永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究
摘要
永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。
关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机
一、永磁同步电机弱磁控制研究现状
1．永磁同步电机及其控制技术的发展
任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有：矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等[1]。
1．1 矢量控制
1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理，经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统。矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能。
1．2 恒压频比控制
恒压频比控制是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出进行控制，使电机以一定的转速运转。但是它依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型，永磁同步电机的动态数学模型是非线性、多变量，它含有角速度与电流或的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。
1．3 直接转矩控制
矢量控制方案是一种很有效的交流伺服电机控制方案，但是由于该方案需要进行矢量旋转变换，坐标变换比较复杂。此外，由于电机的机械常数慢于电磁常数，矢量控制中转矩响应的速度不够迅速。针对矢量控制的上述缺点，德国学者
Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案——
直接转矩控制(DTC)方案。直接转矩摒弃了矢量控制中解耦的控制思想以及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点[2]。
2．永磁同步电机弱磁控制研究现状
弱磁控制是目前PMSM的一个研究热点，电动机减弱磁场就可以实现高速运行(转矩也随之减小)，因此，直流电机和感应电机都积极地进行弱磁控制，以便扩展最高转速。对于PMSM由于转子是永磁体，不能简单通过控制励磁电流实现弱磁控制，可以在抵消永磁体磁通的方向上施加一个励磁性质的电流，实现弱磁控制。但是，对于永磁体来说，存在着一个如何避免不可逆退磁的问题。目前，具有高磁能积的永磁材料的实用化，使得PMSM的弱磁控制得以实现，以下是现阶段国内弱磁控制的发展状况。
2．1 从控制角度
梁振鸿等人采用过调制技术[3]，根据零电压矢量作用时间判断过调制起始点，用查表法确定调制比，提高逆变器直流母线电压利用率，实现对永磁同步电动机弱磁运行区域的扩展。slligo Morilnoto [4]等人采用电流调节器，实现永磁同步电动机的弱磁控制，电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节，定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的偏差决定，定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。Jang-Molll kim [5]等人提出了将直流母线电压作为一个反馈量用于电压外环调节的改进方案，从而使系统工作在最大电压利用状态。控制外环的电压可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和，从而取得较满意的控制效果。Sozer等人提出了自适应弱磁控制法[6]以克服电流调节器饱和的问题。Jiunn-Jiang Chen[7]等人将非线性降维状态观测器应用于弱磁控制，从而提高控制系统对电机参数变化的鲁棒性。
2．2 从电机本体角度
传统结构的永磁同步电动机弱磁效果较差从结构上看，由于永磁体磁阻率接近于空气，传统结构的永磁同步电动机，其永磁体总是串联在电机的直轴磁路上，等效气隙很大，直轴电抗很小，在正常的电枢电压下，不可能获得很大的直轴电流，因而无法获得满意的弱磁效果。这就要求寻找特种结构的永磁同步电动机，以适应弱磁运行的要求[8]。Richard F．Schifcrl、伊华杰等设计了一种复合转子结构永磁同步电动机，从电机的本体上解决了弱磁扩速难的问题。
二、永磁同步电机弱磁控制的控制策略
（一）电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制
文献[9]提出了电压极限椭圆的梯度下降法进行弱磁，该方法主要分为确定弱磁区域和修正电流参考值两部分。这种方法快速性强，控制精度高，不需查表，实现简单且准确率高，鲁棒性好。
1. 电压极限椭圆和电流极限椭圆
u要受逆变器电压极限的制约，于是有
定子电压||
s
2
r m a x s 2q q 2d d 0) ()(???? ??≤++ωi x i x e u ρ (1) 同样，逆变器输出电流的能力也要受其容量的限制，定子电流也有一个极限值，即
m a x s s i i ≤ (2)
