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来源  | 新能源汽车产业发展联盟

引言

永磁同步电机是数控车床、机器人控制等关键执行元件。随着稀土永磁材料、永磁电机生产设计技术、电力电子技术和微控制器技术的不断进步和发展，永磁同步电机控制系统已成为交流电机控制系统的新发展方向。永磁同步电机以其优异的性能赢得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制方法进行了总结，重点研究了电压极限椭圆梯度降低法的弱磁控制、优化的超前角控制的弱磁增长、隐藏式永磁同步电机的弱磁控制。

1.永磁同步电机弱磁操作研究动态

1．永磁同步电机及其控制技术的发展

所有电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互影响产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场空间相差90°因此，电角可以独立调整；交流电机的主磁场和电枢磁场不垂直，相互影响。直流电机的主磁场和电枢磁场空间相差90°电角可独立调整；交流电机的主磁场和电枢磁场不垂直，相互影响。因此，交流电机的扭矩控制能力较差。经过长期研究，目前交流电机的控制方案包括矢量控制、稳压频比控制、直接扭矩控制等[1]。

1.1 矢量控制

1971年德国西门子公司F．Blaschke和美国Plaschke．C．Custman等几乎同时给出了交流电机磁场定项控制[刘畅，马成禄， 2010.11 #经过不断的研究和实践，制度的原理，构成了目前应用广泛的矢量控制系统。矢量控制系统由坐标转换，将交流电机等同于磁链定项的旋转坐标系上的直流电机，然后模仿直流电机进行控制，使交流电机的变速能够达到或超过直流电机的能量。

1.2 稳压频比操作

稳压频比操作是一种开环控制，它根据全面的给出，运用空间矢量脉宽调制转化成期待的导出 控制，使电机以一定速度运行。

1.2 稳压频比操作

稳压频比操作是一种开环控制，它根据全面的给出，运用空间矢量脉宽调制转化成期待的导出 控制，使电机以一定的速度运行。但它不能根据电机的稳定模型获得理想的实时控制能量。 为了获得高动态能量，永磁同步电机动态数学模型必须基于电机的动态数学模型，它包含角速度 与电流 或 因此，为了准确控制能量，必须解耦角速和电流。 近年来，探讨了解决永磁同步电机非线特性的各种非线控制板。

1.3 直接转矩控制矢量控制方案是一种非常有效的交流伺服电机控制方案，但由于该方案需要矢量旋转转换，坐标转换更为复杂。另外，由于电机的机械常量比电磁常量慢，矢量控制中转距响应速度不够快。德国学者对矢量控制的上述缺陷 上世纪80年代，Depenbrock提出了一种具有快速转距响应特的控制方案——直接转矩控制(DTC)方案。立即转距摒弃了矢量控制中解耦的控制理念及其电流反馈阶段，采用定子磁链定向和离散两点操作，立即控制电机的定子磁链和转距，具有结构简单、转距响应快的特点[2]。

2．动态研究永磁同步电机弱磁操纵

弱磁操作是目前PMSM的研究热点，电机弱磁场可实现高速运行（转距也减小）。因此，直流电机和感应电机积极进行弱磁操作，以扩大最高速度。对于PMSM来说，由于转子是永磁体，弱磁操作不能简单地通过调整励磁电流来完成。励磁电流可以增加到相反永磁体磁通的方向，完成弱磁操作。然而，对于永磁体来说，存在着如何避免不可逆去磁的问题。目前，高磁能积永磁材料的产品化促进了PMSM的弱磁操作。以下是我国弱磁操作的发展。

2.1 从操纵视角

梁振鸿等人选择了调制技术[3]，根据零电压矢量功效时间判断了部署的起点，并通过查表法明确了部署比，提高了逆变器直流母线电压的利用率，完成了永磁同步电机弱磁运行区域的扩展。slligo Morilnoto [4]选择电流控制器完成永磁同步电机的弱磁操作。电流控制器包括前馈解耦环节和电压补偿阶段。定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的误差确定，定子直轴电流由每个安培较大的扭矩控制方案确定。Jang-Molll kim [5]以直流母线电压作为电压外环调节改进措施的反馈，使系统在最大电压下工作。控制外环的电压可以保证电流控制器在任何条件下不饱和，从而达到满意的控制效果。为了摆脱电流控制器饱和的问题，Sozer等给出了响应性弱磁控制方法[6]。Jiunn-Jiang Chen[7]使用非线降维观测器进行弱磁操作，从而提高控制系统对电机参数变化的鲁棒。

2.2  从电机本身的角度来看从结构上看，由于永磁体的磁阻率接近气体，传统结构的永磁同步电机，其永磁体一直串联在电机的直轴磁路上，等效磁密度大，直轴电阻小，在正常电枢电压下，不可能获得大的直轴电流，因此很难获得令人满意的弱磁性效果。为满足弱磁运行的要求，需要探索具有特殊结构的永磁同步电机[8]。为满足弱磁运行的要求，需要探索具有特殊结构的永磁同步电机[8]。Richard F．Schifcrl、伊华杰设计了一种复合转子结构永磁同步电机，克服了电机本体弱磁扩速的困难。

