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考虑参数变化的永磁同步电动机弱磁控制研究

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永磁同步电机弱磁与过调制控制策略研究

永磁同步电机弱磁与过调制控制策略研究

永磁同步电机弱磁与过调制控制策略研究陈亚爱;陈焕玉;周京华;甘时霖【摘要】在前入研究的基础上,提出了一种提升永磁同步电机(PMSM)高速带载能力的控制策略.该控制策略能克服电机在最高转速时无法带载的弱点,可靠性高、易于实现.实现该控制策略的算法包含PMSM的弱磁控制和电压空间矢量的过调制控制,使电机能宽范围带载调速.为验证该控制策略,建立了内置式永磁同步电机(IPMSM)的仿真模型,搭建了试验平台,并进行了仿真和试验研究,验证了该控制策略的可行性和有效性.%On the basis of previous research,the control strategy of permanent magnet synchronous motor (PMSM) with high speed of load capacity was promoted,and the control strategy could overcome the weakness that the motor at the highest speed could not be loaded,high reliability and easy to implement.The algorithm of the control strategy includes the weak magnetic control of PMSM and the over modulation control of voltage space vector,so that the motor could be controlled in a wide range of speed.In order to verify the control strategy,the simulation model of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) was built,the experimental platform was built,the simulation and experiment were carried out,and the feasibility and effectiveness of the control strategy were verified by simulation and experiment.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)011【总页数】7页(P26-31,37)【关键词】永磁同步电机;弱磁控制;过调制;控制策略;宽范围带载调速【作者】陈亚爱;陈焕玉;周京华;甘时霖【作者单位】北方工业大学电力电子与电气传动工程中心,北京 100144;北京纵横机电技术开发公司,北京 100081;北方工业大学电力电子与电气传动工程中心,北京100144;国家电网北京市电力公司顺义供电公司,北京 101004【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)转子安装方式可分为表贴式和内置式。

永磁同步电机弱磁调速技术研究

永磁同步电机弱磁调速技术研究

-I-
哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文
Abstract
At present the alternating electric spindle, which use the permanent magnet synchronous motor (PMSM) as the core component, is widely used in high precision processing manufacturing equipment. Therefore, to broaden the speed range is important for improving the manufacturing accuracy and efficiency. Since the flux weakening technique could broaden the speed range, it get more and more attention. Hence, choosing the proper motor and drive system to achieve the flux weakening control has important theoretical significance and practical value. The research is based on the stator shunt tooth structure PMSM and then does the research on the vector control(VC) technique related to the flux weakening(FW) control. The main research contents in the following aspects: First of all , use the magnetic circuit model to analysis the motor maniacal structure factor of the flux weakening performance. Use the field and magnetic circuit combine technique to analyze the improvement of flux weakening performance of the shunt tooth structure, then puts forward the stator shunt tooth structure PMSM mathematics model in the condition of constant power. Secondly, the paper derives the stator shunt tooth structure PMSM’s electromagnetic constraint conditions, divides the speed adjust areas, does research on the voltage constraint considering the stator resistance and derives one advanced model, design the flux weakening speed adjust strategy in the whole speed operation range combining the characteristics of the stator shunt tooth structure, verify the control strategy through Simulink. Again, based on the research of the flux weakening control algorithm, the paper do some research on the PMSM drive system, gives the calculation method of the current loop parameter and puts forward the seven segment space vector modulation method to restrain the motor stator current harmonic, puts forward the voltage vector time standard MAO threshold concept in order to improve the algorithm’s operation effic iency. Finally, based on the former analysis of the theoretical technology, build the PMSM flux weakening speed regulation system hardware platform, and write control algorithm and do some experiment to verify the flux weakening control algorithm. It shows that the algorithm is correct and effective. Keyword: Stator shunt tooth, Permanent Magnet Synchronous Motor, Flux Weakening, Space Vector modulation

永磁同步电机单电流调节器弱磁控制策略优化

永磁同步电机单电流调节器弱磁控制策略优化

Feb. 2021Vdl.2& No.22021年2月 第28卷第2期控制工程Control Engineering of China文章编号：1671・7848(2021)02・0327・08DOI: 10.14107/j .cnki.kzgc.20190341永磁同步电机单电流调节器弱磁控制策略优化石讯1,易映萍 >,石伟2(1.上海理工大学机械工程学院，上海200093； 2.许继集团有限公司，河南许昌461000)摘要：针对电压角度法单电流调节器弱磁控制策略带来的内环稳定性下降问题，采用小 信号模型法推导了使用该控制策略时电机的传递函数，证明了控制系统本质上是一个非最 小相位系统。