若以定子电流矢量的两个分量表示，则有
2m a x s 2q 2d i i i ≤+ (3)
由上式构成了电压极限椭圆和电流极限圆，如图1所示。图中，电流极限圆的半径为1，即设定smax i 等于额定值。由式(1)可以看出，电压极限椭圆的两轴
长度与速度成反比，随着速度的增大便形成了逐渐变小的一簇套装椭圆。因为定子电流矢量s i 既要满足电流极限方程，又要满足电压极限方程，所以定子电流矢
量s i 一定要落在电流极限圆和电压极限椭圆内。例如，当r r1ωω=时，s i 要被限制
在ABCDEF 范围内。
图1 电流极限圆和电压极限圆
2. 弱磁区域的确定
永磁同步电动机运行过程中的电流、电压轨迹如图2所示。根据运行情况，可划分为两个弱磁区域：
1) 弱磁区域I 。定义电磁转矩与产生其所需的电流的比为转矩电流比。基频以下电动机恒转矩运行，采用线性最大转矩电流比控制，如图中OA 所示； 最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比曲线之间的区域称为弱磁区域I 。
2) 弱磁区域 II 。在基频以上，电动机沿着 MT-PV 曲线运行，称为弱磁区域 II 。
图2 永磁同步电动机运行过程中的电流、电压轨迹
3. 系统结构框图
图3为永磁同步电动机调速系统结构框图。虚线部分为电流修正值计算模块。速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出电磁转矩Te 指令信号，经MTPA 模块后输出d 、q 轴电流1d i 、1q i 作为指令信号。dx i 、qx i 分别为 d 、q 轴的电流修正值。
图3 永磁同步电动机调速系统结构框图
4. 基于梯度下降法的内埋式永磁同步电机弱磁控制策略
内埋式永磁同步电机(IPMSM)由于结构上的特点使其在性能上有很多突出的优点，如高功率密度、高功率因数、结构紧凑、调速范围宽等，正是由于这些优点使其广泛应用于家用电器、交通运输、磁盘驱动器以及机床、机器人等数控系统。轨道交通和电力牵引传动系统要求电机在速度较低的时候能够输出比较大的转矩，这样可以满足起动、加速、低速爬坡等要求，除了对基速以下的一些要求外，还要求在速度范围上能够更加宽广，这就对电机的弱磁性能提出了要求，要求其调速的范围大。内埋式永磁同步电机由于存在结构转矩，比较容易弱磁，且输出转矩大，因此对内埋式永磁同步电机的研究具有重要的意义[10]。
基于梯度下降法的弱磁控制算法，不需要查表，控制精度高，响应速度快，且鲁棒性好。具体算法描述如下。
内埋式永磁同步电机运行过程中电流、电压轨迹曲线如图4所示。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(MTPA)控制可以使永磁同步电机获得最大的电磁转矩[11]，如图中OA 曲线所示。随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线OA 和最大转矩电压比(MTPV)曲线BC 之间的恒转矩曲线运行，即为弱磁区域I(FWRl)。在更高的转速范围，电机沿着MTPV 曲线BC 运行，即上述弱磁区域2(FWR2)，如图2所示。对于给定参考转矩瓦，随着转速的升高，电机沿着恒转矩曲线DE 运行，到达E 点之后，如果转速继续升高，电机将沿着MTPV 曲线EC 运行，其输出转矩逐渐减小M 。在弱磁过程中，最主要的是确定设定电流修正值的大小。首先根据电机的运行曲线确定其所在的弱磁区域(FWRl 、FWR2)，再根据所在的弱磁区域，对电流设定值进行相应的修正。
（二）采用改进的超前角控制弱磁增速
超前角弱磁控制算法是目前较为常用的弱磁控制方法[12]。运用该算法控制表贴式永磁同步电机运行于弱磁区时，随着负载的增加，通常会出现如下问题： 从恒转矩区到恒功率区的过渡过程中，出现较大的电流震荡，从而引起速度波动，系统的动态性能变差。而在恒功率区，会出现稳态速度下降的现象，稳态时的速度和电流波动也会变大，系统的稳态性能不佳。
1. 表贴式永磁同步电机数学模型及传统超前角弱磁控制算法
d －q 轴系下表贴式永磁同步电机定子电压方程为[13]
d s d d d r q q d u R i L i L i dt
ω=+- q s q q q r d d r f d u R i L i L i dt
ωωψ=+-+ （4） 式中：d L 和q L 分别为直轴和交轴同步电感，且d L =q L ，s R 为定子相电阻，r ω为转子的电角速度，f ψ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
d i
q r d d r f u L i ωωψ=+ （5）
电机定子电压s u =由式（5）可得
s u ω= （6） 由式（6）可以看出，当电机定子电压达到逆变器的输出极限时，为了使转速r ω升高，只能通过增加直轴去磁电流分量d i 和减小交轴电流分量 q i ，以维持电压
平衡，达到弱磁调速的目的。
图4为传统超前角弱磁算法的控制框图，其基本原理为：以电流环的输出值作为电压 PI 调节器的输入控制量，与给定电压 max U 之间的差值通过电压PI 调
节器来控制电机定子电流矢量与 q 轴之间的超前角 β。max U 为/dc U 其中dc U 为逆变器直流母线电压。当 s u 低于 max U 时，由于饱和环节的作用，PI 调节
