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永磁同步电机弱磁调速的研究

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睢丙东韩伟

摘要：永磁同步电机弱磁调速是现代电机研究的热点之一，解释永磁同步电机传统的弱磁控制原理，研究分析传统弱磁调速的主要缺陷及限制调速范围的因素。阐述弱磁调速的研究现状以及总结研究的新动向。

关键词：永磁同步电机;弱磁调速;调速范围

现代永磁同步电机因为具有高转矩密度、高效率、较为优秀的低速驱动性能以及较宽的调速范围，已经被广泛的应用于电动汽车的驱驱动中。永磁同步电机调速系统大多由直流电源、逆变器、控制器和电机组成。但是永磁同步电机励磁所采用的稀土永磁体，磁场不能被调节，因而需要采用弱磁控制的方法来提高转速。

当电机输出功率一定，在低转速时扭矩的提高必然带来额定转速的降低，此时需要弱磁调速控制，如果保持最高转速且稳定，则弱磁调速的范围也随之提高。因此对弱磁调速能力的研究对提升整个永磁同步电机控制系统的性能有着重要意义。

1 弱磁调速的基本原理

永磁同步电机弱磁控制原理在于对它励直流电动机的弱磁控制。由于PMSM的转子是永磁体，无法通过控制励磁电流的方法去实现弱磁控制，通过电流所产生的励磁来抵消永磁体的磁通方向从而实现弱磁控制。当转矩恒定且电机稳定运行时，忽略定子电子Rs，定子电压峰值表示为：

根据（1）式可知，当|ψs|稳定时，电机的转子转速ωr和定子电压成正比，且由于最大电压值|ψs|的约束，转速ωr受到限制，电机会达到最大转速为ωn，称其为转折速度。当需要拓宽调速范围时，就需要使用弱磁控制的方法。如下图为电机的转子永磁励磁结构。

電机转子结构图

一般去磁作用有两种方法：1增加直流去磁电流分量;2减小交轴电流分量，可以维持电机的电压平衡关系。以上两种为实现“弱磁”效果的方法。其中电压平衡方程为：

2 传统永磁同步电机的弱磁控制限制因素

由于电机相电流有一定的调节范围，传统弱磁控制在增加电机直轴去磁电流分量的同时还要保证电机电枢电流不能超过最大值，因而交轴电路分量就会减小。这种方法能够拓宽电机的弱磁范围，但却牺牲电机恒转矩调速范围和输出转矩范围。

永磁同步电机弱磁控制的主要限制因素在于其磁路结构的特殊性。永磁同步电机转子结构多种多样，但无论哪种转子结构的永磁体总是和电机的直轴磁路串联在一起，都占据交轴磁路部分空间，导致等效磁路的气隙变大。使弱磁控制只能通过削弱永磁体磁通的小部分，无法满足恒定功率下较宽弱磁调速范围的需求。其电势表达关系为：

式中E0为电机单位速度下的反电势（V）;Xd为电机单位速度下的直轴电抗（Ω）;IN为电机额定电流（A）。

3 弱磁调速研究现状及动向

针对矢量控制和直接转矩控制这两种控制的弱磁控制得到了广泛的研究和应用。下面主要介绍四种控制方法：

（1）前馈弱磁控制策略。Thoms M.J[5]提出了前馈弱磁的方法。前馈控制可以提高系统的快速动态响应，解决了永磁同步电机从恒转矩工况到弱磁工况的切换问题。文献[5]中提出的快速动态前馈弱磁控制策略，该方法让交、直轴电流随转矩及定子磁链的变化关系生成表格，同时查表法得出电机交、直轴电流给定值。可见电机控制对电机参数的依赖性。

（2）超前角弱磁控制算法。[2]通过控制电子中的直流分量从而实现弱磁控制。采用运算量小的SVPWM过调制算法，同时使用q轴电流误差闭环代替电压闭环的弱磁控制。能够有效的减小动态过程中的电流震荡，且提高了弱磁阶段的带载能力。

（3）过调制技术拓展弱磁范围。文献[6]利用过调制技术，根据电压矢量作用得到调制点，根据查表法确定调至比，进而实现过调制算法。在电机弱磁控制的过程中，提高母线电流的利用率用以提高电机转折速度，增加电机弱磁运行时的输出功率和转矩。

（4）六步电压法。Bimal.K.Bose[7]提出此方法。此方法利用电机功角的改变来达到改变转矩的目的，此方法对电机参数依赖小，并且可有效地利用直流母线电压。但系统的定子磁链需要估计，且转矩计算需要功角的情况。

4 结论

即便许多的国家在弱磁控制方面有很多研究成果，但仍有部分缺陷影响着弱磁控制的效率。矢量弱磁控制和直接转矩弱磁虽均能实现弱磁控制，但实际应用中对电机参数依赖性过高的问题。对于电机而言，电机的永磁结构随能解决了弱磁的问题，却使得控制方面更加复杂。可见未来探索弱磁控制和永磁同步电机依然是重要的研究方向之一。

参考文献：

[1]李春艳，于艳君，盛遵冰.永磁同步电机弱磁研究现状分析[J].黑龙江大学工程学报，2014，5（04）：89-96.

[2]胡路东，朱高剑.PMSM超前角弱磁控制的研究[J].电气自动化，2014，36（06）：19-20+45.

[3]于家斌，秦晓飞，郑军，王云宽.一种改进型超前角弱磁控制算法[J].电机与控制学报，2012，16（03）：101-106.

[4]王莹，唐任远，曹先庆，朱建光.内置式永磁同步电动机弱磁控制实验研究[J].微电机，2008，41（11）：1-4.

[5]Jahns T M.Flux-Weakening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive[J].IEEE Trans.on Ind.appl，1987，23（4）：681-689.

[6]梁振鸿，温旭辉.应用过调制技术扩展永磁同步电机运行区域[J].电工电能新技术，2003（01）：39-42.

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

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