永磁同步電機弱磁調(diào)速的研究

睢丙東 韓偉

摘 要：永磁同步電機弱磁調(diào)速是現(xiàn)代電機研究的熱點之一，解釋永磁同步電機傳統(tǒng)的弱磁控制原理，研究分析傳統(tǒng)弱磁調(diào)速的主要缺陷及限制調(diào)速范圍的因素。闡述弱磁調(diào)速的研究現(xiàn)狀以及總結(jié)研究的新動向。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機;弱磁調(diào)速;調(diào)速范圍

現(xiàn)代永磁同步電機因為具有高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、較為優(yōu)秀的低速驅(qū)動性能以及較寬的調(diào)速范圍，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)驅(qū)動中。永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)大多由直流電源、逆變器、控制器和電機組成。但是永磁同步電機勵磁所采用的稀土永磁體，磁場不能被調(diào)節(jié)，因而需要采用弱磁控制的方法來提高轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電機輸出功率一定，在低轉(zhuǎn)速時扭矩的提高必然帶來額定轉(zhuǎn)速的降低，此時需要弱磁調(diào)速控制，如果保持最高轉(zhuǎn)速且穩(wěn)定，則弱磁調(diào)速的范圍也隨之提高。因此對弱磁調(diào)速能力的研究對提升整個永磁同步電機控制系統(tǒng)的性能有著重要意義。

1 弱磁調(diào)速的基本原理

永磁同步電機弱磁控制原理在于對它勵直流電動機的弱磁控制。由于PMSM的轉(zhuǎn)子是永磁體，無法通過控制勵磁電流的方法去實現(xiàn)弱磁控制，通過電流所產(chǎn)生的勵磁來抵消永磁體的磁通方向從而實現(xiàn)弱磁控制。當(dāng)轉(zhuǎn)矩恒定且電機穩(wěn)定運行時，忽略定子電子Rs，定子電壓峰值表示為：

根據(jù)（1）式可知，當(dāng)|ψs|穩(wěn)定時，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr和定子電壓成正比，且由于最大電壓值|ψs|的約束，轉(zhuǎn)速ωr受到限制，電機會達(dá)到最大轉(zhuǎn)速為ωn，稱其為轉(zhuǎn)折速度。當(dāng)需要拓寬調(diào)速范圍時，就需要使用弱磁控制的方法。如下圖為電機的轉(zhuǎn)子永磁勵磁結(jié)構(gòu)。

電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

一般去磁作用有兩種方法：1增加直流去磁電流分量;2減小交軸電流分量，可以維持電機的電壓平衡關(guān)系。以上兩種為實現(xiàn)“弱磁”效果的方法。其中電壓平衡方程為：

2 傳統(tǒng)永磁同步電機的弱磁控制限制因素

由于電機相電流有一定的調(diào)節(jié)范圍，傳統(tǒng)弱磁控制在增加電機直軸去磁電流分量的同時還要保證電機電樞電流不能超過最大值，因而交軸電路分量就會減小。這種方法能夠拓寬電機的弱磁范圍，但卻犧牲電機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩范圍。

永磁同步電機弱磁控制的主要限制因素在于其磁路結(jié)構(gòu)的特殊性。永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多種多樣，但無論哪種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體總是和電機的直軸磁路串聯(lián)在一起，都占據(jù)交軸磁路部分空間，導(dǎo)致等效磁路的氣隙變大。使弱磁控制只能通過削弱永磁體磁通的小部分，無法滿足恒定功率下較寬弱磁調(diào)速范圍的需求。其電勢表達(dá)關(guān)系為：

式中E0為電機單位速度下的反電勢（V）;Xd為電機單位速度下的直軸電抗（Ω）;IN為電機額定電流（A）。

3 弱磁調(diào)速研究現(xiàn)狀及動向

針對矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制這兩種控制的弱磁控制得到了廣泛的研究和應(yīng)用。下面主要介紹四種控制方法：

（1）前饋弱磁控制策略。Thoms M.J[5]提出了前饋弱磁的方法。前饋控制可以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)，解決了永磁同步電機從恒轉(zhuǎn)矩工況到弱磁工況的切換問題。文獻(xiàn)[5]中提出的快速動態(tài)前饋弱磁控制策略，該方法讓交、直軸電流隨轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的變化關(guān)系生成表格，同時查表法得出電機交、直軸電流給定值?？梢婋姍C控制對電機參數(shù)的依賴性。

（2）超前角弱磁控制算法。[2]通過控制電子中的直流分量從而實現(xiàn)弱磁控制。采用運算量小的SVPWM過調(diào)制算法，同時使用q軸電流誤差閉環(huán)代替電壓閉環(huán)的弱磁控制。能夠有效的減小動態(tài)過程中的電流震蕩，且提高了弱磁階段的帶載能力。

（3）過調(diào)制技術(shù)拓展弱磁范圍。文獻(xiàn)[6]利用過調(diào)制技術(shù)，根據(jù)電壓矢量作用得到調(diào)制點，根據(jù)查表法確定調(diào)至比，進(jìn)而實現(xiàn)過調(diào)制算法。在電機弱磁控制的過程中，提高母線電流的利用率用以提高電機轉(zhuǎn)折速度，增加電機弱磁運行時的輸出功率和轉(zhuǎn)矩。

（4）六步電壓法。Bimal.K.Bose[7]提出此方法。此方法利用電機功角的改變來達(dá)到改變轉(zhuǎn)矩的目的，此方法對電機參數(shù)依賴小，并且可有效地利用直流母線電壓。但系統(tǒng)的定子磁鏈需要估計，且轉(zhuǎn)矩計算需要功角的情況。

4 結(jié)論

即便許多的國家在弱磁控制方面有很多研究成果，但仍有部分缺陷影響著弱磁控制的效率。矢量弱磁控制和直接轉(zhuǎn)矩弱磁雖均能實現(xiàn)弱磁控制，但實際應(yīng)用中對電機參數(shù)依賴性過高的問題。對于電機而言，電機的永磁結(jié)構(gòu)隨能解決了弱磁的問題，卻使得控制方面更加復(fù)雜。可見未來探索弱磁控制和永磁同步電機依然是重要的研究方向之一。

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[7]Bose，Sutherland.A High-Performance Pulsewidth Modulator for an Inverter-Fed Drive System Using a Microcomputer[J].1983.