器处于正向饱和，输出电流超前角β=0，此时d i = s i ，sin β= 0，电机运行在恒转矩区。当 s u 高于 max U 时，电压 PI 调节器输入为负值，PI 调节器开始退出
饱和，输出负的超前角β(/20)πβ-≤<，产生负向 d 轴电流分量，电机进入弱磁工作区。同时对d i 还要采取一定的限制，使其小于电机的最大去磁电流。[14]
图4 传统超前角弱磁算法框图
2．改进的 SVPWM 过调制算法
表贴式永磁同步电机采用传统超前角弱磁控制算法加载运行时，当给定电机转速超过其转折速度，在其升速阶段，会出现 d ，q 轴电流的剧烈震荡，进而导致速度的波动，电机没有实现从恒转矩区到恒功率区的平滑过渡。电流的剧烈震荡通常会引起驱动器的过流保护，同时引发逆变电路较大的di / dt 和 dv / dt ，增大电机运行时的电磁干扰，降低功率器件的使用寿命。通过分析得出在弱磁调速的升速阶段，电流环的输出即电压指令值在某些瞬会超过 SVPWM 算法的输出范围，由于 PI 调节器固有的延迟性，依靠弱磁控制的电压闭环并不能快速地将电压调整过来，从而造成了输出电压在某些瞬间不可控，引起了电流的震荡。为此，本文尝试采用一种改进的 SVPWM 过调制算法，在逆变器直流侧电压不变的情况下增大其交流电压输出，提高电压输出能力，改善弱磁调速时的动态性能
[15]。
（三）内置式永磁同步电动机弱磁控制
内置式永磁电机的永磁体埋在转子铁心里面，在弱磁运行时使其具有退磁的防护作用，所以内置式永磁电机比表贴式永磁电机不易退磁。由于内置式永磁电机d 轴电感大于表贴式永磁机，且d 轴电感小于q 轴电感，具有磁阻转矩，所以其具有更宽的恒功率范围和优良的弱磁扩速能力[16][17]，非常适用于启动、低速
或爬坡时输出大转矩，在高速时输出大功率，以及宽调速范围、高可靠性的车辆环境中。与传统电励磁电机相比，内置式永磁同步电动机具有体积小、质量轻、损耗小、效率高、结构简单、运行可靠等显著优点，在高性能、转矩响应快速性的场合具有很好的应用前景，所以在电动汽车中采用永磁同步电动机驱动成为发展趋势[18]。
1． 内置式永磁同步电机移相弱磁控制策略
图5是本设计提出的弱磁控制策略方框图。
图5 IPMSM 移相弱磁控制方框图
图中转速环主要得到转子位置角度θ，经取微分得到电角速度ω。通过转速调节器得到转矩e T ，由电流发生器按照最大转矩电流比控制的电流输出公式给出*d i 和*
q i ，d 、q 轴的电流参考值在角度运算器中做极坐标到直角坐标的变换以及逆变换。当转速超过基速时切换到弱磁控制模式，弱磁控制器生成系数ξ作用到电 流相位角β上生成*d new i -和*q new i -。d 、q 轴电流分量经过PI 调节和电流解耦后得到*d u 和*q u ，最后通过旋转至静止的坐标变换，便可获得用于控制变频器输出的αβ-静止坐标系中的定子电压*u α、*u β。
与传统的基速下采用d I =0的弱磁控制方式比较，该系统增加了一个带弱磁控制其的电压反馈环节。弱磁控制其的作用就是检测给定定子电压，并用它与实际定子端电压做一种方式上的比较，最后经过PI 调制得到比例系数ξ，再经由角度元算器将它作用到电流相位角β上以起到弱磁效果。经由给d I 和q I 。运算得
到的*d u 和*q u 包含着此时电机负载的信息，通过它与定子端电压做比较就保证潜在弱磁区间(,)b c ωω中选择一个依赖于负载的点进入弱磁模式。这里的弱磁控制器的设计需要满足一下几个条件：
(1)运算给定低于端电压dc U 时，输出的系数ξ的作用应不改变相位角β，相
当于电机处于最大转矩电流比控制。此时，电动机处于基速以下恒转矩运行或者是潜在弱磁区域中的最大转矩电流比容许部分。
(2)电动机端电压随着IPMSM 转速的增加逐步升高，当运算给定大于dc U 时，弱磁控制器要快速响应，迅速给出调制系数ξ，使它在角度运算器的作用下得到β?以保证弱磁控制开始，使IPMSM 的转速的一继续升高。在调制的过程中，由于响应速度的要求，PI 调制要快速退饱和，要求对PI 控制器作出特殊的设计。
(3)在调速过程中，注意对电流要限制，d I 和q I 都要在电流极限的容许范围
内[19]。
2． 具有快速动态响应的前馈弱磁控制策略
基于前馈控制的弱磁控制策略，将交、直轴电随转矩及定子磁链的变化关系绘制成表格。在电机运行过程中，根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该方法可以根据实际工况要求同时得出交、直轴电流参考值，因此可以有效地提高系统的快速响应能力[20]。
图6 IPMSM 移相弱磁控制方框图
如图6所示，弱磁控制策略的实现过程主要包括4个部分。第四部分是根据逆变器直流侧电压及电机的转速计算定子磁链限幅值。这里假定电压参考值为最大输出电压值，即：
max ||ref
s r U ψω== （7）
第二部分即根据电机的转矩、磁链参考值查表得出电机的交、直轴电流给定值，以实现系统的前馈控制。第三部分是根据转速的升高实时限定电机可能输出的最大转矩，从而实现电机的恒功率运行。
前馈控制可以提高系统的快速动态响应，然而，不同的交、直轴电流作用下，电动机的磁路饱和程度不同，因而，电机参数不同，这对系统的弱磁控制性能有直接影响。因为直轴磁路存在永磁体，其磁导率接近空气的磁导率，不易饱和，所以直轴电流对直轴电感的影响较小；而交轴电流的变化对交轴电感的影响则比较明显。永磁同步电动机弱磁升速过程中，直轴电流逐渐增大，而交轴电流是逐渐减小的。因此在弱磁过程中，应该考虑交轴电感
L值的变化造成直轴参考电
q
流
i的计算误差。
