永磁同步电机弱磁调速
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永磁同步电机弱磁调速
永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告专业：电气工程及其自动化学生：学生学号:学生班号:本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。
稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。
由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。
这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。
本文主要研究容是对置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。
分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。
并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。
仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。
关键词：置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模目录永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1)一、研究的问题 (4)二、研究方法 (5)2.1 永磁电机的数学模型 (5)2.2弱磁调速原理 (6)2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (7)2.4 仿真结果 (11)三、解决效果 (12)3.1 结论 (12)3.2感悟与体会 (12)本次阅读文献报告的主要课题是研究对置式永磁同步电机弱磁调速控制的研究，报告容主要来自等，在写作过程中也参考了一些关于永磁同步电机弱磁调速控制方法设计以及弱磁性能研究等方面的资料现在从关注的问题、所用的研究方法及关注问题解决的效果三个方面来阐述报告容。
一、研究的问题近年来，随着稀土永磁材料和电子功率器件的发展，永磁同步电机获得了广泛研究。
(完整word版)永磁电机
1.论述永磁电机相对于传统电励磁电机的优缺点优点：①取消了励磁系统，降低了损耗，提高了效率；②取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠；③稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻；④电机的尺寸和形状灵活多变；⑤微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低。
缺点：①控制问题由于永磁电机是靠永磁体建立机电能量转换所需，气隙磁场永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。
永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。
②不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。
③成本问题铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。
由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。
2.画出永磁材料的特性曲线，并列出其主要参数永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。
我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。
永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。
永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。
此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。
磁能积曲线(BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。
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。
弱磁控制原理与控制方法个人总结
P D F 文件
用 使
" p d f F a c t 试 o r 用 y 本创 P r 建 版 "
电动机的定子端相电压就会升高，电流 PI 调节器的输出就会逐步接近饱和值，使调节裕量 减少，影响调节能力。
图 1-6 隐极电机定子电流矢量轨迹（ −ψ f / Ld < ilim ）
P D F 文件
用 使
" p d f F a c t 试 o r 用 y 本创 P r 建 版 "
(1-8)
弱磁控制式为满足式(1-7)，如图 1-3 所示，通过控制 id 可使逆变器输出功率不变，将电 动机运行范围扩大到高速区域。但在上述两种控制方案中，当电动机转速达到较高转速时， 电机反电势增大， 都将会导致定子端电压大于母线电压， 迫使定子电流跟踪其指令值所需的 电压差减小至 0（甚至为负） ，此时逆变器的 dq 轴电流控制器都会开始饱和，此时 dq 轴电 流控制器输出均是其限幅值从而失去控制，没有达到弱磁控制的目的。因此在实际应用中， PMSM 的弱磁控制主要是在满足电压极限椭圆和电流极限圆的基础上，调整 id 、 iq ，控制 电流矢量轨迹，避免电流调节器饱和，从而使 PMSM 由恒转矩调速平稳、快速地过渡到弱 磁工作模式。
P D F 文件
用 使
" p d f F a c t 试 o r 用 y 本创 P r 建 版 "
区间 3 为到达 A2（即输出达到最大输出功率） 后如果仍需要扩速， 则需按 A2 → A3 的 轨迹变化。但若圆心坐标（ − ψ f / Ld ，0）落在电流极限圆外即 −ψ f / Ld > ilim ，则不存在 此区间。 当电动机运行于某一转速 ω e 时，由电压平衡方程：