针对使用该控制竟略时内置式电机参数特性导致的开环极点接近虚轴的问题，提出采用PD 控制器前馈补偿策略。

针对电机弱磁控制过程中极点改变导致传统PID 控制器参数整定不合理的问题，基于内模控制原理，提出采用变参数PID 控制器的弱磁控制罠略。

仿真与实验结果表明，所提出的方法可以有效提高使用电压角度法单电流调节器 弱磁控制罠略时电流内环的稳定性。

关键词：永磁同步电机；单电流调节器弱磁控制策略；电压角度法；非最小相位系统；变 参数PID 控制中图分类号：TP29文献标识码：AOptimization of Single Current Regulator Flux-weakening Control Strategy forPermanent Magnet Synchronous MotorSHIXun 1, YI Ying-ping 1, SHI Wei 2(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)Abstract: Aiming at the problem of decreased stability of the inner loop caused by the voltage angle methodsingle current regulator flux-weakening control strategy, the small signal model method is used to derive thetransfer function of the motor when the control strategy is used, which proves that the control system isessentially a non-minimum phase system. Aiming at the problem that the open-loop pole is close to the virtualaxis caused by the interior motor parameter characteristics when using this control strategy, a PD controllerfeedforward compensation strategy is proposed. Aiming at the problem that the parameter setting of thetraditional PID controller is unreasonable due to the pole change in the motor flux-weakening control process,based on the principle of internal model control, a flux-weakening control strategy using variable parameterPID controller is proposed. Simulation and experimental results show that the proposed method can efifectivelyimprove the stability of the current inner loop when the voltage angle method is used for single currentregulator flux-weakening control strategy.Key words: PMSM; single current regulator flux-weakening control strategy; voltage angle method;non-minimum phase system; variable parameter PID control1引言由于转子永磁体安装位置的不同，内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronousmotor, EPMSM)相对于表贴式永磁同步电机具有更加稳定的转子机械结构。

永磁同步电机弱磁最优控制策略研究

永磁同步电机弱磁最优控制策略研究

永磁同步电机弱磁最优控制策略研究GONG Jinbiao;SHI Huoquan【摘要】针对永磁同步电机(PMSM)在恒转矩区起动能力差、在恒功率区电流轨迹不易跟踪等问题,提出基于电压反馈复合电流前馈的定子电流弱磁最优控制策略.通过判断电流前馈环节达到稳定时所需的电流与采用最大转矩电流比(MTPA)算法所得电流大小,使定子电流在恒转矩区通过电流前馈作用快速跟踪MTPA曲线,加快起动;在恒功率区采用电压反馈复合电流前馈的策略,增强系统抗干扰能力的同时最大化直流母线电压利用率.为了验证该策略的可行性,搭建PMSM仿真模型,构建以dSPACE1007为核心的试验平台,对其进行仿真和试验,结果表明了该策略的稳定性和有效性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2019(046)004【总页数】6页(P32-37)【关键词】永磁同步电机;弱磁控制;最大转矩电流比;电压反馈复合电流前馈【作者】GONG Jinbiao;SHI Huoquan【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TM3410 引言内置式永磁同步电机(IPMSM)因其良好的功率密度和工作效率被广泛应用于各种工业场合[1]。

