出转矩随着转速上升而下降较快,扩速倍数K随着ξ的增加而增加．ξ<0.25时,最大扩速倍数仅为1;在ξ接近1时,扩速倍数达到极限值,在ξ=1时具有最高转速,但实际上所需要的扩速倍数不超过4(此时弱磁率接近0.75),同时也为了永磁体的安全考虑,最佳弱磁率范围为0.25<ξ<0.75．a) ρ=1.25b) ρ=2图2 弱磁率对转矩的影响Fig.2 Influence of ξ on torque1.3 弱磁稳定运行的条件在直接转矩控制系统中,通常尽可能选取大的磁链幅值给定[6-7];但随着定子磁链给定幅值增加,电磁转矩却不会增加．为了避免出现电机转矩始终和转矩角变化不一致的情况,要求下式成立dTe/dδ|δ=0≥0(12)电机输出转矩还可以表述为(13)由式(12，13)可以推出(14)永磁同步电动机的直接转矩控制必须考虑转矩角的问题,如果超过最大转矩角,当给定转矩增加时,定子磁链的正向夹角会增加,转矩不会增大而是减小．这种情况极容易引起永磁同步电动机的失步,造成转矩大幅度波动．由式(14)可计算最大转矩角为(15)式中C3=Lsqψf/(Lsq-Lsd)．当Lsd=0.635 mH,Lsq=0.935 mH,ψf=0.192 Wb,ilim=300 A时,定子磁链与转矩角关系如图3．图3中曲线1，2分别代表最大转矩角和在电流极限运行时的转矩角．图3表明定子磁链的减小使得转矩角也同时增大,而最大转矩角却在减小．因此,要想实现永磁同步电动机的转矩控制,当定子磁链幅值满足式(14),同时转矩角小于最大转矩角时,便可以保证输出转矩和转矩角两者变化的一致性,即控制转矩角可以有效地控制电机的转矩,从而保证了直接转矩弱磁控制的成功运行．图3 转矩角与磁链的关系Fig.3 Relation between torque angle and flux2 永磁同步电动机直接转矩弱磁控制2.1 系统仿真对永磁同步电动机直接转矩弱磁控制进行仿真研究,仿真采用实际电机参数:直轴电感为0.635 mH,交轴电感为0.635 mH，转动惯量为7.2 kg·cm2，转子磁链为0.195 Wb，定子电阻为13.2 Ω，额定转速为1 200 r·min-1，给定转速为2 000 rpm，负载转矩为1.2 N·m．图4为永磁同步电动机直接转矩弱磁控制基本结构．图4 直接转矩弱磁控制基本结构Fig.4 Structure of weak flux control for DTC 与恒转矩区直接转矩控制不一样,在弱磁区域运行时,定子磁链给定幅值必须随着转速升高而减小．当一定转矩输出时,如果电机磁链幅值减小,定子电流将会增大,为了防止定子电流超过电流极限,还要相应减小转矩给定,因此由实际转速调整转矩调节器的限幅值．同时为了不超过电压极限,由式(16)得到弱磁运行时磁链给定值(16)式中P为极对数．图5，6分别是弱磁运行时磁链波形和弱磁率变化曲线，由图可知进入弱磁状态后,随着转速的增加,定子磁链的幅值不断缩小,弱磁率在不断增加,最后弱磁率平均值在0.6左右．图7，8分别为电机运行时的转速和转矩曲线．图5 磁链曲线Fig.5 Curves of flux图6 弱磁率曲线Fig.6 Curve of ξ图7 弱磁转速响应曲线Fig.7 Curve of speed response图9为在恒转矩区和弱磁区域输出的电流波形．在恒转矩区域,定子电流波形比较接近正弦,但是进入弱磁区域后,由于电压中谐波分量增大,电流波形出现畸变．2.2 实验验证在采用直接转矩控制理论和空间电压矢量调制基础上,通过对给定转矩和磁链调节,不断调节d轴合成磁链大小,使电机进入弱磁状态．图10a)，b)，c)，d)分别为弱磁率、转速、转矩和电流波形．图8 弱磁转矩曲线Fig.8 Curve of torque in weak flux zonea) 恒转矩运行b) 弱磁运行图9 电机运行时的电流曲线Fig.9 Curves of motor current试验结果与仿真结果相近．由图10a)可见,在恒转矩区域,弱磁率变化很小,进入弱磁控制区域后,弱磁率很快上升,并随着转速稳定之后,也趋于稳定;由图10b)，c)可见，随着转速增加,输出转矩逐渐减小,但转矩的波动较大;由图10d)可见，电流中仍然含有大量的谐波．3 结论1) 当转速超过转折速度后,电机转折速度、扩速倍数随ξ的增大而降低,当ξ过大时,系统带负载能力减弱,且有永磁体去磁的危险;弱磁率过小时电机扩速能力有限,因此弱磁运行时的最佳弱磁率范围为0.25<ξ<0.75．2) 弱磁运行时,磁链给定必须随着转速而变化,当转矩角小于最大转矩角时,能保证输出转矩和转矩角两者变化的一致性．在考虑上述因素的基础上,成功地实现了直接转矩弱磁控制．a) 弱磁率曲线 b) 转速曲线c) 转矩曲线 d) 电流曲线图10 弱磁运行波形Fig.10 Curves of weak flux control 参考文献[1] 陆南,刘维亭. 永磁同步电动机交流伺服系统动态性能研究 [J].华东船舶工业学院学报:自然科学版,2005, 19(4): 50-55.Lu Nan, Liu Weiting. Study on dynamic performance of PMSM AC electrical servo system[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute:Natural Science Edition,2005, 19(4): 50-55.