弱磁控制方案

弱磁控制解决方案

一d、q轴数学模型

d-q轴系下表贴式同步电机电子方程为：

式中: 和分别为直轴和交轴同步电感，为定子相电阻，为转子的电角速度，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，

。

电动机定子电压大小为√,将上述等式带入得到

√。根据定子绕组电压公式，当电机定子电压达到逆变器输出的极限电压时，为了使得转速升高，只能通过增加去磁电流分量

和减小交轴电流分量，以维持电压平衡，达到弱磁调速目的。

二安全限制问题

在弱磁高性能调速时，不同工作区域内，由于控制规律不同，为了获得较好的控制效果，通常会选择不同的电流、电压矢量轨迹或者转矩矢量轨迹。

2.1 电压极限轨迹

受逆变器输出电压的限制，电机运行稳定时，电压矢量幅值为：

，又√，那么得到

⁄。其中为逆变器两端的最大限制电压，当d、q两轴的电感相等时，电压极限轨迹是一个圆形曲线；否则，电压极限轨迹是一个椭圆曲线。

2.2 电流极限轨迹

受逆变器输出电流和电机本身额定电流的限制，PMSM稳定运行时，电流矢量幅值方程为：

。

根据电流、电压极限方程得到轨迹图形为

电动机稳定运行时，定子电流矢量既不能超过电压极限圆也不能超过电流极限圆。如果1时，电流矢量的范围限制在ABCDEF中。

三弱磁控制

3.1 弱磁控制方案一

*

主要控制流程：

电机控制进入弱磁控制模式后，保持电流矢量大小不变，通过调节超前角β大小，调节d、q两轴电流、，通过反馈调节确定电压极限圆限制。通过反馈结果确定超前角β变化趋势。

弱磁控制主要面临的问题

1 进入弱磁控制状态，退出弱磁控制状态。

通常进入弱磁控制状态是电压或电流的调节达到了逆变器的饱和度。

以id=0的控制模式为例，调节q轴电流，确保定子两端电压值不超过Vmax。当q轴电流达到设定的值，如果需要继续增加电机转速只能通过弱磁调节（保持电机硬件参数不变）。首先保证电子两端电流大小i s不变，通过调节d、q两轴电流实现调节。

2 调节d、q两轴电流值

调节d、q两轴电流过程中应该保证有效电流大小i s恒定，满足关系式为

i s√i d i q。假设超前角大小为β，有i d i s∗sinβ，i q i s∗cosβ，通过调节β实现d、q轴电流变化。这样也不需要担心电流极限圆问题。

3 反馈

通过逆变器、电机获得数据包括电流大小i a、i b、i c，转子位置θ。计算得到实际d、q两轴电流大小为i d、i q。

4 安全限制

根据d、q轴变换原理，主要包括电流极限圆、电压极限圆。电流极限圆防止在d、q调节过程中，导致定子两端电流过大。电压极限圆主要控制定子两端电压，防止电压达到逆变器所能提供的最大电压。

弱磁控制问题解决方法：

1 弱磁状态进入、退出

a 在进入弱磁控制前，采用id=0控制方法，此时超前角β0。

b 进入弱磁控制

在id=0控制模式下，当电机的转速w达到基速时，此时q轴电流大小与期望相电流i大小相等。

因此，进入弱磁控制主要条件有，id=0，iq=is且电机转速w不变。

注意：根据转速与电流之间关系，我们发现并不是每个电流大小下都适合进入弱磁控制模式。并且在β角增大变化过程中，电机转矩肯定下降，因此需要限制β角大小，防止电机获得转矩不足以带动负载。

c 退出弱磁控制模式

目标相电流i的改变，因为新的需求产生，首先要进入id=0控制模式，使得电机转矩最大。

2调节d、q两轴电流值

进入弱磁控制后，根据电流极限圆原理，通过调节超前角β值，获得新d、q 轴电流调节目标，i d i s∗sinβ，i q i s∗cosβ。

不同β值，对应新的转矩、转速，然后通过反馈确定β到底增大或者减少。

3 电流反馈

电流反馈与原来的保持不变。

4 安全限制

由于在d、q轴电流调节过程中，采用了极限圆原理，因此，定子绕组电流可以忽略安全问题。调节后的d、q两轴电压必须满足V V V。如果发现对应的β角的d、q两轴电压值超过了允许的范围值，那么将β回滚到上次的值。

同样，β在调节过程中会影响到转子转矩大小，如果发现调节过程中，发现转子转速ψ持续减小，这说明转矩过小，同样将β回滚到上次大小。

对d轴电流调节过程中，有最大值 ax限制。

弱磁控制过程中的电流轨迹变化曲线

上图显示的调节方式，是在恒定功率情况下实现弱磁控制。首先，在id=0控制模式下，使得电机转矩最大。然后通过弱磁控制，提升电机转速。弱磁控制过程中电机的转矩会减小，直到转矩与负载达到平衡后，弱磁调节过程结束，并维持电机当前控制状态。

3.2 弱磁控制方案二

*

主要思路：

电机控制进入弱磁控制模式后，保持q轴电流大小不变，保持电机恒定转矩。通过调节d轴电流大小，实现弱磁扩速。但是电源输出功率会增大，而且逆变器两端电流、电压值都会增大。因此，需用通过安全设定，保证安全的电流调节。

在当前弱磁控制模式下，保持q轴电流大小不变，这样可以维持恒定的力矩大小。通过调节d轴电流大小，增加电源输入功率，达到弱磁增速目的。

主要考虑问题进入、退出弱磁控制模式时机，调节d轴电流，安全限制。