永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究【范本模板】
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。
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ωr
+
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−
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Hystersis controller
ψf
32
4
56
1
ia
ib
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ψf
1
Ψ, T
Controller
VDC ia ib
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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
弱磁调速
何为弱磁调速
1、在直流电机理论中，改变直流电机转速的方法有：改变电枢电压调速，减小电枢电阻、减弱主极磁通Φ调速；
2、在变频器对异步电机的调速中，当变频器的输出频率高于电机额定频率时，电机铁芯磁通Φ开始减弱，电机转速高于额定转速，此时我们称电机进入弱磁调速；
3、变频器对异步电机调速时，一旦进入弱磁调速，变频器输出电压不再改变，一般为电机额定电压。
而电机电流增大，超过额定电流，速度增大时电磁转矩减小，电机功率为恒功率，所以有人把弱磁调速又叫做恒功率调速。
弱磁调速的目的与方法
1、在额定转速以上，为了不产生过流或过载；
2、电机在弱磁调速运行时，只有保证转矩M与转速n成反比，即恒功率P运行，电流才基本不变保持额定电流；
因为：U = 4.44fNΦ , M ≈IΦ ，M = P/n ；
如：f增大2倍，Φ缩小1/2，M缩小1/2 ，n增大2倍，这个过程中电压U不变，电流I 不变，频率f增大2倍，n增大2倍，Φ缩小1/2，M缩小1/2，功率P不变。
弱磁调速注意点
理论情况是，进入弱磁调速，电机电流变化情况与负载性质有关，恒功率P运行，电流基本不变保持额定电流何为弱磁调速
因为：U = 4.44fNΦ , M ≈IΦ ，M = P/n ；
如：f增大2倍，Φ缩小1/2，M缩小1/2 ，n增大2倍，这个过程中电压U不变，电流I 不变，频率f增大2倍，n增大2倍，Φ缩小1/2，M缩小1/2，功率P不变。
弱磁调速注意点
理论情况是，进入弱磁调速，电机电流变化情况与负载性质有关，恒功率P运行，电流基本不变保持额定电流。
基于电压闭环反馈的永磁同步电机弱磁调速研究
基于电压闭环反馈的永磁同步电机弱磁调速研究王杰;谢源;谢涛【摘要】The actual operating conditions of electric vehicles were complicated,and the speed range and torque requirements of PMSM were higher.In order to improve the speed range of the built-in permanent magnet synchronous motor,the voltage closed-loop feedback field weakening control method was studied and realized.The method used the voltage utilization as a reference to construct the voltage loop,and the weak feedback was calculated by the voltage feedback signal and the command signal.Current id reference value,thus realizing the permanent magnet synchronous motor weak flux expansion.The simulation model of the field weakening control system of the built-in permanent magnet synchronous motor was established on the MATLAB/Simulink platform.The simulation results showed that the system had a wide speed range and the interval was smooth and had good response characteristics.%电动汽车对电机的调速范围要求较高,需要宽调速的控制技术.为扩大永磁同步电动机(PMSM)的调速范围,研究并实现了电压闭环反馈弱磁控制方法.该方法将电压利用率作为参考值构建电压环,通过电压反馈信号和给定指令信号计算弱磁电流的参考值idref,从而有效提高PMSM的弱磁扩速.利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建了表贴式PMSM弱磁控制系统.仿真结果表明系统有较宽的调速范围,而且区间转换平稳,具有良好的响应特性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】6页(P27-32)【关键词】永磁同步电机;弱磁控制;电压闭环反馈【作者】王杰;谢源;谢涛【作者单位】上海电机学院电气学院,上海201306;上海电机学院电气学院,上海201306;上海电机学院电气学院,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TM3410 引言永磁同步电机( Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、转动惯量小、高效率和控制性能好等优点，大量应用于工业生产、日常生活、航空航天、军事设施等领域，具有非常诱人的前景，PMSM更加适用于高精度的伺服控制系统。
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用 李计亮, 等
