DSP中电机弱磁控制解析

永磁同步电机的弱磁控制理论
永磁同步电机中的弱磁控制理论主要包含了弱磁 运行下永磁同步电机的数学模型和弱磁控制中电 流矢量轨迹的变化而产生的不同工作区间，以及 常见的弱磁控制策略，就是通过什么方式来控制 电流矢量，促使电流矢量按照应有的轨迹去运行。 永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型存在高 阶耦合项，不便分析，因此，弱磁控制中使用的 永磁同步电机模型是由坐标变换,将三相静止坐标 系中的电机方程转化到 dq 同步旋转坐标系下来 分析的。永磁同步电机按转子结构分为隐极式和 凸极式，隐极式电机的交轴电感和直轴电感相等， 而凸极式的交轴电感和直轴电感不同。这两种结 构的电机在弱磁控制中的同与不同将在后面介绍
电机的磁链方程
d d id f
q L iq
q
是电机弱磁控制系统除去弱磁部分的框图，图中 包括：PI 调节器、空间矢量调制模块、电流解耦 模块、坐标变换模块。矢量控制的原理是按转子 磁场定向的原则，在同步旋转坐标系下，计算出 d 轴电流和 q 轴电流的给定，然后通过 PI 调节器 去调节给定值和反馈值的静差，在对调节器器输 出值进行电流解耦和坐标变换后，使用SVPWM 调制方法产生控制逆变器的脉冲。反馈采样环节， 需要获取电机的电流和转速。下面对框图中的电 流调节器、电流解耦控制、SVPWM 脉冲调制模 块和电压反馈的弱磁控制进行阐述。
(2)矢量控制技术 20 世纪 70 年代，西门子工程师提出了矢量控制理论 ，经过不断地发展和实践，矢量控制系统理论得到了 很多的完善，被广泛使用在不同的控制场合。矢量控 制引入坐标变换，在两相旋转坐标系中将定子电流矢 量解耦，来分别控制电流矢量解耦后的励磁分量和转 矩分量，使其具有良好的控制性能。矢量控制的永磁 同步电机运行时具有较好的稳定性，但是系统的动态 特性由控制器决定。
2.永磁同步电机控制理论 的发展
（1）变压变频控制
变压变频控制没有信号的反馈量，是一种开环 控制，这种控制方法结构简单、易于实现，但 是要协调好变电压和频率的变比，来维持电机 的每极磁通量不变并不容易，开始启动时，电 压较低需要对电压进行一定的补偿，控制中也 要保证电压稳定上升。这种控制方式在电机对 控制的成本和动态性能要求不高的调速领域， 仍然应用广泛。
1.研究背景和意义


近些年，永磁体材料和电子电力电子技术的不断 发展，使得以永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM）为驱动电机的 调速系统迅速发展。 永磁同步电机转子为永磁体，转子外围省去了电 励磁装置，同时也没有电刷、换向器等不可靠的 器件，使永磁电机在形状和尺寸上具有很大很灵 活的选择范围。因此，永磁同步电机具有的结构 等诸多优点。使得它在很多控制领域有着广泛应 用。
弱磁控制在电动汽车驱动中非常重要，因为永磁 同步电机采用弱磁控制后，在具备很宽的速度可 控范围的同时，在低速时电机是恒转矩输出，可 以输出很大的转矩，而高速下电机能保证转速稳 定的同时输出一定的功率。这个重要特点与电动 汽车控制要求相符合，此外，永磁同步电机的高 功率密度和高效率等特点促使它逐渐成为电动汽 车的驱动控制系统中的主流使用电机.丰田和尼桑 等电动汽车中，都开始整合了永磁同步电机的弱 磁控制来扩展电机的运行的速度范围。同样，在 数控机床中，当设计的控制系统需要很宽的速度 范围时，永磁同步电机也就展现了自己的优势， 足以取代异步电机成为机床的驱动电机。因此， 对永磁同步电机的弱磁控制系统的研究，有着重 要的现实意义。
因此为了保证电压方程成立，逆变器电压维持额定输出 时，频率升高，必须控制电机磁通成反比的下降，才能 保证电压不变.因此，在基速以下，控制永磁同步电机的 输入电压和频率协调升高，保证电机内部磁通不变，超 过基速时，电压维持恒定输出，通过减弱电机的转子磁 通量，来控制频率上升。这种控制思想就是永磁电机弱 磁控制的核心。
但是永磁同步电机的转子是永磁材料加工的永磁 体，转子在加工成型后磁通就维持恒值了，要在 控制中减弱转子的磁通量，只有在永磁体方向上 施加去磁电流，等效削弱转子磁通，实现电机的 弱磁控制。这种方法可以使永磁同步电机 （PMSM）在逆变器输出电压达到额定输出后， 控制电机转速继续上升，运行在基速以上，使电 机的速度范围变宽。那么在相同的速度要求下， 可以降低逆变器在设计时的容量大小。电机在基 速以下则运行在恒转矩状态；而基速以上，输出 功率恒定不变运行在恒功率状态。
永磁同步电机弱磁控制的约束条件
在弱磁控制中，永磁同步电机在同步旋转 坐标系下的数学模型最为常用。因此，以 下所有方程的分析过程都是在基于转子磁 场定向的 dq 同步旋转坐标系下进行的，将 d轴放在转子磁链的方向上，就可以得到与 转子同角速度转动的旋转坐标，从而建立 永磁同步电机在 dq 坐标系下的数学模型。
在高精度的伺服控制系统中，如：数控机床， 军工武器、电梯等。这类控制除了要 求电机能平稳、快速的跟踪输入指令外，还 对电机的其它控制指标，如位置、转矩脉动、 调速范围等方面有着较高的要求。此外，以 永磁同步电机为驱动，还存在于电动汽车及 车中的辅助设备的控制系统、风力发电控制 系统、大容量的舰船推进系统及常见的空调 压缩机中。因此，研究永磁同步电机在调速 系统中的应用具有重要而深刻的现实意义。
希望电机可以具有较宽的调速范围,从而实现高速或低速 的不同控制需要。常规的变频调速控制中，通过控制频 率和电压协调变化，来驱动永磁同步电机，控制电机的 转速。这种方法控制简在永磁同步电机为驱动的很多控 制场景中，都单，但是会受到电机基频的限制，当电机 的转速运行在基频以上时，由于磁路饱和及逆变器最大 输出电压的限制，定子线电压不在随之变化，维持额定 电压，电机的磁通也由于磁路饱和而维持恒定，不在上 升，此时，控制频率的上升必然使得永磁同步电机的电 压方程不在成立.
(3)直接转矩控制(DTC)
1985 年，德国鲁尔大学教授 M.Depenbrock 提出了直接转矩控制(DTC),1995 年，这种控 制技术在瑞士 ABB 公司的通用变频器得到 了实现。永磁同步电机的直接转矩控制采用 检测定子磁链和负载依赖性降低，不再需要检测 转子的位置，是一种无位置传感器控制文献 [13]介绍了永磁同步电机直接转矩控制理论 下，弱磁控制的实现