(in Chinese)[2] Morimoto S,Sanada M,Takeda Y.Wide-speed operation of interior permanent magnet synchronous motors with high-performance current regulator[J]. IEEE Transactions On Industry Applications, 1994,30(4): 920-926.[3] 徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究(一)：恒转矩控制及弱磁控制时的功率特性 [J].山东大学学报:工学版,2002,32(5): 401-405.Xu Yanliang.Study on power capability and flux-weakening level of permanent magnet synchronous motor in electric vehicle application (Ⅰ)：power capability when constant torque and flux-wenkening control[J]. Journal of Shandong University of Technology:EngineeringScience,2002,32(5): 401-405.(in Chinese)[4] 谢成祥. 永磁同步电机直接转矩控制系统的分析与仿真研究[J].华东船舶工业学院学报:自然科学版, 2004, 18(3): 39-43.Xie Chengxiang. Analysis and simulation for direct torque control of permanent magnet synchronous motor[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute:Natural Science Edition,2004, 18(3): 39-43. (in Chinese)[5] 郭秋鉴.永磁电机的弱磁性能与电机参数的关系[J].陕西理工学院学报,2005,21(3): 59-62.Guo Qiujian. Parameter influence on flux-weakening performance of IPM[J]. Journal of Shanxi University of Technology,2005, 21(3): 59-62.(in Chinese) [6] Faiz J, Mohseni-Zonoozi S H. A novel technique for estimation and control of stator flux of a salient-pole PMSM in DTC method based on MTPF [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003, 50(2): 262-271.[7] 冯江华, 许峻峰. 永磁同步电机直接转矩控制系统转矩调节新方法[J].中国电机工程学报，2006,26(13):151-157.Feng Jianghua,Xu Junfeng. A new torque adjustment method of permanent magnet synchronous machines direct torque control system [J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(13):151-157. (in Chinese)。
永磁同步电机单电流调节器弱磁控制策略优化
Feb. 2021Vdl.2& No.22021年2月 第28卷第2期控制工程Control Engineering of China文章编号：1671・7848(2021)02・0327・08DOI: 10.14107/j .cnki.kzgc.20190341永磁同步电机单电流调节器弱磁控制策略优化石讯1,易映萍 >,石伟2(1.上海理工大学机械工程学院，上海200093； 2.许继集团有限公司，河南许昌461000)摘要：针对电压角度法单电流调节器弱磁控制策略带来的内环稳定性下降问题，采用小 信号模型法推导了使用该控制策略时电机的传递函数，证明了控制系统本质上是一个非最 小相位系统。
针对使用该控制竟略时内置式电机参数特性导致的开环极点接近虚轴的问题，提出采用PD 控制器前馈补偿策略。
针对电机弱磁控制过程中极点改变导致传统PID 控制器参数整定不合理的问题，基于内模控制原理，提出采用变参数PID 控制器的弱磁控制罠略。
仿真与实验结果表明，所提出的方法可以有效提高使用电压角度法单电流调节器 弱磁控制罠略时电流内环的稳定性。
