永磁同步电机弱磁调速

永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告

专业：电气工程及其自动化

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本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。

稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。

本文主要研究内容是对内置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。

分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。

关键词：内置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模

目录

永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1)

一、研究的问题 (5)

二、研究方法 (5)

2.1 永磁电机的数学模型 (5)

2.2弱磁调速原理 (7)

2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立

(8)

2.4 仿真结果 (11)

三、解决效果 (13)

3.1 结论 (13)

3.2感悟与体会 (13)

前言

本次阅读文献报告的主要课题是研究对内置式永磁同步电机弱磁调速控制的研究，报告内容主要来自等，在写作过程中也参考了一些关于永磁同步电机弱磁调速控制方法设计以及弱磁性能研究等方面的资料现在从关注的问题、所用的研究方法及关注问题解决的效果三个方面来阐述报告内容。

一、研究的问题

近年来，随着稀土永磁材料和电子功率器件的发展，永磁同步电机获得了广泛研究。永磁同步电机较异步电机具有功率密度大、转子发热量小、结构紧凑等优点，用永磁同步电机做主轴传动正在成为一个新的研究方向。

普通永磁同步电机为了实现力矩随电流线性可控，一般将励磁电流设为零，这种控制策略将导致电机的最高转速不能超过额定转速，转矩输出能力也不能满足主轴电机的要求。

为了充分挖掘永磁同步电机的潜能，总是需要并希望在额定功率下输出的转速尽可能高些，然而，在基速（注意：在直流母线电压达到最大值，也就是电机输入电压最大且在额定转矩的情况下，对应的转速被称为基速）以上时，如果磁通保持不变，电机的反电动势必将大于电机的最大输入电压，造成电机绕组电流的反向流动，这在电机实际运行时是不允许的，而弱磁时，磁通反比于定子频率，使感应电动势保持常值而不随转速上升而增加，所以采用弱磁控制方可解决此类问题，且永磁调速系统具有体积小、节能、控制性能好，系统运行噪低、平滑度和舒适性好等优点。

所以，此背景下，研究永磁同步电动机的弱磁调速系统具有重大意义。

二、研究方法

2.1 永磁电机的数学模型

以二相导通星形三相状态为例，分析PMSM的数学模型及转矩特性。为建立永磁同步电动机的转子轴（dq轴）数学模型，作如下假定：

（1）三相绕组完全对称，气隙磁场为正弦分布，定子电流、转子磁场分布对称；（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等影响；

（3）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；

（4）磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。

则三相绕组的电压平衡方程式可表示为

式中，,,a b c u u u 为定子绕组的相电压；

R s 为定子每相绕组电阻；

,,a b c i i i 为定子绕组相电流；

s L 为定子每相绕组的自感；

M 为定子每相绕组的互感；

p 为微分算子p=d/dt ；

f 为转子永磁体磁链；

θ为转子位置角，即转子q 轴与a 相轴线的夹角。

因为三相绕组为星型连接，有 ++=0a b c i i i ，则式(1)可简化为：

式(2)为永磁同步电机在abc 静止坐标系下电压方程。利用坐标变换，把abc 静止坐标系变换到dq 转子坐标系，得到相应的动态电压方程：

式中，r ω为转子电角速度；d q L L 、为直、交轴同步电感。在d 、q 坐标系下电机的电磁转矩为：

式中，n P 表示电机极对数。

2.2弱磁调速原理

永磁同步电机中，感应电势随着转速的增加而增加，当电机的端电压达到控制器直流侧电压时， PWM 控制器将失去追踪电流的能力。因此定子端电压Us 和相电流Is ，受到逆变器输出电压和输出电流极限(Usmax 和Ismax )的限制。由此可得电流极限圆

电压极限椭圆

又因为

0f d d q q E x L x L ωψωω===，，，所以电压极限椭圆方程可以改

写为

永磁同步电动机的运行范围是受以满足电流极限圆和电压极限椭圆为条件限制的，即电机的电流矢量 Is (其分量为 Id 与 Iq )应处于两曲线共同包围的面积内，如图 1 中阴影部分所示。由图 1可以看出，电机转速 ω 升高， Id 分量趋于增大，相应的 Iq 分量必须减小，因此，电机的电磁转矩也随转速升高而下降，显示出恒功率的特性。

图1 PMSM电压电流限制曲线

2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立

在 Matlab6. 5的Simulink环境，利用SimPower2 System Toolbox2. 3丰富的模块库,在分析PMSM数学模型的基础上提出了建立PMSM弱磁控制控制系统仿真模型的方法，弱磁控制系统总体设计框图见图2。

PMSM 弱磁控制建模仿真系统采用双闭环控制方案：速度环为控制外环，它使电机的实际转速与给定的转速值保持一致，实现电机的加速、减速和匀速运行，并且及时消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。电流环为控制内环，它的作用是控制逆变器在定子绕组上产生准确的电流。根据模块化建模的思想，将图2 中的控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括：

PMSM 本体模块、矢量控制模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、弱磁控制模块等，通过这些功能模块的有机整合，就可在 Matlab/Simulink中搭建出PMSM 控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法。

图2 PMSM弱磁控制系统总体设计框图