优化的控制策略通过适当控制电流矢量可以实现电机高利用率。

在基速范围内，最大转矩电流比(MTPA)控制策略可以实现铜耗最小化。

在需要宽速度范围运行的应用，比如电动汽车，在弱磁控制策略中利用永磁体励磁，使电机高速稳定地运行在恒功率区[2]。

对IPMSM进行弱磁区控制策略的研究有重要意义。

在传统IPMSM中，不能直接控制磁通量,只能通过去磁效应减弱气隙磁通量d轴电枢反应电流[3]。

通常采用电流前馈、电压反馈或混合弱磁方法扩展永磁同步电机(PMSM)的运行区域。

电压反馈弱磁控制是通过适当的闭环直接控制逆变器输出电压[4]。

文献[5]通过电压反馈研究不同PMSM控制系统在弱磁控制区域的变化，阐释了弱磁控制特性的参数变化以及转矩限制对弱磁控制的影响。

永磁同步电动机弱磁调速控制

永磁同步电动机弱磁调速控制

1.1 永磁同步电机简介
由于高性能电机控制理论和电力电子技术以及微机控制技术的迅速发展，永磁 (PM)电机以其高效性，高转矩惯量比，高能量密度而得到了更多关注。 PM电机通常分为两类： 永磁无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。 BLDC 通常具有梯形波反电势波形，如图1.1b)。梯形波反电势由定子集中绕组和方波充磁的 表面磁铁产生。其转子位置的测量可以非常方便地利用反电势的测量得到，控制方式 简单。但存在转矩脉动,换相间存在冲击电流，一般不太适用于高性能驱动。
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
ωr
+
ωf
−
PI
Tr
+
dT −
Hystersis controller
ψf
32
4
56
1
ia
ib
Tf
ψf
1
Ψ, T
Controller
VDC ia ib
s
encoder
PMSM
（c） 直接转矩控制器 图 1.3 PMSM 的主要控制方法 1.2.1 VVVF 控制 VVVF控制策略的控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将参考 电压和频率输入到实现VVVF的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施 加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。逆变器所用的调制方 式为脉冲宽度调制(PWM)。PWM可以有多种不同的实现方式，如空间矢量调制 (SVPWM)。PMSM的VVVF控制方框图如图1.3(a)所示。 这种控制方法无需从电机引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属于开环 控制。这种控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何 反馈信号，因此不能即时捕捉电机状态，无法对电机进行精确的电磁转矩控制。由于 仅使用一个调节器实现对输入电压和磁链的调制，将导致输入电压、频率信号和电机 最终的转矩、速度反应之间的通讯速度降低，使电机的响应变慢。这种驱动系统仅适 用于风机、水泵之类无需精确控制的场合。 1.2.2 磁场定向矢量控制 Blaschke在1971年发表了第一篇有关异步电机(IM)的矢量控制(VC)的方法，之后 该方法被应用于PMSM中。这种控制方法目前已经全面发展并在工业上被认为是较成

永磁同步电机弱磁控制理论研究

永磁同步电机弱磁控制理论研究

图 6 普通弱磁区域电流矢量轨迹（圆心在内） 3.3 最大功率输出区域 如图 7 所示，永磁同步电机的电压极限椭圆中心 M 在电流 极限圆的内部时，最大功率输出轨迹与电流极限圆必有交点 B， 随着转速的升高，电流矢量从 A 点变化到 B 点后将沿着最大功 率输出轨迹变化，直至椭圆中心 M 点。M 点为电机在该区域的极 限运行点，此时在理想状态下永磁体的磁链被完全抵消，电机的 转速能够达到无限大。
图 1 永磁同步电机 dq 轴坐标系模型 将电流矢量在 dq 轴系下进行分解，其中 d 轴电流的作用是 影响定子磁链。当永磁同步电机工作电压达到极限后，使 d 轴电 流变为负值，对永磁体励磁磁场产生削弱作用，从而减小电压矢 量幅值，使得电机转速可以继续上升，所以将这一过程称为弱磁 控制[2]。 2 电压极限椭圆和电流极限圆 受永磁同步电机逆变器容量的限制，定子电压和相电流不 能无限制增大，即可得到电机在运行过程中电压和电流的约束 条件[3-4]。 将三相静止坐标系中的电压方程通过坐标变换矩阵可以得
（3）
Hale Waihona Puke 蓘 蓡 （Lqiq）2 +（ψf+Ldid）2≤
ulim ωr
2
在 dq 轴系的电流平面内电流矢量满足条件：
（4）
i2s=i2d+i2q≤i2lim
（5）
通过分析可以发现，对于凸极式永磁同步电机，dq 轴电感之
比 Lq/Ld 一般大于 1，电流极限方程（5）在 dq 轴系内是一个以坐
标原点 O 为圆心的圆，电压极限方程（4）表示为一个椭圆，该椭
关键词：永磁同步电机；弱磁控制；约束条件；运行区域
永磁同步电机弱磁控制理论研究
衢州职业技术学院机电工程学院 郑丽辉 方晓汾