关键词：永磁同步电机；单电流调节器弱磁控制策略；电压角度法；非最小相位系统；变 参数PID 控制中图分类号：TP29文献标识码：AOptimization of Single Current Regulator Flux-weakening Control Strategy forPermanent Magnet Synchronous MotorSHIXun 1, YI Ying-ping 1, SHI Wei 2(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)Abstract: Aiming at the problem of decreased stability of the inner loop caused by the voltage angle methodsingle current regulator flux-weakening control strategy, the small signal model method is used to derive thetransfer function of the motor when the control strategy is used, which proves that the control system isessentially a non-minimum phase system. Aiming at the problem that the open-loop pole is close to the virtualaxis caused by the interior motor parameter characteristics when using this control strategy, a PD controllerfeedforward compensation strategy is proposed. Aiming at the problem that the parameter setting of thetraditional PID controller is unreasonable due to the pole change in the motor flux-weakening control process,based on the principle of internal model control, a flux-weakening control strategy using variable parameterPID controller is proposed. Simulation and experimental results show that the proposed method can efifectivelyimprove the stability of the current inner loop when the voltage angle method is used for single currentregulator flux-weakening control strategy.Key words: PMSM; single current regulator flux-weakening control strategy; voltage angle method;non-minimum phase system; variable parameter PID control1引言由于转子永磁体安装位置的不同，内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronousmotor, EPMSM)相对于表贴式永磁同步电机具有更加稳定的转子机械结构。
永磁同步电机改进弱磁控制策略
２期
任少盟等: 永磁同步电机改进弱磁控制策略
������４３ ������
Ｔｅ
＝
３ ２
ｐ[ ψｆ
＋ (Ｌｄ
－
Ｌｑ ) ｉｄ ] ｉｑ
(２)
Ｔｅ
＝
ＴＬ
＋
Ｊ
ｄωｒ ｄｔ
＋
Ｂωｒ
(３)
式中ꎬ ｕｄꎬ ｕｑ 为定子电压的 ｄꎬ ｑ 轴的分量ꎻ ｉｄꎬ ｉｑ 为定子电流的 ｄꎬ ｑ 轴的分量ꎻ Ｌｄꎬ Ｌｑ 为电机在 ｄꎬ ｑ 轴的电感ꎻ ｒｓ 为定子绕组的相电阻ꎻ ωｅ 为电角速度ꎻ Ψｆ 为永磁体磁链ꎻ Ｔｅ 为电磁转矩ꎻ ｐ 为电机极对数ꎻ ＴＬ 为负载转矩ꎻ ωｒ 为机械角速度ꎻ Ｊ 为转动惯量ꎻ Ｂ 为摩擦系数ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｆｌｕｘ￣ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎ￣ ｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬ ｐｏｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｂｅｉｎｇ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍꎬ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆｌｕｘ￣ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｂｅｔ￣ ｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ. Ｔｈｅ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ. Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｔｕｎｅｓ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｉｍ￣ ｉｔｅｄ ｅｌｌｉｐｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ＰＭＳＭ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ｉｎ ｔｈｅ Ｍａｔｌａｂ / Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒꎻ ｆｌｕｘ ｗｅａｋｅｎｉｎｇꎻ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎻ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。
以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。
关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。
对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。
为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。
当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。
因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。
目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。
但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。
以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。
1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。
基于PR控制器的永磁同步电机弱磁控制研究
基于PR控制器的永磁同步电机弱磁控制研究肖文英;黄守道【摘要】讲述了永磁同步电机( PMSM)的运行原理,根据其数学模型对其弱磁原理进行介绍.传统的永磁同步电机控制通常使用PI调节器的方法,通过一系列坐标变换将交流量转为直流值,并用PI调节器对其进行跟踪,为达到良好效果,常需附加随系统运行温度变换的交叉耦合项和前馈补偿项,使整个控制系统的鲁棒性降低,在额定转速以上比较高的速度运行时其负面影响尤为明显.分析了比例谐振(proportional resonant,PR)控制器特,提出了一种基于PR控制器及转子磁链定向的移相弱磁控制策略.最后用MATLAB进行仿真,结果表明该控制策略具有良好的鲁棒性和动态性能,验证了该方法的正确性.%This paper described the operating principles of permanent magnet synchronous motor, and introduced weakening principle due to its mathematical models. In the traditional control method of permanent magnet synchronous motor, it usually uses PI adjuster, through a series of coordinate transformation exchanging AC signal to dc signal, and does the tracking by PI adjuster, to achieve good results. It often needs additional cross coupling term and a feed-forward compensation changed with system operation temperature, making the robustness of the whole control system reduced. When speed is high above the rated one, its negative influence is especially remarkable. The paper analyzed the proportional