表面貼永磁同步電機弱磁控制仿真研究

沈陽工業大學信息科學與工程學院　趙明航　朱建光　謝迎新

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表面貼永磁同步電機弱磁控制仿真研究

沈陽工業大學信息科學與工程學院趙明航朱建光謝迎新

【摘要】在永磁同步電機dq軸數學模型的基礎上，作者首先介紹了永磁同步電機弱磁控制原理；然后詳細闡述了永磁同步電機弱磁控策略，即在恒轉矩區采用id=0控制，在恒功率區采用基于直流電壓反饋法的弱磁控制策略，這兩種控制策略的結合不僅能夠有效地提高恒功率區的調速比，而且具有能夠實現速度的平滑過渡的優點；最后，仿真結果驗證了本文所采用的弱磁策略的有效性。

【關鍵詞】永磁同步電機；dq軸數學模型；id=0；弱磁控制；電壓反饋法

Abstract:Based on the DQ axis mathematical model of permanent magnet synchronous motor, the author first introduces the weak magnetic control principle of permanent magnet synchronous motor,and then describes the weak magnetic control strategy, which is based on DC voltage feedback control strategy. The combination of two control strategies can not only effectively improve the speed ratio, but also has the advantages of smooth transition. Finally, the simulation results verify the effectiveness of the proposed method in this paper.

Keywords:PMSM; id=0; dq axis mathematical model；flux -weakening control; voltage feedback method

0　引言

近幾年，永磁同步電動機(PMSM)是發展迅速，具有效率高、功率密度高、轉矩慣量小等優點，因此十分適合應用于高性能伺服控制系統中[1]。此外，隨著電力電子技術的發展和高性能的永磁材料不斷應用到電機中，使得永磁同步電機的抗去磁能力增強、弱磁效果有了明顯的提高，具有非常大的應用市場。所以，永磁同步電機弱磁控制的研究有著非常重要的意義[2]。

本文首先介紹了永磁同步電動機dq軸數學模型，其次分析了永磁同步電機的弱磁控制原理，然后研究了永磁同步電機的弱磁控制策略，最后在Matlab/Simulink 仿真軟件中對表面貼永磁同步電機弱磁控制系統進行了仿真和研究。仿真結果表明，本文所采用的弱磁控制策略不僅有效的提高了表面貼永磁同步電機在恒功率區的速度范圍，而且實現了恒轉矩區到恒功率區速度的平穩過度，效果明顯。

1　永磁同步電機dq軸數學模型

在建立永磁同步電機dq軸的數學模型之前，首先假設[3]：

(1)定子三相繞組對稱分布、電動機的電流為對稱的三相正弦電流；

(2)不計電機的渦流和磁滯損耗，忽略電機鐵心的飽和；

(3)轉子上無阻尼繞組，永磁體無阻尼作用；

dq軸下永磁同步電機的數學模型如下：

電壓方程：

由于表面貼永磁同步電機有Ld=Lq，因此電磁轉矩方程：

2　永磁同步電機弱磁控制原理

永磁同步電機弱磁控制的思想是將其看成直流電機來控制。首先,將三相定子電流解耦變成兩相正交的交、直軸電流，這樣永磁同步電機就可以看成是直流電機，利用直流電機控制方法進行控制；然后增加定子直軸電流，起到去磁作用，從而實現速度的擴展，即達到了弱磁擴速的目的[4,5]。

由于永磁同步電機由逆變器供電，所以其定子電流is和端電壓us都會受到逆變器輸出能力的限制。假設在dq坐標系下，電壓、電流的極限值分別為usmax、ismax，則根據上述論述可有：

永磁同步電機在高速平穩運行時，其電阻值遠遠小于電抗值，故忽略電阻上的壓降，由式(1)可知穩態下的電壓方程為：

將式(5)帶入到式(4)中，整理可得到電壓極限圓方程，如下：

由式(6)可知，永磁同步電機轉速大小與加在電機上的電壓有關，并成正比，當電機電壓達到逆變器所能輸出的最大電壓usmax時，則此時無法再通過調整電壓來獲得更高的轉速，如果想繼續升高轉速，只能通過調整交軸電流iq或直軸電流id來實現，這就是永磁同步電機的“弱磁”運行方式[6]。增加id或者減小iq都能實現弱磁效果，但一般采用增加直軸電流id的方法來實現弱磁擴速。

由式(3)和式(6)可畫出電流極限圓和電壓極限圓，如圖1所示，圖1中，曲線0A為最大轉矩/電流比曲線，也是id=0曲線。

圖1　定子電流矢量軌跡

永磁同步電動機的運行軌跡范圍會受到限制，其需要同時滿足電流極限圓和電壓極限橢圓，即電機的電流矢量is應處于兩曲線共同包圍的面積內[7]。A點對應的速度為電機的額定轉速（由圖1可知轉折速度為ωb），理想情況下，轉折速度即電機的額定轉速。假設弱磁控制的轉折速度就是電機的額定轉速，當電機轉速沒有達到轉折速度ωb時，定子電流沿著曲線OA，當定子電流達到轉折速度以后，通過調節電流矢量is，使定子電流沿著曲線AB直到B點，實現弱磁控制[8]。