永磁同步电机弱磁与过调制控制策略研究

和有 效 性 。
关键词 ： 永磁 同步 电机 ；弱磁控制 ；过调 制 ； 控制策略 ； 宽范 围带载调速
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ６ ５ ４ ０ （ ２ ０ １ ７ ） １ １ — ０ ０ ２ ６ — ０ ６
Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｙ ａ ａ ｉ ， Ｃ Ｈ ＥＮ Ｈｕ ａ ｎ ｙ ｕ ， Ｚ ＨＯＵ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ， Ｇ Ａ Ｎ Ｓ ｈ ｉ ｌ ｉ ｎ
（ １ ． Ｔ ｈ ｅ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｓ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ， Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ４ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｚ ｏ ｎ ｇ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｂ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
２ ． 北京 纵横机 电技 术开发 公 司 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ；
术 பைடு நூலகம்
３ ．国家电 网北 京 市电力公 司顺 义供 电公 司 ， 北京 １ ０ １ ０ ０ ４ ）
摘 要： 在前人研究 的基础上 ， 提 出了一种提升永磁 同步 电机（ Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ） 高速带载能力 的控 制策略 。该控

永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究

永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究摘要永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。

基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。

本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。

关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机一、永磁同步电机弱磁控制研究现状1．永磁同步电机及其控制技术的发展任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。

直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直,互相影响。

因此，交流电机的转矩控制性能不佳。

经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有:矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等［1］。

1．1 矢量控制1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理,经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统.矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能.1．2 恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出进行控制，使电机以一定的转速运转。

但是它依据电机的稳态模型,从而得不到理想的动态控制性能。

要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型,永磁同步电机的动态数学模型是非线性、多变量，它含有角速度与电流或的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。

永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究

永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究摘要：永磁同步电机作为一种新型的高效率电机，广泛应用于各个领域。

然而，在一些应用场景下，如机械载荷突变、运行参数的快速变化等，永磁同步电机的直接转矩控制存在一定的局限性。

为解决这个问题，本文针对永磁同步电机直接转矩控制中的转矩控制策略进行了研究和分析。

通过对永磁同步电机工作原理及转矩控制策略进行深入研究，提出了一种基于弱磁模型的转矩控制方法，旨在提高永磁同步电机在快速变化负载的工况下的运行性能。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；弱磁模型；运行性能第一章引言永磁同步电机作为一种高效率、高功率密度的电机，具有转矩密度大、响应时间短等优点，已被广泛应用于汽车、船舶、风力发电等领域。

然而，在一些特殊的工况下，如机械载荷突变、运行参数的快速变化等，直接转矩控制策略存在转矩跟踪性差、系统不稳定等问题。

因此，研究永磁同步电机直接转矩控制策略，提高其在复杂工况下的运行性能，具有重要的理论和应用价值。

第二章永磁同步电机工作原理2.1 永磁同步电机结构及工作原理2.2 直接转矩控制策略简介2.3 存在的问题及其原因第三章转矩控制策略研究3.1 弱磁模型理论在弱磁模型理论中，通过引入额外的励磁电流，使磁场的强度减小，从而实现转矩控制。

该方法能够有效地应对转矩的突变，提高了系统的鲁棒性和稳定性。

3.2 弱磁模型在直接转矩控制中的应用在直接转矩控制策略中，通过优化弱磁模型的参数，使永磁同步电机在变化负载下有更好的控制效果。

通过实验验证，该方法能够提高永磁同步电机的转矩响应速度和跟踪性能。

第四章实验与结果分析4.1 实验平台及参数设置4.2 弱磁模型的控制效果分析通过对永磁同步电机在不同负载下的实验测试，对比分析了传统直接转矩控制与弱磁模型转矩控制的性能指标，结果显示弱磁模型转矩控制方法在转矩响应时间和跟踪性能上均优于传统方法。