d
三、结语
本文主要分析、研究了无刷直流电动机的无位置传感器技术、转矩脉动控制以及起动方法分析这三个热点问题。和传统结构永磁同步电动机和复合转子永磁同步电动机通过弱磁控制能够拓宽速度范围，但是存在一些不足。与之相比，利用设计漏磁通路改变磁通路径的方法为彻底解决永磁电机的弱磁问题提供了新的希望和途径，目前这种利用漏磁通路弱磁的方法尚有待更为深入的研究。可见，寻找一种能够完美地满足弱磁控制要求的新型永磁同步电动机结构和控制方法，是当今电机界的重要研究课题。
四、参考文献
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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 学生： 学生学号: 学生班号:
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。 本文主要研究容是对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：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 (4) 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 (6) 2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (7) 2.4 仿真结果 (11) 三、解决效果 (12) 3.1 结论 (12) 3.2感悟与体会 (12)
永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究 摘要 永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。 关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机 一、永磁同步电机弱磁控制研究现状 1．永磁同步电机及其控制技术的发展 任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有：矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等[1]。 1．1 矢量控制 1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理，经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统。矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能。 1．2 恒压频比控制 恒压频比控制是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出进行控制，使电机以一定的转速运转。但是它依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型，永磁同步电机的动态数学模型是非线性、多变量，它含有角速度与电流或的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。 1．3 直接转矩控制 矢量控制方案是一种很有效的交流伺服电机控制方案，但是由于该方案需要进行矢量旋转变换，坐标变换比较复杂。此外，由于电机的机械常数慢于电磁常数，矢量控制中转矩响应的速度不够迅速。针对矢量控制的上述缺点，德国学者
第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
永磁同步电机控制方法以及常见问题永磁同步电机控制方法以及常见问题。永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 1.掌握永磁同步电机的成熟控制方法和开发内容后如何转型 (1)仿真：连续simulink+线性电机模型仿真，离散模型+线性电机+线性电机模型，q 格式离散模型+线性电机模型，simplorer+ansoft+无位置开环和闭环q格式仿真，模拟实际电机的线性电机模型建立，matlabgui+simulink仿真。都是无位置开环切闭环模式，各种仿真变着花样玩，ekf，hfi，pll，atan，磁连观测，扩展反电视等各种无位置仿真。仿真和实际跑板子其实只要电流采样底层做得好，过调制出得来都可以和仿真对的上。 (2)电机参数识别，通过变频器激励与响应实现，其余的表示不靠谱，可以在电机启动前10s内辨识出来。没啥用。 (3) 控制性能优化，6次谐波自适应陷波滤波，sogi等手段。 (4) 压缩机驱动自动力矩补偿。