resonant (PR) controller features, combined with permanent magnet synchronous motor mathematical model, and presented a control method based on a PR controller and phase-shift flux weakening control strategy. Finally, MATLAB was used tosimulate die model above. Results show the system got good dynamic and static responses, verifying the correctness and feasibility of the proposed method.【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2011(033)004【总页数】5页(P108-112)【关键词】永磁同步电机;PR控制器;转子磁链定向矢量控制【作者】肖文英;黄守道【作者单位】湖南工学院电气与信息工程系,湖南衡阳421002;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TM571近年来，因变频调速的永磁同步电动机(简称PMSM)具有可靠性高、功率因数和效率高等诸多优点获得了广泛研究和应用［1，2］，但其转子励磁固定，运行时要求端电压和速度成正比，因而无法运行到较高的转速和在高速下做恒功率运行.针对此问题采用弱磁控制以获得宽广的调速范围，实现高速恒功率运行.永磁同步电动机弱磁控制有多种方案，其中一种为移相弱磁控制方案［3］，其思路类似于开关磁阻电机高速运行模式下的超前移相控制，不需要增加过多的驱动器硬件成本，有着广泛的应用前景.PI控制具有算法简单和可靠性高的特点.因此传统PMSM控制系统常采用PI控制器［4，5］.因其只能对直流量有良好的跟踪效果，故坐标变换会增多，会使控制算法难于实现，而PI调节器只能对直流量进行跟踪控制，对交流量无法跟踪［6，7］.而且，为达到良好效果，常附加了随系统运行温度变换的交叉耦合项和前馈补偿项，使整个控制系统的鲁棒性降低，特别是在额定转速以上的弱磁运行时，因参数的变化，其影响更大.针对此问题，需寻找到其他方法以克服其缺点.研究发现PR 控制器可以直接对交流量实现无差跟踪，省去了过多的坐标变化，使控制算法更为简单，不用考虑交叉耦合项以及前馈补偿项，优化了系统鲁棒性能［8］.因此，本文设计了一种基于PR的控制器的控制方法，并将之应用于永磁同步电机系统控制系统中，采用移相弱磁控制策略，减小了控制算法实现难度，提高了控制系统的鲁棒性和稳定性，同时能实现高转速弱磁的稳定控制.1 永磁同步电动机的矢量控制基于永磁同步电机控制原理，不计电动机的铁心饱和、涡流和磁滞损耗、略磁场中所有的空间谐波、参数变化等因素，旋转坐标系d，q轴下PMSM定子磁链方程为:其中:Ld、Lq为PMSM的d，q轴电感;Id、Iq为定子电流矢量的d，q轴电流;ψr 为转子磁链在定子上的耦合磁链.PMSM在d，q轴上的定子电压方程式:其中:Vd是定子电压矢量V的d轴分量;Vq是定子电压矢量V的q轴分量;p是微分算子;ωr是转子旋转角速度.当d轴与转子主磁通方向一致时，且认为旋转坐标系的旋转角频率与转子旋转角频率一致，可得到PMSM转子磁通定向的电压回路方程式为:电磁转矩方程为:其中:P为电机的极对数.基速以下采用转子磁链定向的PMSM定子电流矢量位于q 轴，无d轴分量，即Iq=I，Id=0，则PMSM的电压方程可写为:电磁转矩方程可简化为:由(6)可知，基速以下，控制Iq就能控制转速实现矢量控制.2 永磁同步电动机的弱磁控制原理永磁同步电机的电压方程可写为:从式(7)可以看到，永磁同步电机的转速和电机端电压成正比，因此当电机达到额定转速后，若要维持电机端电压不变而进一步提高转速，只有靠调节id、iq来实现，即弱磁控制，其一般是通过增加直轴去磁电流分量.永磁同步电机的弱磁扩速控制可由如图1所示的定子电流矢量轨迹加以说明.首先，电机恒转矩运行，即沿着最大转矩比电流曲线OA运行.当电机的电压和电流均达到极限值时，此时转速ω1为对应最大转矩TA时电机的转折速度.若要进一步提高转速，比如将其升至ω2，同时最大限度的利用逆变器容量，则需要控制电流矢量沿着电流极限圆，即AB段逆时针向下运行.从图上可以看出，电流矢量从A点运行到B点，直轴去磁电流分量增大了，同时，电机的输出转矩变小了，即恒功率运行.传统的弱磁方式之一为移相角弱磁控制，如图2所示，当电流矢量为is1时，若此时电机对应最大转矩时的转折速度ω1，为了实现弱磁，即增加直轴去磁电流分量，可将is1对应的角度θ1增大到θ2.由图2可知，此时直轴电流去磁分量增大了.为了实现移相弱磁控制，我们需要求出弱磁调节系数，该系数由下式给定:3 基于PR的PMSM弱磁控制策略PR(proportional resonant)控制器，它的传递函数可如下表示其中，Ki是积分时间常数;Kp为比例常数;w0是谐振频率，而且有作其波特图如图3所示.