第五章结论与展望通过研究与实验分析，本文提出了一种基于弱磁模型的永磁同步电机直接转矩控制策略。

永磁同步发电机弱磁控制策略的研究

永磁同步发电机弱磁控制策略的研究邓建国;蔡亚辉;黄守道;张洪彬【摘要】本文在转子磁链定向矢量控制的研究基础上,提出了一种基于直轴电压外环PI调节器的弱磁控制策略来解决永磁同步发电机PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)在高速运行、负载增加时,交轴电枢反应增大使得发电机输出端线电压幅值超出直流母线电压这一问题,并引入电流前馈调节环节,削弱系统扰动对控制性能的影响.最后,对本文所提的控制算法进行仿真及实验验证,证明了所有控制策略的有效性.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P7-10)【关键词】永磁同步发电机;弱磁控制;直轴电压外环;电流前馈调节【作者】邓建国;蔡亚辉;黄守道;张洪彬【作者单位】湖南大学国家电能变换与控制技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制技术研究中心,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TM3510 前言永磁同步发电机（PMSG）以其构造简单、体积小、重量轻、高效率和可靠性的优点，广泛用于各工业领域[1]。

永磁同步电机的控制策略有多种，在额定转速下，一般采用控制。

然而对于某些特定场合，系统对电机调速范围有了更高的要求，有时需运行在额定转速以上。

针对此种情况，需要采取弱磁控制来提高电机转速。

弱磁控制目前广泛用于永磁电动机调速系统中，在电动机端电压达到逆变器直流侧最大值后，通过减弱电动机磁场使电机转速升高，可以使电机运行在额定转速以上，从而满足恒功率控制和宽调速范围运行。