(5) svpwm简单快速实现与单电阻采样结合研究。 (6) 各种各样电机调试与性能测试，我调试的电机型号应该有上千款了，仅限于 10w-20kw永磁同步电机，都快调试吐了，测试电机单体性能，带变频器运行极限测试 2.永磁同步电机初始角设置的问题 电机控制的调试里除却方波驱动，基本都会有一个类似于超前角的变量，该变量非常重要，直接影响速度，效率和抖动性。改变该角可以降低输出转矩，但可能会带来其他问题。 旋转转子使d轴指向A+与A-的中心线，就找到了初始角！但是对模型的初始角修改一下之后，在同样Thet角下，转矩下降好多！现在问题是在在修改初始角之后输出转矩能够稳定吗？这个输出转矩应该是与负载大小有关! 修改后的初始角与原来A相反电势为0对应的初始角，他们对应的输出转矩一定会变化的，且修改后的初始角中设定的功率角不是真正的模型功率角；至于设定负载我还没尝试过，不过我觉得你说的应该是对的。 其实我刚开始主要是对修改初始角后模型输出转矩稳定性有疑问，按照你的说法现在转矩应该是稳定的！那么对于一个永磁同步电机模型，峰值转矩可以达到，但是要求的额定转矩却过大，当修改模型之后达到要求的额定转矩时，峰值转矩却达不到，敢问你觉得应该从方面修改模型？？或是我修改模型的思路有问题 3.永磁同步电机控制的建模问题讨论，如模型仿真慢、联合仿真问题、PI控制问题等 两种控制方式不一样的所有输出量不一样。 永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 无刷电机是电压源控制模式，而且计算出来都是开环的。性能由空载转速，电阻，电感
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 学生姓名： 学生学号: 学生班号:
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)
电动汽车用永磁同步电机直接 转矩弱磁控制 许峻峰1 冯江华2 许建平1 1.西南交通大学 2.株洲电力机车研究所 摘要:通过对电流限定轨迹、转速限定轨迹和负载角限定轨迹的介绍,阐述了电动汽车用埋入式永磁同步电机的弱磁控制过程,有效拓宽了永磁同步电机直接转矩控制系统的调速范围。由于永磁同步电机弱磁是通过电枢反应达到弱磁运行目的的,电枢反应对永磁同步电机的参数有着重要的影响,并且弱磁程度越高,电枢反应越大。因此考虑了永磁同步电机的电枢反应对于电机转子磁链和交直轴电感等参数的影响,对比了不考虑电枢反应时各控制轨迹及弱磁性能。通过M AT LAB/SIM ULINK实现了考虑电枢反应和不考虑电枢的永磁同步电机直接转矩控制的弱磁控制。仿真结果验证了理论分析的正确性。 关键词:电动汽车 永磁同步电机 直接转矩 弱磁控制 Flux-weakening C ontrol of Direct Torque C ontrol of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electrical Vehicle Xu Junfeng Feng Jiang hua Xu Jianping Abstract:Flux-w eakening control of interior permanen t magnet s ynchr on ou s motor(PM SM)is elaborated by th e pres entation of current limit trajectory,speed limit trajectory and load angel limit tr ajectory.Flux-w eaken ing control extends th e timin g range of the mach ine.For PM SM,flux-w eakening is realized by armatur e reaction.In flux-w eak enin g range,ar mature reaction w ill serious ly affect th e parameters of PM S M s uch as rotor flux,direct ax is inductance and quadrature axis ind uctan ce.T he control trajectories mention ed above and flux-w eakening contr ol performance of w ith and w ithout cons idering arm ature reaction are compared us ing M AT LAB/SIM U LINK.T he ration ality of theory analysis h as b een proved b y s imulation r esu lts. Keywords:electrical vehicle perman ent magnet synchronous motor(PM S M) direct torqu e control flux-w eakening control 1 引言 电动汽车对于驱动系统的基本要求是:低速时能输出恒定转矩,以适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求,高速时能输出恒定功率,能有较宽的调速范围,适应高速行驶,超车等要求。较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高电动汽车的起动、加速能力及低速爬坡能力;或者说在保持电动汽车起动加速及低速爬坡能力不变的前提下降低电机的最大功率,从而降低逆变器的容量。因此对电动汽车驱动用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。另外对永磁同步电动机进行弱磁控制可以拓宽电动汽车的运行范围,满足电动汽车高速运行的要求。 因为永磁同步电机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,所以弱磁控制便成了永磁同步电机的研究热点。其弱磁控制原理是通过增加定子直轴电流利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,达到等效于减弱磁场的效果,从而达到弱磁增速的目的。针对这一 国家自然科学基金项目(50077018),国家教育部博士学科点专项科研基金项目(20020613010)
