永磁同步电机弱磁控制方法综述

永磁同步电机弱磁控制方法

摘要：永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求，对其进行弱磁控制并拓宽调速范围有着重要意义。本文针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负id 补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法,分析了各方法的原理及特点，得出以电压为控制对象的弱磁方法具有一定发展前景的结论。

关键词：永磁同步电机；弱磁控制；内置式永磁同步电机；矢量控制

The Field Weakening Control Strategy of Permanent Magnet

Synchronous Motor

Abstract: PMSM because of its high power density, high reliability and high efficiency characteristics, at a higher speed requirements of electric vehicle drive system has been widely used. PMSM weakening control technology must be used to meet the needs of a wide speed range . And because of its salient pole effect, it is of great significance to broaden the scope of the weak magnetic field of IPMSM. In this paper, the commonly used weakening control method of PMSM are reviewed.Based on the different control object,we classify the weak magnetic control method, and introduces in detail the negative id compensation method, look-up table method, gradient descent method, current angle method, single current regulator method that is used commonly at present, analyzes the principle and characteristics of each method.Finally, we conclude that voltage control field weeking method has development prospects .

Key words: PMSM; the field weaking control; IPMSM;FOC

1引言

永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用[1, 2]。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求。永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电机的调磁控制，对永磁同步电机弱磁控制的研究始于20 世纪80 年代中期[3, 4]。并于90 年代初形成了完善的弱磁理论[5]。内置式永磁电机结构简单、鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁控制并拓宽弱磁范围有着重要意义[6]。由于永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生，在转速要求较高需要弱磁运行的场合难以实现，在某些应用场合受到限制。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论是从控制角度还是本体结构的合理设计选取的角度，一直是国内外学者研究解决的热点[7]。所以有必要对现有的永磁同步电机弱磁控制方式进行综合分析研究。本文将针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。文中基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负i d补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法。

2 永磁同步电机弱磁控制研究现状

2.1永磁同步电机控制技术的研究现状

近二十年多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍以采用矢量控制的为多。

矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励

磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩就取决于i d 和i q ，控制i d 和i q 便可以控制转矩。通过控制电流跟踪给定便实现了电动机转矩和转速的控制。

3

[()]2

e p q q q

f d d T n i L L i i ψ=+- (1)

2.2 永磁同步电机弱磁控制的研究现状

目前，永磁同步电机的弱磁问题主要从本体和控制策略的角度着手研究。一些学者从电机本体结构的角度，通过改变励磁回路、永磁励磁磁通旁路、 混合励磁调节气隙磁通等方法对电机的弱磁性能进行改善。另一些学者则从控制策略的角度来提高永磁同步电机的弱磁性能。本文主要从控制策略的角度来介绍。弱磁控制大多采用基于磁场定向控制(field-oriented control ，FOC)和最大转矩电流比(maximum torque per ampere ，MTPA)控制。MTPA 控制主要用于低转速运行时提高电机效率，而FOC 控制主要在于设计d 轴、q 轴电流调节器。常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法、梯度下降法、负i d 补偿法、单电流调节法、电流角度法等。公式计算法的精度依赖于电机数学模型的精度，实际中要想建立一个准确的模型很难，故很少在实际工程中应用。查表法通过大量的实验数据并制成表格，减少了电机控制芯片的实时计算量，实现起来较为复杂。梯度下降法计算量大，实现较复杂。负i d 补偿法实现简单，但不能实现在弱磁区域III 的弱磁。电流角度法不能实现在弱磁区域III 的弱磁。单电流调节法以电压为调节对象，实现了深度弱磁，具有一定发展前景，同时也存在一定缺点，有待改进。

3 永磁同步电机的弱磁控制原理

3.1 永磁同步电机弱磁控制的基本电磁关系

永磁同步电机的控制是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。其中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值U lim 和相电流有效值I lim 要受到逆变器直流侧电压和最大输出电流限制。则电压极限椭园和电流极限圆的图形如图(1)所示。 电压方程满足：

u = (2)

当电机稳定运行时：

u =(3)

如果忽略电阻，以u lim 代替u,则电压方程满足：

lim u = (4)

电流方程满足：

222

lim

d q i i i += (5)

图1 电压极限椭园和电流极限圆

Fig.1 Trajectory of voltage limit and current limit

3.2 永磁同步电机弱磁控制的的区域划分

1990 年日本学者 S.Morimoto 对永磁电机运行区域进行了分析总结，首次提出弱磁运行三个运行区域(区域 I ，区域 II 和区域 III)根据电机运行情况，把区域分为3 个区域[8]： 1)区域I

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控制(MTPA)，使永磁同步电机获得最大的电磁转矩[9]。 2)区域II

随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(MTPV)曲线之间的恒转矩曲线运行。该区域称为弱磁区域II 。 3)区域III

在更高的转速范围，电机沿着MTPV 曲线运行，该区域称为弱磁区域III 。当ψf /L d >i lim 时，该区域不存在。

4 永磁同步电机的弱磁控制方法

永磁同步电机的弱磁控制方法按照控制的对