二、永磁同步电机弱磁控制的控制方法

(1)弱磁操纵电压极限椭圆梯度下降法

文献[9]采用电压极限椭圆梯度下降法进行弱磁，该方法主要分为两部分：弱磁区调整电流标准值。该方法速度快，精度高，无需查表，完成简单，精度高，鲁棒好。

1. 电压极限椭圆和电流极限椭圆

逆变器电压极限应抑制定子电压，因此有

 

2. 明确弱磁区域

如图2所示，永磁同步电机运行中的电流和电压轨迹。根据运行情况，可分为两个弱磁区：

1) 弱磁地区I。根据运行情况，可分为两个弱磁区：

1) 弱磁区I。定义电磁转矩与所需电流之比的转距电流比。如图OA所示，基频下电机恒转矩运行，选择线路最大转矩电流比进行操作； 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) 弱磁地区 II。在基频上，电机沿着 MT-PV 曲线运行被称为弱磁区 II。

 3. 系统结构框图

图3为永磁同步电机调速系统结构框图。斜线部分是电流修正值计算模块。与检测到的转子速度信号相比，速率命令信号通过速率控制器的调整导出电磁转矩Te命令信号，

4. 内埋永磁同步电机弱磁控制方法根据梯度下降法

嵌入式永磁同步电机(IPMSM)由于结构的特点，在能力上有许多突出的优点，如高功率密度、高功率因素、结构简单、调速范围宽等，由于这些优点，广泛应用于电气产品、道路运输、磁盘驱动及其机床、机器人等数控机床。城市轨道和电力牵引传动装置规定，当速度较低时，电机可以导出较大的转距，可以满足启动、加速、低速上坡等条件。它不仅要求基本速度以内的一些要求，而且要求速度范围更广，这就要求电机的弱磁能和广泛的变速范围。由于内埋式永磁同步电机具有结构转距，容易弱磁，输出转矩大，因此对内埋式永磁同步电机的探索具有重要意义[10]。由于内埋式永磁同步电机具有结构转距，容易弱磁，输出转矩大，因此对内埋式永磁同步电机的探索具有重要意义[10]。

根据梯度下降法的弱磁操作计算方法，无需查表，精度高，响应速度快，鲁棒好。实际算法描述如下。

埋式永磁同步电机运行中的电流和电压轨迹曲线如图4所示。基速以下，电机在恒转矩区域运行，选择线路最大转矩电流比(MTPA)如图OA曲线所示，操作可以使永磁同步电机获得最大的电磁转矩[11]。随着转速的上升，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，即弱磁地区I(FWRl)。在高速范围内，电机沿MTPV曲线BC运行，即上述弱磁区2(FWR2)，如图2所示。对于给出的参考距离瓦，随着转速的上升，电机沿恒转矩曲线DE运行。到达E点后，如果转速继续上升，电机将沿MTPV曲线EC运行，其输出转矩将逐渐减小M。在弱磁环节中，最重要的是明确设置电流修正值的大小。首先，根据电机的运行曲线，明确其弱磁区(FWRl、FWR2)，然后根据弱磁区调整电流预设值。

(2)选择优化的超前角来操纵弱磁增长率

超前角弱磁控制系统是目前常见的弱磁控制措施[12]。当表贴永磁同步电机在弱磁区运行时，随着负载的增加，通常会出现以下问题： 从恒转矩区到恒功率区的过渡过程中，电流波动较大，导致速率波动，系统动态化能下降。但在恒功率区，稳定率会降低，稳定时速度和电流波动会增加，综合稳定性会较差。

1. 传统的超前角弱磁控制系统表面永磁同步电机数学模型

d－Q轴下表贴式永磁同步电机定子电压方程[13]

2．优化的 SVPWM 过调配算法

传统的超前角弱磁控制系统载入表贴式永磁同步电机运行，当给出的电机功率超过其转折率时，在升速环节中会有 d，q 轴电流的剧烈冲击导致了速率的变化，电机没有实现从恒转矩区到恒功率区的平稳过渡。剧烈的电流冲击通常会导致驱动器的过流保护，同时也会导致大逆变电路di / dt 和 dv / dt，扩大电机运行过程中的干扰信号，缩短功率器件的使用寿命。根据分析，在弱磁变速的加速环节中，电流环输出即电压命令值在某些瞬间会超过 SVPWM 由于算法的导出范围， PI 控制器固有延迟，弱磁控制的电压闭环无法快速调节电压，导致电压在某些瞬间无法控制，导致电流波动。因此，本文试图采用优化方法 SVPWM 在逆变器直流侧电压不变的前提下，过调配算法扩大其交流电流导出，提高电压损伤输出，提高弱磁变速时的动态能[15]。因此，本文试图采用优化方法 SVPWM 在逆变器直流侧电压不变的前提下，过调配算法扩大其交流电流导出，提高电压损伤输出，提高弱磁变速时的动态能[15]。

