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)
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T sing hua Un iv (Sci &Tech),2011年第51卷第7期 2011,V o l.51,N o.71/26873-878 弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性 杨 耕1, 郑 伟1, 陆 城2, 陈伯时3 (1.清华大学自动化系,北京100084;2.台达能源技术(上海)有限公司,上海201209; 3.上海大学机电学院,上海200072) 收稿日期:2010-06-04 基金项目:国家自然科学基金项目(60674096)作者简介:杨耕(1957)),男(汉),四川,教授。 E -mail:yan ggeng@mail.tsin https://www.doczj.com/doc/8f17331317.html, 摘 要:在弱磁调速下,异步电动机变频系统电磁转矩控制的非线性特性、以及系统最大输出电压和电流的限制,使得转矩和功率控制比较复杂。该文分析了弱磁调速区间内最大电磁转矩与电动机参数、系统电压电流约束之间的关系,给出了改善控制性能所需的系统最大电磁转矩和最大功率随定子同步频率以及最大电流约束变化的定量关系。实物实验验证了这些特性。 关键词:感应电动机;弱磁控制;转矩特性;弱磁区域中图分类号:T M 301;T M 346文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2011)07-0873-06 Torque and power characteristics of induction motor drive in flux weakening region YANG G en g 1,ZHE NG Wei 1,LU Chen g 2,CH EN Boshi 3(1.Department of Automation,T singhua University, Beijin g 100084,China; 2.Delta Electronics (Shanghai)Co.,Ltd. Shanghai 201209,China;3.S chool of Mechatronics Engineering and Automation, S hanghai University,Shanghai 200072,China)Abstract:In the flux -weakening operation regi on of an inverter -induction m otor drive,th e control of electromagnetic torque (EM T)and pow er becomes complicated,due to the nonlinear characteris tic of th e EM T and output voltage/current con strain ts of the drive.For th e con trol performance im provement,this paper describ es th e fun ction of th e max imum EM T about the m otor param eters an d th e voltage/current cons traints,and pres ents th e algorithms of th e m aximum E M T and th e electromotive pow er along w ith the variation of stator frequ ency as w ell as the current limitations.T est res ults verify the algorithm s.Key words:induction m otor; flux w eak ening control; tor qu e characteristic;flux w eakening region 一般认为,异步电动机在额定频率以上的弱磁运行具有恒功率调速的特性[1-3] ,但在交流变频器驱动电机运行时,由于变频器最大输出电压和最大输出电流的限制(以下简称为电压电流限制),此时的 调速特性远比一般所述的/恒功率特性0复杂。然而,从系统实现的角度出发,如果采用具有转矩控制内环的结构,由于弱磁运行时电磁转矩控制环和磁 链控制环之间不再解耦,系统需要实时求取电压电流限制下随速度变化的电磁转矩指令以及励磁电流指令。此时的系统控制框图可用图1表示,励磁电流指令的求取如图中阴影部分所示,需要求解一个由多个变量构成的超越方程。由于算法十分复杂, 基于现有的实时控制器难以实现。 图1 具有转矩闭环的典型弱磁控制方法示意 迄今,韩国学者Kim 和Sul 提出的转矩最大化的弱磁调速方法[4-5]最具影响力。该方法的基本结构仍然同图1,其基本思想是:假定调速过程中弱磁变化缓慢,从而可以基于转子磁场定向条件下的电机模型分析问题;首先基于系统电压、电流限制给出弱磁调速范围内对应同步频率所能产生最大电磁转矩的励磁电流曲线;然后在实时系统中依此曲线给出励磁电流指令,同时根据最大电流限制和励磁电流对转矩电流指令进行限幅。该方法避免了超越方程的实时求解,也保证了在缓慢弱磁过程中系统对最大电流和最大母线电压最大程度地利用,因
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
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)