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
基于FPGA的永磁同步电动机矢量控制IP核的研究 赵品志 摘要 论文首先分析了永磁同步电动机的数学模型及矢量控制的原理。研究了使用现代EDA工程设计方法，在FPGA上实现单芯片交流伺服控制系统的结构和具体实现方法。其次，详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理，利用Verilog HDL硬件电路描述语言，编写了SVPWM、坐标变换、串行通信、位置检测等IP模块，并进行了仿真和验证。最后，将本文编写的主要SVPWM IP模块、串行通信、位置检测等IP模块在Quartus II 3.0软件中进行综合编译，并通过ByteBlaster II下载电缆将生成的网络表配置到NIOS II开发板上的Cyclone 系列FPGA EP1C20F400C7芯片中，经过实验测试，验证了所编写的IP模块的正确性。 关键词：矢量控制，空间矢量脉宽调制，FPGA，IP 引言 为满足现代数控系统技术与市场发展需求，伺服系统出现交流化、数字化、智能化三个主要发展动向。伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：直流伺服系统和交流伺服系统，其中交流伺服系统又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统[1]。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在伺服系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1972年，德国西门子的Blaschke提出了交流异步电动机的矢量控制理论。该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，得到类似直流电动机的解耦的数学模型，使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性能。1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化[2]。90年代以来，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁同步伺服电动机得到了长足的发展。交流伺服系统采用永磁同步伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于永磁同步伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前永磁同步交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制[3][4]。 最初，交流伺服电机的变频调速都是由分立器件实现的，不可避免地存在温漂、老化等问题。这种方法所使用的器件数目非常多，而且结构也很复杂，这就使得系统的可靠性、精度很难保证在一个较高的水平。另外，用分立元件实现数字脉宽调制需要使用波形发生器，而分立元件的工作频率有限，因而很难实现高性能高精度的数字脉宽调制。利用分立元件实现较复杂的脉宽调制技术（如SVPWM）有很大的困难，复杂的逻辑关系难以实现。这些都驱使人们寻求其它实现数字脉宽调制的方法。其中单芯片系统（SOPC）使这种想法成为可能，在单芯片上可以实现复杂而精确的逻辑运算，运算速度比分立元件高得多，因而越来越受到人们的重视。本文对实现SOPC有很大帮助，利用Quartus软件生成的网络表可以直接用于芯片的生产[5]。
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 学生姓名： 学生学号: 学生班号:
摘要 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 目录 永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (2) 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)