基于弱磁扩速的基本思想，学者们提出了许多控制策略用来改善弱磁控制性能，如六步电压法，自适应弱磁控制法等[2, 3]。

然而针对永磁发电机系统的弱磁控制研究的相关文献却比较少。

本文从永磁同步发电机的数学模型出发，在双闭环矢量控制的基础上提出了直轴电压外环PI调节器弱磁控制策略，并引入电流前馈调节环节来改善电机控制性能。

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上面的这条规则蕴涵着如下模糊关系，其关
系如表１所示。
表１模糊控制规则表
≮／Ｘｒ心（ｋ一”１Ｎ ＰＢ ＰＭ ＰＳ Ｚ ＮＢ ＮＭ ＮＢ
Ｐ
ＮＢ ＮＭ ＮＳ Ｚ ＰＳ ＰＭ ＰＢ
Ｎ
ＰＢ ＰＭ ＰＳ Ｚ ＮＳ ＮＭ ＮＢ
ＲＦ＝Ａｉ×缉×Ｃｋ
（４）
对于任意时刻，ｉ。（ｋ）和△ｒ（ｋ一１）经量化后
对应的模糊量为Ａ‘和Ｂ．［４｜：
（１０）
∑Ｄ’（Ｑ）
将得到的Ｄ量化到△ｒ（后）整数论域中的精确量，
得到控制器输出的△ｒ（后）为Ｈ］：
／ｘｒ（ｋ）：警ｃ：ＫｓＤ
（１１）
图８转矩与转速关系曲线
图９磁链轨迹
图８是引入转矩模糊控制器得到的转矩和转速
关系波形。在仿真中可以引入所谓的真实转矩。
图１０给出了分别采用传统弱磁控制方法、文献 ［２］弱磁方法以及基于转矩模糊控制的弱磁控制方 法得到的转矩转速关系与真实转矩转速关系对比 图。仿真所用电机的部分参数为：“＝２２０ Ｖ，，Ｎ ＝１０ Ａ，瓦＝２０ Ｎ。ｍ，ｎＮ＝１ ５００ ｒ／ｒａｉｎ，～２ ２， Ｒ．＝２．１９Ｑ，￡ｄ＝０．５ｅ一３Ｈ，Ｌ＝１．７５ｅ一２Ｈ。蛾 ＝０．３５ Ｗｂ。采用了转矩模糊控制器可以使给定转
１ 弱磁原理
１．１ 电流极限圆和电压极限椭圆 永磁同步电动机稳态运行时，端电压“。和定子
电流ｉ。都要受到限制，不能超出极限值ｋ和，哪，
即需要满足约束条件¨ｏ：ｉ。≤毛一；配。≤阢～。 当电机稳态运行时，电压方程中的微分项等
于零，即￡护屯＝０、￡。ｐｉ。＝０；又由于弱磁运行时 电机转速相对较高，电阻值远小于电抗值，电阻 上的电压降常忽略不计，即Ｒ。ｉ。＝０和Ｒ。ｉ。＝０。根
矩较好地跟踪电机实际转矩，从而克服了由于电
机参数变化而带来的给定转矩与实际转矩之间存 在偏差的缺陷，改善电机弱磁性能。但是转矩模
·３０·
万方数据
考虑参数变化的永磁同步电动机弱磁控制研究冯江华，等
糊控制器存在调节时间相对较长的弱点，对于系 统响应速度有一定影响，同时模糊规则是通过仿 真过程中假定电机参数各种变化情况下得到的， 与实际工程而言存在一定的局限性。
由于电机参数变化的复杂性，无法准确建立 电机转矩输出能力关于电机参数的表达式。为了 能使给定转矩较好地跟踪电机实际转矩输出能力， 本文提出了如图５所示的转矩模糊控制器。其中ｒ 为由恒功率曲线得到的转矩给定值，ｒ’为最后系 统的转矩给定值。选择影响电机参数较严重的交 轴电流变化量Ａｉ。和前一次转矩变化量△ｒ（Ｊ｝一１） 作为模糊控制器的输入量。两者的隶属度函数分 别如图６和图７所示。
收稿日期：２００７－０４－２３ ·２３·
万方数据
据永磁同步电机的数学模型，得到以定子电流分
量ｉｄ和ｉ。为坐标轴的电压极限方程Ｈ］：
，，
（Ｌｆｉｄ＋败）２＋（Ｌｑｉｑ）２≤（兰唑）２
（１）
Ⅲｅ
根据永磁同步电机的磁链方程，可以得到永
磁同步电动机的定子磁链、转速以及电压极限值
之间的关系：
蛾∞。≤Ｕ一
（２）
Ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｓ ＶａＣａｔｉｏｎ
ＦＥＮＧ Ｊｉａｎｇ·ｈｕａｌ，ＧＵＩ Ｗｅｉ—ｈｕａｌ，ＸＵ Ｊｕｎ—ｆ．ｅＩｌ９２ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｓｈａ ４１００８３，
微电机
中图分类号：ＴＭ３４１ ＴＭ３５１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１捌８（２００８）０４－００２８一０４
考虑参数变化的永磁同步电动机弱磁控制研究
冯江华１，桂卫华１，许峻峰２
（１．中南大学信息科学与工程学院，长沙４１００８３；２．中国南车株洲电力机车研究所，株洲４１２００１）
摘要：永磁同步电动机的弱磁控制是通过增加定子直轴负向电流，利用直轴电枢反应使电机 气隙磁场减弱，达到等效于减弱合成磁场的效果以实现弱磁增速的目的，这就造成弱磁运行时， 转速越高对应的直轴负向电流越大，即电枢反应越严重。直轴电枢反应严重影响着直轴同步电 感，同时交轴电流也在一个较大的范围内变化，交轴电流的变化也影响着交轴同步电感和永磁 体产生的磁链。当电机参数在运行过程中发生较大变化时，便造成了转矩给定值和实际系统的 转矩输出能力之间存在一定的偏差，使得系统无法跟踪指令值，导致整个系统性能下降。当电 机参数发生变化时，为了提高系统的控制性能，本文提出了转矩模糊控制器，从而使给定转矩 较好的跟踪电机实际转矩输出能力。 关键词：永磁同步电动机；弱磁控制；参数变化；转矩模糊控制器
为了提高系统的控制性能，必须考虑电枢反应对 电机参数的影响，以确保弱磁控制的可靠运行。根据 文献［２］可以得到永磁同步电动机在考虑电枢反应时， 永磁磁链和交直轴同步电感随电流变化的关系：