由图3可以看到，在频率点w0处为高增益，因此可以应用于无静差的电流跟踪控制系统中.其原理框图如图4所示.图5 移相弱磁控制系统框图Fig.5 Phase shifting flux weakening control system在上述基础上，在控制系统中引入PR控制器，将能优化系统的响应.基于PR控制器的移相弱磁控制系统框图如图5所示.图5中，实测的调节系数M与设定值M*做差比较后，其差值通过弱磁环的调节输出角度的给定值.当差值大于0时，弱磁环输出的角度值不发生变换;而当差值小于0时，弱磁环输出的角度值增大，即进入弱磁控制，完成了系统从电流id=0控制过渡到弱磁控制，从恒转矩控制过度到恒功率控制.易知，该控制下，省略了受温度影响的电路参数交叉解耦项ωLiq、ωLid和前馈补偿项ωΨr，从而实现了鲁棒性能高的目的.4 仿真结果及其分析利用MATLAB仿真工具箱，对引入PR控制器的PMSM采用移相弱磁方法，研究其系统控制.永磁电机的参数如表1所示.给定转速设置为:初始值n*=2 000r/min，t=0.15 s时突变，为n*=4 000 r/min.且在t=0.72 s时，突加TL=5 N·m.表1 PMSM参数Tab.1 The PMSM parameter定子额定电压/V定子电阻/Ω转子磁链/Wb定子电感Ld/mH电机极对数定子电感Lq /mH 1000.031 860.055 61.2961.29从图6可以看到，转速给定由2 000 r/min突变为4 000 r/min的过程中，实际转速能平滑地过渡，并进入弱磁扩速状态，系统很好地实现了2倍扩速，且在t=0.72 s负载突变时几乎无脉动，这说明了采用PR控制器能获得良好的动静态转速响应.从图7可以看到，t=0.15 s移相弱磁角由开始为0慢慢向负方向增加，这说明了电机此时在移相弱磁控制下开始进入弱磁运行方式.图8描述了在电机启动时、给定的转速突变情况下以及负载突变的条件下电机的电磁转矩的响应情况.可以看到电磁转矩波动非常小，表明了应用上述控制策略情况下控制系统具有良好的动态性能.图9和图10分别为电机定子三相电流及其细节图的波形，在弱磁扩速达到给定值时突加负载瞬间三相电流有些脉动，但很快达到稳定状态，从图10可见其正弦性能良好.图11和图12分别是定子给定电流和实际电流在静止坐标系下的α分量及其细节图.可以看到，其波形几乎重合，可以说明，在PR控制器对正弦电流的跟踪效果非常好，几乎没有什么偏差，可见其实际应用优势.5 结论PR控制器能够对交流量进行无差跟踪，本文据此进行数学建模，并结合永磁同步转子磁链定向原理，采用移相弱磁方法，建立了PMSM弱磁控制系统仿真模型，并分析了仿真结果.系统的静态性能和动态性能均表现良好，验证了该方法的可行性.参考文献［1］曹荣昌.永磁同步电机牵入同步分析［J］.湘潭大学自然科学学报，1999(03):97—99.［2］王旭红，汪建平.永磁同步电动机的研制及优化［J］.湘潭大学自然科学学报，2002，24(3):96—99.［3］童怀，刘继辉.永磁同步电动机移相弱磁控制的仿真分析［J］.微特电机，2006(8):17—20［4］戴朝波，林海雪.电压源型逆变器三角载波电流控制新方法［J］.中国电机工程学报，2002，22(2):99—102.［5］姜俊峰，刘会金，陈允平，等.有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法［J］.中国电机工程学报，2004，24(10):82—86.［6］唐欣，罗安，涂春鸣.基于递推积分PI的混合型有源电力滤波器电流控制［J］.中国电机工程学报，2003，23(10):38—41.［7］孙强，程明，周鹗，等.新型双凸极永磁电机调速系统的变参数PI控制［J］.中国电机工程学报，2003，23(6):117—122.［8］ TEODORESCU R，BLAABJERG F，BORUP U，et al.A new control structure for grid-connected LCL PV inverters with zero steady-state error and selective harmonic compensation［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2004:580—586.。
永磁同步电机弱磁调速的研究
DOI ：10．19392/j．cnki．1671－7341．201920174永磁同步电机弱磁调速的研究睢丙东韩伟河北科技大学河北石家庄050000摘要：永磁同步电机弱磁调速是现代电机研究的热点之一，解释永磁同步电机传统的弱磁控制原理，研究分析传统弱磁调速的主要缺陷及限制调速范围的因素。
阐述弱磁调速的研究现状以及总结研究的新动向。
关键词：永磁同步电机；弱磁调速；调速范围现代永磁同步电机因为具有高转矩密度、高效率、较为优秀的低速驱动性能以及较宽的调速范围，已经被广泛的应用于电动汽车的驱驱动中。
永磁同步电机调速系统大多由直流电源、逆变器、控制器和电机组成。
但是永磁同步电机励磁所采用的稀土永磁体，磁场不能被调节，因而需要采用弱磁控制的方法来提高转速。
当电机输出功率一定，在低转速时扭矩的提高必然带来额定转速的降低，此时需要弱磁调速控制，如果保持最高转速且稳定，则弱磁调速的范围也随之提高。