永磁同步电机及其控制技术的研究现状 A直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，衣磁同步电机为其性能优良和结构多样，在工农业生产制造.日常生活以及航空航天事业等领域中得到广泛的应用。为使得电机有较好的控制性能，需要便用变频器时永卓同步电动机进行驱动和控制.因此，研究如何在通用变额器上实现永嵐同步电动机矢呈控制具有非常重硬的实用价值： (1)永磁同步电机矢量控制系统是一种髙性能的交流调速系统.由于永礎同步电机结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载能力大、转动惯虽小以及转矩脉动小零优点，并且利用矢量控制思想*永磁同步电机可以便得输出转矩随定了电流线性变化，永磁同步电机矢畐拎制系统可以达到优越的控制性能⑴. (2)我国是世界上星早利用磁的国家，早在公元前2500年前后就己经有相黄天然磁石的记载◎同时，水磁材料产业的发展与电子信息、通信技术、矿业、航空航天、交通运输等行业密切相关.具有璽宴的战略意义I*】. (3)殺电子技术的发脱促进了数孑技术在调速系统屮的应用，配合髙效软件可提供较好的灵活性和控制性能"电机控制系统的数了化进程是实现现代调速系统发展的方向之一。相比了:模拟控制，数字控制更易于实现先进控制饺毎同时数字控制系统的硬件成本低、结构简帕且高效节能固° 人类最早发明的电机是利用天然磁铁建立磁场的.1821年9月.法拉第发现通电匕线在雄场中会受到力的作用，他第一次实现了把电能转化为机械能.从而在实骡峑建立了堀初的电机模型，被认为是世界上第一台电机° 1831年*在发现电磁感应现象之后不典，法拉第利用电磁感应原理发明了111界上弟一台真正恿义上的电机——法捡第岡盘发电机?】旳2年，斯特金发明了换向器，制件了世界上第一台能够连续运动的旌转电机.1845年.英国的惠斯通用电磁铁代替永久磴铁，并取得了乍利权，这是增强发电机输岀功率的一个重雯措施,1967年.锣诂永磁材料的岀现，开创『永磁电机发展的新纪元. 随着科学技术的发展，各类电机不审问世，电机的种类越来越多。上要分为白漩电机和交流电机两大樂而交流电机主耍分为并步电机和同步qi动机届步电机结构简单，造价低廉且维护较少，可应用于衽环境恶劣的场合，但也存在不少缺点，运转过程中电
浅析永磁同步电机控制策略 【摘要】近年来，永磁同步电机凭借其体积小、损耗低、效率高等优点，被广泛应用于各种生产实践中。与此同时，对永磁同步电机的控制研究也得到了广泛的重视。本文就永磁同步电机的控制策略做出简单阐述，对比其优缺点，分析永磁同步电机控制侧率的发展方向。 【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制 1.引言 近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。 2.永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设： （1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗; （2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响; （3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布; （4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布; （5）驱动二极管和续流二极管为理想元件; （6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。 对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。 图1 PMSM空间向量图 Fig.1 Space vector diagram of PMSM
永磁同步电机控制系统研究 【摘要】由于使用场合的特殊性，电梯驱动用电机应该具有振动小、噪声低、起动电流小、有足够的起动转矩和运行平稳等性能要求。永磁同步电机具有转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强等优点，不仅能满足以上要求，而且可以显著提高功率因数，降低损耗，提高效率，长期运行，可以起到降本增效的作用。 【关键词】永磁同步电机；电梯驱动；弱磁控制 0.引言 正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。永磁同步电机的矢量控制，也是基于磁场定向的控制策略，由于转子上的永磁体所提供的磁场恒定，加之其结构和参数各异，相应的控制方法也有所不同。这些控制方法主要有：id=0(转子磁链定向)控制、cosφ=1控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制、直接转矩控制等。它们各具特点，如cosφ=1控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等。而id=0控制最为简单，它的基本思想是通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)超前转子位置90°(电角度)，则电机的电磁转矩只和定子电流幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。本文采用id=0与弱磁控制相结合的控制方式。 1.控制原理 1.1PMSM数学模型 永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。假设电动机是线形的，参数不随温度等变化，忽略磁滞/涡流损耗，转子无阻尼绕组，那么基于转子坐标系(d-q轴系)中的永磁同步电动机定子磁链方程为： Ψ=Li+Ψ Ψ=L·i 式中：Ψ为转子磁钢在定子上的耦合磁链；L、L为永磁同步电动机的直、交轴主电感；i、i为定子电流矢量的直、交轴分量。 PMSM定子电压方程： u=ri+pΨ-ωΨ