异步电机弱磁调速 异步电机矢量控制的调速范围可以通过减弱磁场来增大，这种调速方式被称作“弱磁调速”，在Turbo PMAC中，可以通过一个简单的程序来实现这种调速方式。 弱磁调速的基本用法是：当转速达到现有电枢电压下的极限（即反向电动势等于电枢电压）减弱转子场强，以达到速度极限增大的效果。磁场强度在一定范围内与速度大致成反比，磁场强度是由定子的Id（平行于磁场方向的电流）指令控制，在Turbo PMAC中为Ixx77变量。但实际磁场变化会滞后于Ixx77一个相对较大的电气时间常数（电感的电流滞后于电压）。Turbo PMAC的“滑差（转差）增益”参数Ixx78是相更新时间（相周期）除以转子时间常数，Turbo PMAC使用“滑差增益”与“开环估计器”计算代表磁场强度的转子励磁电流。 我们也可以使用Ixx78滑差增益预测转子励磁电流的滞后，还可以加速定子Id指令的变化以对滞后做出一定的补偿。由于这个算法并非每个相周期都会运行，我们将针对PLC0计算等效的滑差时间常数，一个介于实时中断与转子电气时间常数之间的值。 由于转子的磁场强度决定电机的力矩常数，因此控制场强也相当于控制了反馈回路增益，在减弱磁场的同时回路增益也将减小。为对此做补偿，我们需要同时更改位置环比例增益Ixx30，Ixx30的变化应与估计的转子励磁电流成反比，以确保回路全局增益保持不变。 下面的例子是在4号电机上操作，您可以做简单的更改以操作其他电机。它基于期望速度来控制磁场，因期望速度比实际速度更平滑，但在使用时应确保实际速度与期望速度相差不是太大，否则，应使用实际速度控制磁场。 ；变量替换及定义 ；I变量 #define ServoPeriod I(I19+5) ；每个伺服周期内相周期个数 #define PLC0Period (I8+1) ；每个实时中断周期内伺服周期个数 #define Mtr4CmdId I477 ；指令直接电流（Id） #define Mtr4SlipGain I478 ；滑差增益，由转子时间常数得出 #define Mtr4PropGain I430 ；控制回路增益 #define Mtr4MaxIq I469 ；伺服输出限幅值（Iq，力矩电流） ；用于自动计算的M变量 #define Mtr4EstIm M480 ；估计励磁电流，PMAC自动计算 Mtr4EstIm->Y:$000237,8,16,S ；以Ixx77为单位 #define Mtr4ActId M476 ；实际Id，来自（霍尔）传感器 Mtr4ActId->Y:$000239,8,16,S ；以Ixx77为单位 #define Mtr4DesVel M455 ；期望速度 Mtr4DesVel->X:$00021A,0,24,S ; 1/[Ixx08*32]cts/[Ixx60+1]cyc #define Mtr4ActVel M456 ；实际速度，来自编码器 Mtr4ActVel->X:$00021D,0,24,S ; 1/[Ixx09*32]cts/[Ixx60+1]cyc ；用于算法的P变量 #define Mtr4DesIm P470 ；期望的励磁电流
13调速永磁同步电机 在用户已经掌握RMxprt 基本使用的前提下，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt 的详细介绍请参考第一部分的章节。 13.1基本原理 调速永磁同步电机的转子转速是通过调节输入电压的频率来控制的。与标准的直流无刷电机不同，这种电机不需要位置传感器。 永磁同步电机的转子上安装永磁体（有内转子与外转子之分），定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。永磁同步电机既可用作发电机，也可用作电动机。当电机工作在电动状态时，定子多相绕组可由正弦交流电源供电或由直流电源经DC/AC 变换来供电。当电机工作在发电状态时，定子多相绕组为负载提供交流电源。 13.1.1 定子绕组正弦交流电源供电 永磁同步电机分析方法与三相凸极同步电机相同，电机既可工作在发电状态也可工作在电动状态，通常采用频域矢量图来分析电机的特性。电机发电状态矢量图如图13.1a ，电机电动状态矢量图如图13.1b 。 发电机 b. 电动机 图13.1 同步电机相量图 图13.1中，R 1、X d 、X q 分别为定子电枢的电阻、d 轴同步电抗和q 轴同步电抗。 aq 1q ad 1d X X X X X X +=+= (13.1) 上式中，X 1为电枢绕组漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢反应电抗和q 轴电枢反应电抗。 以输入电压U 为参考矢量， I 滞后U 的角度为φ， 称φ为功率因数角， 则电流矢量为： ?-∠=I I (13.2) 令I 滞后E 0的角度为ψ。则可得d 轴和q 轴的电流为：
? ?????=?? ????=ψψcos sin I I I q d I (13.3) 所以： q d 1 I I -=tan ψ (13.4) 13.1.1.1 发电机模型 在图13.1a ，OM 所代表的矢量可表示为： ) j j (aq 11X X R OM +++=I U (13.5) OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。 令U 滞后E 0的角度为θ，对于发电机称θ为功角，则角度ψ为 θ?ψ+= (13.6) 对于给定的功角θ，我们有； ??? ???--=????????????-θ θsin cos U U E I I X R R X 0q d q 1 1d (13.7) 求得I d 和I q 为： ? ?????--+-+=??????θθθθsin )cos (sin )cos (U X U E R U R U E X X X R 1 I I d 0110q q d 2 1q d (17.8) 功率角φ： θψ?-= (13.9) 输出电功率： ?cos UI 3P 2= (13.10) 输入机械功率： ) (Fe Cua fw 21P P P P P +++= (13.11) 式中P fw 、P Cua 、P Fe 分别为风摩损耗、电枢铜损和铁心损耗 输入机械转矩： ω1 1P T = (13.12) ω为同步角速度rad/s 13.1.1.2 电动机模型 在图13.1， OM 所代表的矢量可表示为： ) j j (aq 11X X R OM ++-=I U (13.5’)