因此对弱磁调速能力的研究对提升整个永磁同步电机控制系统的性能有着重要意义。
1弱磁调速的基本原理永磁同步电机弱磁控制原理在于对它励直流电动机的弱磁控制。
由于PMSM 的转子是永磁体，无法通过控制励磁电流的方法去实现弱磁控制，通过电流所产生的励磁来抵消永磁体的磁通方向从而实现弱磁控制。
当转矩恒定且电机稳定运行时，忽略定子电子Ｒs ，定子电压峰值表示为：|u s |=ωr |ψs |=ωr （ψf +L d i d ）2+（L d i d ）槡2（1）式中u s 为最大电压、ψs 为定子磁链。
根据（1）式可知，当|ψs |稳定时，电机的转子转速ωr 和定子电压成正比，且由于最大电压值|ψs |的约束，转速ωr 受到限制，电机会达到最大转速为ωn ，称其为转折速度。
当需要拓宽调速范围时，就需要使用弱磁控制的方法。
如下图为电机的转子永磁励磁结构。
电机转子结构图一般去磁作用有两种方法：1增加直流去磁电流分量；2减小交轴电流分量，可以维持电机的电压平衡关系。
提高永磁同步电机在深度弱磁控制区稳定性的控制研究_石敏_冯江华_许峻峰_何亚屏_
误差通过 PI 控制器计算得到，d 轴电流参考值由速度 id、电机参数和 DC 电压计算所得。该控制器在适当条 件下运行良好，但当温度、励磁、DC 电压发生变化时， 参数变化敏感。为了解决参数敏感问题，采用另一种 改进的弱磁控制策略，如图 4 所示，它使用了一个外 部电压调节环，根据 Umax 和反馈电压幅值的差值自动 调整励磁水平。相比之前的控制器，该控制器的弱磁 控制不依赖于电机参数，弱磁的建立和励磁水平通过 外部电压调节环进行内在调整，因此，通过该控制器 可实现区域 1 和 2 之间的平滑过渡。
永磁同步电机弱磁失控机制及其应对策略研究
第31卷第18期中国电机工程学报V ol.31 No.18 Jun.25, 20112011年6月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 67 文章编号：0258-8013 (2011) 18-0067-06 中图分类号：TM 351 文献标志码：A 学科分类号：470·40永磁同步电机弱磁失控机制及其应对策略研究朱磊，温旭辉，赵峰，孔亮(中国科学院电工研究所，北京市海淀区 100190)Control Policies to Prevent PMSMs From Losing Control Under Field-weakening OperationZHU Lei, WEN Xuhui, ZHAO Feng, KONG Liang(Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China)ABSTRACT: Field-weakening technology is important for permanent magnet synchronous machine (PMSM) control in wide speed range applications. In deep field-weakening operation, saturation of current regulators may lead to losing control and even damages. This paper analyzed the reason why current saturation happens for conventional field-weakening algorithm. It is concluded that precise limitation of d-axis current is necessary to keep the system under control. New control algorithm is proposed to prevent losing control from happening. It is verified by experimental result that the speed range of PMSM is enhanced by the proposed field-weakening algorithm.KEY WORDS: permanent magnet synchronous machine (PMSM); field-weakening; losing control; voltage saturation; d-axis current limitation摘要：弱磁控制技术可以使永磁同步电机实现宽转速范围调速运行。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
永磁同步电机的弱磁控制策略的仿真研究
收藏此信息 打印该信息 添加：顾光旭 来源：未知
1 引言
目前，弱磁控制是永磁同步电机研究的又一个热点。由于材料技术的发展，高剩磁密度br
和高矫顽力hc的永磁材料应用于电机，电机在相当大的程度上已不怕电枢反应的去磁作用，
允许在直轴上流过较大的去磁电流。另一方面为了使电机运行于高速区，拓宽电机系统的调