(3)内藏永磁同步电机弱磁操纵

内藏永磁电机的永磁体埋在转子铁芯内，在弱磁运行中具有去磁保护作用。因此，内藏永磁电机不易去磁，而不是表贴永磁电机。由于内藏永磁电机d轴电感超过表面永磁机，d轴电感低于q轴电感，具有磁阻转距，恒功率范围较宽，弱磁扩速水平良好[16][17]，非常适合运行、低速或上坡导出大转距、高速导出大功率、宽调速范围、高可靠车辆环境。与传统电励磁电机相比，藏式永磁同步电机具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、结构紧凑、运行可靠等显著优点，在高能、转距响应快的地方具有良好的应用价值。因此，在电动汽车中使用永磁同步电机已成为一种发展趋势[18]。

1． 内藏式永磁同步电机移相弱磁控制方法

图5是本设计提出的弱磁控制方法方框图。

2． 具有快速动态响应的前馈弱磁控制方法

根据前馈控制的弱磁控制方法，将定子磁链的交、直轴电随转距和变化关联绘制成报告。在电机运行过程中，电机的交流和直轴电流给定值根据转距和定子磁链的标准值进行实时检查。由于该方法可以根据实际工作条件同时获得交付和直轴电流的标准值，因此可以有效地提高[20]的综合快速反应水平。

如图6所示，弱磁控制方法的完成过程主要包括四个部分。第四部分是根据逆变器直流侧电压和电机转速计算定子磁链限值。假设电压标准值为最大输出电压值，即：

第二部分是根据电机的转距和磁链标准值检查表获得电机的交流和直轴电流给定值，并实现全面的前馈控制。第三部分是根据转速的上升，立即限制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高效动态响应，但在不同交流和直轴电流的影响下，电机磁路饱和度不同。因此，不同的电机参数可以直接影响系统的弱磁操作。由于直轴磁路中有永磁体，其磁导率接近空气，不易饱和，因此直轴电流对直轴电感的影响较小；交轴电流的变化对交轴电感的危害非常明显。在永磁同步电机弱磁升速环节中，直轴电流逐渐增大，交轴电流逐渐减小。因此，在弱磁环节中，需要考虑交轴电感值LQ的变化，导致直轴参考电流id的计算误差。

三、结语

本文主要分析和探讨了无刷直流电机无相位传感器技术、转距脉冲控制和启动模式三个热点话题。根据弱磁操作，传统结构永磁同步电机和复合转子永磁同步电机可以扩大速率范围，但存在一些不足。相比之下，设计漏磁通路改变磁通路径的方法为彻底消除永磁电机弱磁问题提供了新的希望和方法。目前，这种使用漏磁通路弱磁的方法还有待深入研究。可见，现代电机行业的关键研究内容是寻找能够完美满足弱磁控制要求的新型永磁同步电机结构和控制措施。

四、参考文献

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[2] 田淳，胡育文．探索永磁同步电机直接转矩控制系统的理论和控制方案．电工

技术学，2002．01，p7-11

[3] Jang-Mok Kim，Seung—Ki Sul．Speed Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor-Drive for the Flux Weakening Operation[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33(4)：43—48．

[4] Shigeo Morimoto，Masayuki Sanada，Yoji Takeda．Wide-Speed Operation of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with High-Performance Current Regulator[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1 994，30(4)：92m-926．

[5] Jang-Mok Kim，Seung—Ki Sul．Speed Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor-Drive for the Flux Weakening Operation[J]．IEEE Transactions on Industry Applications ，1997，33(4)：43—48．

[6] Sozer，Y．Torrey，D．A．Adaptive Flux Weakening Control of Permanent Magnet Synchronous Motors[J]．The 1 998 IEEE Industry Applications Conference，1998，1(4)：475—482．

[7] Jiunn-Jiang Chen，Kan-Ping Chin．Automatic Flux-Weakening Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Using a Reduced Order Controller[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2000，5(15)：881-890．

[8] Richard F．Scllifcrl．Power Capability of Salient Pole PMSM in Variable Speed Drive Application[C]．IEEE IAS，1 998：23-31．

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[13] 于家斌、秦晓飞、郑军、王云宽．超前角弱磁控制系统的改进版本，电机和操作学报．2012．03，p101-106．

[14] 唐任远．当代永磁电机[M]．2002年机械工业出版社．

[15] 张思艳，王旭东，余腾伟．SVPWM 过度调配中操纵角算法的分析和应用．2010、12、p63电机与操作学报 －67．

[16]  W．L．Song，Nesimi Ertugrul．Field·Weakening Performance of Interior Permanent—Magnet Motors， IEEE Transactions on industry applications，2002，05， P．1251-1258

[17] T．M．Jahns．Flux Weakening Regime Operation of an IPM Synchronous Motor Drive，IEEE Transactions on Industry Applications，1987，IA-23，P68 1—689．[18] 罗德荣、孙文娇、高剑．内藏式永磁同步电机弱磁控制的简化方法．自 2012年，01年，p56-60．

[19] 郭仲奇．研究了内藏式永磁同步电机弱磁变速控制的方法．2011、05、p26-60年硕士论文．

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