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‘９
０ ０．０５０．１ ｏ．１５０．２０．２５０．３０．３５０．４０．４５０－５ 帆／Ｗｂ
由式（１）可知，永磁同步电动机的电压极限方
ｔＤ
程是以点（一Ｆｒｆ，０－）为中心，随转速升高长短径成
Ｌｄ
比例缩小的椭圆族，如图１所示。永磁同步电动机
的电流极限方程为艺＋ｉ：≤ｔ。电流极限方程是
考虑参数变化的永磁同步电动机弱磁控制研究冯江华，等
以点（Ｏ，０）为圆心、且最大半径为ｋ的圆。
转速升高 图１电压电流极限
图３哆一６平面控制轨迹对比图
图４转矩转速关系对比图
３基于转矩模糊控制器的永磁同步电 动机弱磁控制
根据文献［２］得到的电机参数变化规律，虽然
·２夕·
万方数据
微电机
能够在一定程度上跟踪电机的实际转矩输出能力， 但是电机在运行过程中参数的变化情况很复杂， 例如，由于温升、集肤效应、饱和等现象导致的原 理性的参数变化，由于暂态、电源幅值及频率变动、 负载等变化导致的运行参数变化，还有随时间产生 参数变化。文献［２］的试验方法只能反映电机参数 变化的趋势，并不能确切描述电机参数的变化规律， 因此具有一定的局限性。按照该方法获得的转矩并 不能完全反映电机的实际转矩输出能力。
图１０三种弱磁控制方法的转矩转速关系 与真实转矩转速关系对比图
４结论
针对弱磁运行过程中电机参数变化范围大的 特点，本文分析了弱磁过程中电机参数变化对弱 磁性能的影响。但是电机在运行过程中参数的变 化情况很复杂，依据电机参数变化规律实现的弱 磁控制方法在跟踪电机实际转矩输出能力上具有 一定的局限性。由于电机参数变化的复杂性，无 法准确建立电机输出转矩关于电机参数的表达式。 本文提出了基于转矩模糊控制器的永磁同步电动 机弱磁控制，从而使转矩指令能更准确地跟踪电 机实际输出转矩，确保了弱磁控制的准确性。
∥ｆ＝峨一０．５（ｉ。一１．０） （ｉ。＞１．０）
式中，Ｌ’扑Ｌ’。和∥，分别为考虑电机参数变化时
永磁同步电动机的直轴同步电感、交轴同步电感
和永磁体产生的磁链。
将以上参数代人电动机的磁链方程和转矩方程，
可得考虑参数变化后ｒ一也和艿一蛾平面控制轨迹和
转矩与转速的对应关系，分别如图２一图４所示。
从图２一图４可知，考虑参数变化时同样的磁
图５转矩模糊控制器
图６ ＡＴ（ｋ一１）隶属度函数
一１０—６－．２０ ２
６
１０
图７ Ａｉ。（．｜｝）隶属度函数
模糊逻辑控制规则采用工程上应用最广泛的
ＣＲＩ直接法【３】。具体推理过程为：
ｉｆＡ＝ＡｆａｎｄＢ＝ｓｊ，ｔｈｅｎ Ｃ＝ＣＩ
（３）
其中，ｆ＝一７，一６，…，６，７；Ｊ＝一１，１；ｋ＝
一７，一６，…，６，７（将ＡＴ（ｋ）和Ａｉ。（Ｊｉ｝）分别量 化为１５个等级，△Ｔ（ｋ一１）量化为两个等级）。
Ａｆ＝（与＋芝＋，．一，＋丢”一，＋等）（５）
％２面１
（６）
其中，Ｌ＝－７，－６，…，６，７；Ｍ＝一１，１。
对以上输入，基于式（３）的规则得到的推理结
果为‘４１：
Ｄ’＃（口）＝（Ａｆ×曰二）Ｒ＃
（７）
展开式（９）可以得到：
Ｄ’ｇ（Ｑ）＝ｒａｉｎ［“＾（Ｌ），Ⅱ。（肘），“Ｄ（口）］（８）
其中Ｑ＝－７，－６，…，６，７。
ｃｕｒｒｅｎｔ．ｎｅ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｕｓｅｓ ｔｗｏ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＰＭＳＭ ｖａｒｙ ｉｎ
ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ，ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＰＭＳＭ ｒｅｄｕｃｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒ０１． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＡ蔓ＤＴＣ ｆｌｕｘ．ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ。ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｎｅｗ ｆｕｚｚｙ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｍｍａｎｄ ｎｅａｒ ｔｏ ＰＭＳＭ ｒｅａｌ ａｂｉｈｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；Ｆ／ｕｘ－ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ； Ｆｕｚｚｙ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
将全部推理结果按Ｍａｍｄａｎｉ多输入多规则法
进行合成Ｈｏ
Ｄ’（Ｑ）＝ＵＤ’＃（Ｑ）
（９）
式（９）中的推理结果Ｄ‘（Ｑ）仍是一个模糊量，还
需采用重心法由Ｄ’（Ｑ）选取一个最能代表这个模