基于矢量控制的电动汽车用异步电动机 弱磁控制方法 窦汝振,辛明华,杜智明 (中国汽车技术研究中心,天津300162) 摘要:对需要异步电动机恒功率运行的应用领域,特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形,弱磁控制是一个非常重要的方法。基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法,该方法与电机参数无关,稳定性强,实现简单,试验结果验证了该方法的正确性和有效性。 关键词:矢量控制;弱磁控制;异步电动机 中图分类号:TM301.2B TM343文献标识码:A文章编号:1673-6540(2009)05-0025-03 F iel dW eakening Control of A synchronousM otors Based on V ector Control DOU Ru-zhen,X I N M i n g-hua,DU Zhi-m ing (Ch i n a A uto m otive Technology&Research C enter,T i a nji n300162,Ch i n a) Abstract:The field w eaken i ng contro l is i m portan t for the i nducti on mo tor.s constant pow er ope ration that i s re-qu ired by t he e l ec tric veh icle.Based on the detail ed theo retical analysis,usi ng t he vector contro,l a constant q-ax i s sta t o r vo ltage fi e l d weaken i ng controlm e t hod t hat is stab l e,i ndependent o fm otor para m ete rs is presented.Its vali d it y is prov ed by experi m ental resu lts. K ey word s:vector con tro;l field weaken i ng con tro;l asynchronou sm otors 0引言 异步电动机结实耐用,在矿山机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等领域有着广泛应用。异步电动机运行时,其电压会受到供电电压的限制,而电流的增大也会受到电机及变频器的容量限制。因此,异步电动机运行在基速以上时需要采用适当的弱磁方法,在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下,得到尽可能大的电机转矩输出和功率输出及良好的系统动、静态特性[1]。此外,异步电动机弱磁运行时的参数变化较大,因此期望所采用的弱磁控制方法具有较强的参数鲁棒性。 国内、外已有的以矢量控制为基础的弱磁控制方法基本可分为以下三类[2-4]。 (1)1/X r弱磁。如式(1)所示,该方法是在电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定为与转子转速成反比。 7rd=7rd n X n X r(1)式中:7r dn)))额定转子磁链; X n)))额定转速; X r)))电机转速。 (2)恒压弱磁。这类方法保持电机电压为额定电压,根据电压控制环的输出来控制电机的励磁电流,与电机参数无关,但转矩电流和励磁电流耦合强,电流调节器易于饱和。 (3)励磁电流的解析控制。电机的励磁电感存在磁饱和现象,电感参数会随着励磁电流的调整而发生变化。因此,在电机及励磁电感建模的基础上,采用精确的弱磁电流解析形式,提高电机的转矩输出能力和动态响应。但这类方法的有效性依赖于电机参数的准确性,励磁电流控制开环,鲁棒性较差。 本文对基于转子磁链定向控制的异步电机弱磁控制方法进行了分析,并提出了一种基于交轴电压控制的弱磁控制方法,该方法简便易行。 ) 25 )
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
111111111 0 前言 永磁同步电机调速技术的发展得于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。脉宽调制方法(PWM和SPWM)、变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，其动态特性极其复杂，它是由一组高阶的非线性微分方程决定的，由于控制系统控制方式的复杂性，使动态特性的变化十分繁琐。所以，对调速系统特性的分析研究，最好好在着手实际系统之前，先利用计算机仿真，由仿真的各方面结果给实际系统的设计、调试等方面提供借鉴和参考。利用仿真实验对永磁同步电动机调速系统进行研究，从而为实际系统的设计提供可靠的参数。本文在仿真过程中，采用MATLAB/SIMULINK软件。