3　永磁同步電機弱磁控制策略

永磁同步電機的控制方法有多種，本文在設計表面貼永磁同步電機的控制系統，采用了兩種控制方法相結合的控制策略。當電機轉速在基速以下時，采用的是id=0控制，這是表面貼永磁同步電機的最大轉矩電流比控制，使得電機能夠運行于恒轉矩區，可以獲得最大電磁轉矩；當電機轉速增至基速以上時，采用的是基于直流電壓反饋法的弱磁控制策略，這種控制策略簡單，易于實現，使得電機運行于恒功率區，拓寬了電機的調速范圍，實現了高速恒功率運行[9]。

3.1id=0控制

id=0的控制策略，是表面貼永磁同步電機的最大轉矩/電流比控制策略，能夠使電機輸出最大的恒定轉矩[9]。如圖1所示，當電流矢量運行到A點時，電機在恒轉矩區的轉速達到了最大值，電流矢量無法再沿著iq軸向上運動。此時，轉折速度為：

圖2　電壓反饋法原理框圖Fig. 2　Schematic diagram of voltage feedback method

3.2弱磁控制

如圖2所示，基于電壓反饋法實現弱磁，分為兩部分實現，即I是弱磁判斷部分，II電流分配部分。弱磁判斷原理是：將母線電壓取來與比較電壓作比較，當母線電壓小于比較電壓時，則I模塊輸出結果為0，經計算iq=is，即采用的是id=0控制；當母線電壓大于比較電壓時，模塊I的輸出結果為負值，即id增加，相應計算iq，實現了弱磁控制策略[10]。

4　系統仿真結果及分析

本文在理論分析的基礎上，結合永磁同步電機的弱磁控制策略和弱磁控制的系統總體框圖，如圖2所示，在Matlab/Simulink 中，搭建了基于直流電壓反饋法的永磁同步電機弱磁系統仿真模型，如圖3所示。其中電機模塊的參數如下：額定功率P=1.8kW,定子電阻 Rs=0.81Ω，極對數p=4，轉動慣量J=7.9×10－3kgm2，直流母線電壓Udc=191V，粘滯摩擦系數，電機額定轉速(每分鐘轉數)，額定負載轉矩。

圖3所示的仿真模型中，反饋信號的周期與SVPWM的信號周期均為1×10-4s。給定初始轉速為2600rpm，負載轉矩為5N·m,在t=0.2s，轉速突變為4400rpm,轉矩突變為3.5N·m，通過合理的調整轉速環以及電流環的PI參數，得到如圖4,5,6所示的仿真結果。由圖4可知，開始轉速為2600rpm,之后弱磁升高到4300rpm,永磁同步電機的速度范圍明顯擴大，恒功率運行區速度擴大1.43倍以上；此外，不僅轉速響應快，而且速度過度比較平滑；由圖5可知，轉矩波動幅度較小，很快趨于穩定；由圖6明顯可知，在0.2s時電機控制策略從矢量轉換成弱磁控制，系統反應靈敏；綜上所述：仿真結果比較理想。

圖3　永磁同步電機弱磁控制仿真框圖

Fig. 3Simulation block diagram ofpermanent magnet synchronous motor

圖4　轉速仿真波形

圖5　轉矩仿真波形

圖6　dq軸電流仿真波形

5　結論

本文首先分析了永磁同步電機的控制理論，并在此基礎上確定了永磁同步電機控制的兩種控制策略，之后進行了建模仿真。仿真結果表明，永磁同步電機采用弱磁控制以后，一方面可以很好地控制永磁同步電機的轉矩輸出，另一方面也有效地擴寬了恒功率區的速度范圍，而且速度過度很平滑。這些結論為實現永磁同步電機弱磁控制提供了很好的理論依據。

參考文獻

[1]高雅.劉衛國.駱光照.基于模糊控制的永磁同步電動機直接轉矩控制系統[J].微特機,2008(1):40-42,60.

[2]楊立永.付嚴偉.表貼式永磁同步電機的抗飽和弱磁控制研究[J].電氣傳動,2013(2):27-30.

[3]唐任遠等.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業出版社,1997:244-247.

[4]黃志文.沈建新.方宗喜.汪昱.用于弱磁擴速運行的三相 6/5 極永磁開關磁鏈電機的分析與優化設計[J].中國電機工程學報,2008(30):61-66.

[5]孫慧芳,高琳.李計亮,等.弱磁調速用永磁同步電機設計分析[J].微電機,2010(12):16-20.

[6]冷再興,馬志源.一種新的內置式永磁同步電機弱磁調速控制方法,微電機,2006(6):11-14.

[7]張樹團.李偉林,魯芳.張海鷹.永磁同步電機弱磁調速系統建模及仿真研究[J].船舶技術,2010(6):14-17,22.

[8]蒲文華,劉景林.永磁同步電動機直接轉矩控制系統的最大轉矩電流比控制[J].微特電機,2007(1):23-26.

[9]李耀華,劉衛國.增程式電動車用永磁同步電機弱磁控制仿真研究[J].微電機,2012,45(3):29-31,73.

[10]Jang-Mok Kim and Seung-Ki Sul,“SpeedControl ofInterior Permanent Magnet Synchronous MotorDrive for theFluxWeakening Operation,”IEEE Trans.Ind. Appl.vol. 33,pp.43-48, Jan/Feb.1997.

朱建光，男，博士，副教授。

趙明航（1991-），女，碩士，研究方向：機電裝備。

通信作者：

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