速范围。在电压型逆变器驱动的电机系统中，电机端电压不可能提高的情况下，减弱电机磁
场使电机转速升高的方法—弱磁控制，可以使电机运行在额定转速以上。在很多牵引和纺织
驱动应用场合中，需要恒功率控制和宽调速范围运行，因此，电机的弱磁控制日益倍受关注。
2 电流控制器的饱和
对于逆变器供电的永磁同步电机，其电枢电流ia和端电压ua由于逆变器供给的最大电流和
最大电压的限制，存在如下的限制条件:
(1)
(2)
式中，iam—逆变器供给的最大电流，uam—逆变器供给的最大电压。
从式(1)可以看出，最大电流限制在id-iq平面，是以(0，0)为中心，大小固定的圆，称为电
流极限圆。最大的电压限制可以用以下方程表示:
(3)
在id-iq平面上，随着电机转速的提高，最大电压极限是一簇不断缩小，以(-1，0)为中心的
椭圆，称为电压极限椭圆。电流矢量ia必须位于电流极限圆和电压极限椭圆中，否则电枢
电流不能跟随给定电流，永磁同步电机的调速性能将下降。在电机低速运行段，电压极限椭
圆较大，电流控制器输出电流能力主要受到电流极限圆的约束，限制了永磁同步电机低速时
的输出力矩。在高速运行段，电压极限椭圆不断缩小，电压极限椭圆成为逆变器输出约束的
主要方面，从而限制了永磁同步电机的调速运行范围。采用弱磁控制可以扩展永磁同步电机
的调速范围，在高速段避免电流控制器饱和，即提高高速运行时永磁同步电机矢量控制系统
的调速性能。
在永磁同步电机矢量控制系统中，正常转速运行范围内能够采用不同的电流控制策略，采用
这些电流控制方法时，随着电机转速的升高，电流控制器很快就会进入饱和。
3 永磁同步电机弱磁控制区域的确定
在电流控制器饱和时，必须采用弱磁控制策略，使输出电流能够跟踪给定电流，保证永磁同
步电机能够输出给定力矩。进行弱磁控制时，必须首先确定弱磁控制区域，即确定永磁同步
电机何时进入弱磁控制。电流控制器的饱和是由于电机的反电势升高，当电机的端电压达到
逆变器能够输出的最高电压，电机电流不能跟随给定电流而引起的。定义电机的端电压比为
电机负载情况下的端电压和空载时的端电压之比，为:
(4)
其中，ρ=lq/ld为永磁同步电机的凸极系数。
比较式(3)和(式)4，可以看出，端电压比即表示id-iq平面上的电压极限椭圆。在永磁同步电
机电枢电流控制中，只需要监视端电压比，即可确定电流控制器是否饱和，从而确定弱磁控
制区域。
若k≤uam/ωψa电流控制器不饱和;
若k>uam/ωψa电流控制器饱和。
在k>uam/ωψa时，必须采用弱磁控制策略。这里选择的弱磁控制区域方法，只需检测电枢
电流，因此方法非常简单。并且，该方法与非弱磁段的电流控制方法无关，适用于不同的电
流控制方法，揭示了电流控制器饱和的本质特点。
4 基于最小端电压比的永磁同步电机弱磁控制策略
电机的端电压比反映了逆变器的电压输出能力，端电压比的增大是引起电流控制器饱和的原
因，为了获得永磁同步电机的最大调速范围，充分利用逆变器的电压输出能力。本文针对一
种基于最小端电压比的永磁同步电机弱磁控制策略进行仿真，该方法能够最大限度地利用逆
变器的电压输出能力。该弱磁控制策略的算法表示如下:
从式(3)和式(4)可以作lagrange辅助函数如下:
(5)
式中λ为拉格朗日乘子。对上式分别求偏导数，令其等于0，并对所得方程式求解，可得到
在最小端电压比电流控制下的交、直轴电流的关系如下:
(6)
5 永磁同步电机的弱磁控制策略的仿真
将上述弱磁控制策略用于图1所示永磁同步电机前馈型矢量控制系中，仿真中用到的电机
参数如下:定子电阻0.6ω，定子直轴电感和交轴电感分别为1.4mh和2.8 mh，电枢全交链
磁通0.1wb,转动惯量1.1×10-3kgm2，极对数4，给定转速为ωr=700rpm，在t=0.04s时 ,
负载转矩由3n·m突变为1n·m。
图1 永磁同步电机矢量控制原理图
将控制系统在matlab中远行，假设仿真时电机参数不随转速、频率变化，得仿真结果如图
2、3、4所示。
图2 永磁同步电机三相定子电流波形
从仿真结果可见，使用该弱磁控制策略可以大大扩展永磁同步电机的调速范围;采用弱磁控
制策略后，在高速远行段，永磁同步电机获得了良好的控制性能，从而改进了永磁同步电机
高速运行时的调速性能。
6 结论
本文根据电流控制器饱和的本质特点，采用端电压比
图3 永磁同步电机输出转矩
图4 永磁同步电机转子速度
来确定永磁同步电机的弱磁控制范围，针对基于最小端电压比的弱磁控制方法进行仿真。证
明了该方法能够最大限度地利用逆变器的电压，扩展了永磁同步电机的调速范围，改进了永
磁同步电机高速运行时的调速性能。
参考文献
[1] 曾朝晖. 永磁同步电机矢量控制策略研究[d]. 东南大学博士学位论文,1996.
[2] 王成元等. 矢量控制交流伺服驱动电动机[m]. 北京:机械工业出版社,1995.
[3] 程卫国. matlab5.3应用指南[m]. 北京:人民邮电出版社,1999.
[4] 陈 坚. 交流电机数学模型及调速系统[m]. 北京:国防工业出版社,1989.
[5] 贾正春,许锦兴等. 交流永磁同步电动机弱磁控制[j]. 华中理工大学学报，1994.
作者简介
顾光旭(1967-) 女 讲师 主要从事电机控制等方面的研究。