永磁同步電機弱磁調速的研究

睢丙東 韓偉

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

關鍵詞：永磁同步電機;弱磁調速;調速范圍

現代永磁同步電機因為具有高轉矩密度、高效率、較為優秀的低速驅動性能以及較寬的調速范圍，已經被廣泛的應用于電動汽車的驅驅動中。永磁同步電機調速系統大多由直流電源、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，磁場不能被調節，因而需要采用弱磁控制的方法來提高轉速。

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

1 弱磁調速的基本原理

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的轉子是永磁體，無法通過控制勵磁電流的方法去實現弱磁控制，通過電流所產生的勵磁來抵消永磁體的磁通方向從而實現弱磁控制。當轉矩恒定且電機穩定運行時，忽略定子電子Rs，定子電壓峰值表示為：

根據（1）式可知，當|ψs|穩定時，電機的轉子轉速ωr和定子電壓成正比，且由于最大電壓值|ψs|的約束，轉速ωr受到限制，電機會達到最大轉速為ωn，稱其為轉折速度。當需要拓寬調速范圍時，就需要使用弱磁控制的方法。如下圖為電機的轉子永磁勵磁結構。

電機轉子結構圖

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系。以上兩種為實現“弱磁”效果的方法。其中電壓平衡方程為：

2 傳統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節范圍，傳統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，但卻犧牲電機恒轉矩調速范圍和輸出轉矩范圍。

永磁同步電機弱磁控制的主要限制因素在于其磁路結構的特殊性。永磁同步電機轉子結構多種多樣，但無論哪種轉子結構的永磁體總是和電機的直軸磁路串聯在一起，都占據交軸磁路部分空間，導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速范圍的需求。其電勢表達關系為：

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 弱磁調速研究現狀及動向

針對矢量控制和直接轉矩控制這兩種控制的弱磁控制得到了廣泛的研究和應用。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的快速動態響應，解決了永磁同步電機從恒轉矩工況到弱磁工況的切換問題。文獻[5]中提出的快速動態前饋弱磁控制策略，該方法讓交、直軸電流隨轉矩及定子磁鏈的變化關系生成表格，同時查表法得出電機交、直軸電流給定值。可見電機控制對電機參數的依賴性。

（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弱磁控制。采用運算量小的SVPWM過調制算法，同時使用q軸電流誤差閉環代替電壓閉環的弱磁控制。能夠有效的減小動態過程中的電流震蕩，且提高了弱磁階段的帶載能力。

（3）過調制技術拓展弱磁范圍。文獻[6]利用過調制技術，根據電壓矢量作用得到調制點，根據查表法確定調至比，進而實現過調制算法。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折速度，增加電機弱磁運行時的輸出功率和轉矩。

（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到改變轉矩的目的，此方法對電機參數依賴小，并且可有效地利用直流母線電壓。但系統的定子磁鏈需要估計，且轉矩計算需要功角的情況。

4 結論

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矩弱磁雖均能實現弱磁控制，但實際應用中對電機參數依賴性過高的問題。對于電機而言，電機的永磁結構隨能解決了弱磁的問題，卻使得控制方面更加復雜。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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