1 永磁同步电动机的数学模型 1.1 永磁同步电动机的结构和工作原理 永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速 0n 为060f n p ，f 为定子电流频率，p 为电动机极对数。 永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、永磁磁钢及磁辘等部分组成.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。永磁同步电动机的定子与绕线式的定子基本相同。但可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嵌入在转子轴的内部，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。 图2-1 永磁转子结构（两对磁极） Fig.2-1 Permanent magnetism rotor structure 为了使永磁同步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，使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。
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)
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
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
2016年6月12日星期日 电机的弱磁控制原理 异步电机变压变频调速的控制特性 基频以下：恒转矩调速（恒磁通调速） 电机启动电流大的原因： 当感应电动机处在停止状态时，从电磁的角度看，就象变压器，接到电源去的定子绕组相当于变压器的一次线圈，成闭路的转子绕组相当于变压器被短路的二次线圈；定子绕组和转子绕组间无电的的联系，只有磁的联系，磁通经定子、气隙、转子铁芯成闭路。当合闸瞬间，转子因惯性还未转起来，旋转磁场以最大的切割速度——同步转速切割转子绕组，使转子绕组感应起可能达到的最高的电势，因而，在转子导体中流过很大的电流，这个电流产生抵消定子磁场的磁能，就象变压器二次磁通要抵消一次磁通的作用一样。而定子方面为了维护与该时电源电压相适应的原有磁通，遂自动增加电流。因为此时转子的电流很大，故定子电流也增得很大，甚至高达额定电流的4~7倍，这就是启动电流大的缘由。 启动后电流为什么小？ 随着电动机转速增高，定子磁场切割转子导体的速度减小，转子导体中感应电势减小，转子导体中的电流也减小，于是定子电流中用来抵消转子电流所产生的磁通的影响的那部分电流也减小，所以定子电流就从大到小，直到正常。 随着启动电流增大，损耗增大，即定子端电压下降。 空载电流：不为0，一般是额定电流的1/3。 对永磁同步电机的仿真分析（举例） 分析电机在启动时，启动电流达到额定值的3倍，至0.03S稳定。起初负载转矩给定3N*m,至0.1S时负载转矩给定为1N*m,定子电流的波形对于变小，电磁转矩与负载转矩平衡，使得电机稳定运行。
转速刚启动瞬间为0，但大约经过0.02S后电机转速达到给定值，当0.1S时负载突然减小，转速有短暂的上升，立刻回到给定值，转速比较稳定，达到理想。 电机启动时，电磁转矩启动时较大，至0.03S后电磁转矩达到3N*m,0.1S时负载转矩发生变化，即电磁转矩也相应的发生变化。 电机空载运行时，空载电流的幅值大约是额定值的1/3，绝对不为0，平均值为0,相应的三相静止定子电流为120度，两相静止坐标互差90度， 空载情况下，0.2S之前空载，其输出的两相静止坐标近似为0 ，但肯定不是0，由于采用id=0控制，即直轴电流一直是0，而转矩电流iq在控制是电流几乎为0，加负载后，值增加。 当空载时，输出转矩为0，突然增加负载时，输出转矩相应增加。
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)
实验报告 课程名称电力拖动与运动控制系统 实验项目名称永磁同步电机速度控制实验实验学生班级 实验学生姓名 实验时间 实验地点七号楼3 实验成绩评定 指导教师签字 2011年12 月20 日
永磁同步电机速度控制实验 一．实验目的 1．了解正弦波永磁同步电机的驱动器的接口和常用参数的设定 2．掌握正弦波永磁同步电机调速系统起动过程转速与电流的关系 3．掌握正弦波永磁同步电机调速系统过程中P、I调节的作用。二．实验原理 当给定速度的大小和方向改变时，调速系统和转速也会发生相应变化，而当负载发生变化时，转速应基本保持不变。这是因为速度闭环，通过速度给定信号与速度反馈信号的比较，由此得到的偏差进行PI调节，起到抵抗扰动的作用，从而保证系统的转速基本不变。速度控制希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启动、制动性能。 三．实验步骤 a)熟悉伺服电机与驱动器的型号、接线以及控制接口。 b)启动计算机，打开启动器电源，打开安川伺服驱动串口通信软件(SisMa软 件)，在软件中点击search按钮找到驱动器的编号：SGDM-10ADA，在点击connect按钮，这样SigMa软件和交流伺服驱动器就连上了。 c)在SigMa软件里我们可以点击parameters菜单，再点击edit parameters 菜 单，选择Pn000参数的第一位设成“0”，为速度控制(模拟量指令)，这时候我们可以打开实验箱上使能的开关，再旋动速度给定的定位器旋钮，这时候伺服电机开始旋转起来，定位器接的是-5V~+5V，当运行在0~-5V的时候电机逆时针旋转，运行在0~+5V的时候电机顺时针旋转。 d)点击SigMa软件的tarce&turning菜单下的trace单，进入setup窗口，在 data1和data2选择需要跟踪的信号，我们选择Feedbak Speed 和Speed Prference两个，在右边的Sampline time 为250*10ms，然后点击Start按钮，在采集信号的时候，实现伺服电机的两次启动，等信号传到软件中，我们可以进行分析。 e)前面第4步是选的默认参数，现在我们改变速度参数，Pn100：速度环增 益和Pn101：速度环积分时间常数，再重复第四步的动作。把系统改变参