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用
李计亮1, 高 琳 1, 刘新正1, 梁得亮 1, 邝俊生 2, 姜 红3
( 1 西安交通大学电气工程学院, 西安 710049; 2 快速制造国家工程研究 中心, 西安 710049; 3 西安微电机研究所, 西安 710077)
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用 李计亮, 等
电压的调整是按照输出电压的基波和参考电压相一 致的原则进行, 从而保证了算法的线性度。
时, 输出电压和参考电压相位相同但幅值被限制在 六边形边界; 当 参考电压 位于区 域 3和 区域 4 时, 输出电压分别为电压矢量 V4 和 V6, 相对于参考电压 输出电压的相位和幅值都发生了变化。
立的永磁同步电机弱磁调速系统仿 真模型如下图 1 所示, 仿真系 统由转速 控制模块、弱磁控 制模块、 电流控制模块、 SVPWM 模块和反馈信号输出模块以 及永磁同步电机模块组成。其中, 转速控制模块根 据参考转速和反馈转速的差值通过 P I控制器计算定 子参考电流。电流控制模块通过 P I控制器和解耦算 法调整直轴和交轴参考电压, 从而保证直轴和交轴 电流的跟踪。永磁同步电动机模块 采用的是 SIMUL INK 自带电机模块。
因此定子电压空间矢量的幅值为
us e ( Lq iq ) 2 + ( Ld id + f ) 2
( 3)
可见电动机端电压近似正比于电机转速, 随着
转速增加使端电压达到逆变器电压极限后, 由于转
子永磁体的励磁磁势不可调, 只能通过采用施加定
子直轴去磁电流来减弱气隙磁场的方法进一步提高
转速, 此时电机工作于弱磁运行方式。 根据弱磁控制原理在 M at lab /S im ulink 环境下建
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用
李计亮1, 高 琳 1, 刘新正1, 梁得亮 1, 邝俊生 2, 姜 红3
( 1 西安交通大学电气工程学院, 西安 710049; 2 快速制造国家工程研究 中心, 西安 710049; 3 西安微电机研究所, 西安 710077)
过调制算法在永磁同步电机弱磁调速系统中的应用 李计亮, 等
电压的调整是按照输出电压的基波和参考电压相一 致的原则进行, 从而保证了算法的线性度。
时, 输出电压和参考电压相位相同但幅值被限制在 六边形边界; 当 参考电压 位于区 域 3和 区域 4 时, 输出电压分别为电压矢量 V4 和 V6, 相对于参考电压 输出电压的相位和幅值都发生了变化。
立的永磁同步电机弱磁调速系统仿 真模型如下图 1 所示, 仿真系 统由转速 控制模块、弱磁控 制模块、 电流控制模块、 SVPWM 模块和反馈信号输出模块以 及永磁同步电机模块组成。其中, 转速控制模块根 据参考转速和反馈转速的差值通过 P I控制器计算定 子参考电流。电流控制模块通过 P I控制器和解耦算 法调整直轴和交轴参考电压, 从而保证直轴和交轴 电流的跟踪。永磁同步电动机模块 采用的是 SIMUL INK 自带电机模块。
因此定子电压空间矢量的幅值为
us e ( Lq iq ) 2 + ( Ld id + f ) 2
( 3)
可见电动机端电压近似正比于电机转速, 随着
转速增加使端电压达到逆变器电压极限后, 由于转
子永磁体的励磁磁势不可调, 只能通过采用施加定
子直轴去磁电流来减弱气隙磁场的方法进一步提高
转速, 此时电机工作于弱磁运行方式。 根据弱磁控制原理在 M at lab /S im ulink 环境下建
永磁同步电机控制系统带过调制的弱磁控制策略研究
永磁同步电机控制系统带过调制的弱磁控制策略研究涂群章;林加堃;曾繁琦;邹世超;陆影【摘要】永磁同步电机控制系统在实际应用中,复杂多变的工况对电机的响应需求是不同的.为了拓宽电机控制系统的调速范围,且满足系统对转矩响应能力和大转矩输出特性的要求,在弱磁控制策略的基础上引入过调制方法,将其应用于永磁同步电机控制系统,并进行仿真和实验研究.结果表明,相比于无过调制的弱磁控制策略,带过调制的弱磁控制策略能使系统在调速过程中充分利用直流母线电压,从而提高了转矩响应和大转矩输出能力,缩短了转速响应时间,同时电机的工作效率符合应用要求.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】8页(P953-960)【关键词】兵器科学与技术;永磁同步电机;控制系统;弱磁控制;过调制【作者】涂群章;林加堃;曾繁琦;邹世超;陆影【作者单位】解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007;军事交通学院军用车辆系,天津 300161;海拉(厦门)电气有限责任公司,福建厦门 361100;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TM301.2永磁同步电机（PMSM）的励磁由永磁体提供，没有励磁损耗，因此，与一般电机相比，PMSM具有更高的功率密度和效率，从世界电传动研究情况以及电机发展水平来看［1］，PMSM是军用电传动履带推土机的最佳选择。
军用履带推土机由于要求具备良好的机动性，因而需要尽量扩大其驱动电机的调速区间；在推土作业工况下则要求电机控制系统具有快速准确的转矩响应，在爬坡、突然加减速和深度挖掘时还应具有高效的大转矩输出特性。
为了拓宽电机调速范围，PMSM可采用弱磁控制策略。
对电机进行弱磁控制时，由于电压接近饱和［2］，电机的转矩响应能力会弱化。
因此为了进一步提高直流电压利用率，人们在调制方法和过调制方法方面都进行了相关研究，在正弦波脉宽调制（SPWM）参考电压中加入3次谐波可提高电压利用率和消除特定次数谐波的离线脉宽调制方法［3］等都是在调制方法方面的改进，过调制方法则是在1991年Kerkman等提出逆变器增益的概念后开始得到了深入研究［4-7］。
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永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告专业：电气工程及其自动化学生姓名：学生学号:学生班号:本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。
稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。
由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。
这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。
本文主要研究内容是对内置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。
分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。
并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。
仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。
关键词：内置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模目录永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1)一、研究的问题 (5)二、研究方法 (5)2.1 永磁电机的数学模型 (5)2.2弱磁调速原理 (7)2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (8)2.4 仿真结果 (11)三、解决效果 (13)3.1 结论 (13)3.2感悟与体会 (13)前言本次阅读文献报告的主要课题是研究对内置式永磁同步电机弱磁调速控制的研究，报告内容主要来自等，在写作过程中也参考了一些关于永磁同步电机弱磁调速控制方法设计以及弱磁性能研究等方面的资料现在从关注的问题、所用的研究方法及关注问题解决的效果三个方面来阐述报告内容。
一、研究的问题近年来，随着稀土永磁材料和电子功率器件的发展，永磁同步电机获得了广泛研究。
永磁同步电机较异步电机具有功率密度大、转子发热量小、结构紧凑等优点，用永磁同步电机做主轴传动正在成为一个新的研究方向。
普通永磁同步电机为了实现力矩随电流线性可控，一般将励磁电流设为零，这种控制策略将导致电机的最高转速不能超过额定转速，转矩输出能力也不能满足主轴电机的要求。
为了充分挖掘永磁同步电机的潜能，总是需要并希望在额定功率下输出的转速尽可能高些，然而，在基速（注意：在直流母线电压达到最大值，也就是电机输入电压最大且在额定转矩的情况下，对应的转速被称为基速）以上时，如果磁通保持不变，电机的反电动势必将大于电机的最大输入电压，造成电机绕组电流的反向流动，这在电机实际运行时是不允许的，而弱磁时，磁通反比于定子频率，使感应电动势保持常值而不随转速上升而增加，所以采用弱磁控制方可解决此类问题，且永磁调速系统具有体积小、节能、控制性能好，系统运行噪低、平滑度和舒适性好等优点。
所以，此背景下，研究永磁同步电动机的弱磁调速系统具有重大意义。
二、研究方法2.1 永磁电机的数学模型以二相导通星形三相状态为例，分析PMSM的数学模型及转矩特性。
为建立永磁同步电动机的转子轴（dq轴）数学模型，作如下假定：（1）三相绕组完全对称，气隙磁场为正弦分布，定子电流、转子磁场分布对称；（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等影响；（3）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；（4）磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。
则三相绕组的电压平衡方程式可表示为式中，,,a b c u u u 为定子绕组的相电压；R s 为定子每相绕组电阻；,,a b c i i i 为定子绕组相电流；s L 为定子每相绕组的自感；M 为定子每相绕组的互感；p 为微分算子p=d/dt ；f 为转子永磁体磁链；θ为转子位置角，即转子q 轴与a 相轴线的夹角。
因为三相绕组为星型连接，有 ++=0a b c i i i ，则式(1)可简化为：式(2)为永磁同步电机在abc 静止坐标系下电压方程。
利用坐标变换，把abc 静止坐标系变换到dq 转子坐标系，得到相应的动态电压方程：式中，r ω为转子电角速度；d q L L 、为直、交轴同步电感。
在d 、q 坐标系下电机的电磁转矩为：式中，n P 表示电机极对数。
2.2弱磁调速原理永磁同步电机中，感应电势随着转速的增加而增加，当电机的端电压达到控制器直流侧电压时， PWM 控制器将失去追踪电流的能力。
因此定子端电压Us 和相电流Is ，受到逆变器输出电压和输出电流极限(Usmax 和Ismax )的限制。
由此可得电流极限圆电压极限椭圆又因为0f d d q q E x L x L ωψωω===，，，所以电压极限椭圆方程可以改写为永磁同步电动机的运行范围是受以满足电流极限圆和电压极限椭圆为条件限制的，即电机的电流矢量 Is (其分量为 Id 与 Iq )应处于两曲线共同包围的面积内，如图 1 中阴影部分所示。
由图 1可以看出，电机转速 ω 升高， Id 分量趋于增大，相应的 Iq 分量必须减小，因此，电机的电磁转矩也随转速升高而下降，显示出恒功率的特性。
图1 PMSM电压电流限制曲线2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立在 Matlab6. 5的Simulink环境，利用SimPower2 System Toolbox2. 3丰富的模块库,在分析PMSM数学模型的基础上提出了建立PMSM弱磁控制控制系统仿真模型的方法，弱磁控制系统总体设计框图见图2。
PMSM 弱磁控制建模仿真系统采用双闭环控制方案：速度环为控制外环，它使电机的实际转速与给定的转速值保持一致，实现电机的加速、减速和匀速运行，并且及时消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。
电流环为控制内环，它的作用是控制逆变器在定子绕组上产生准确的电流。
根据模块化建模的思想，将图2 中的控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括：PMSM 本体模块、矢量控制模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、弱磁控制模块等，通过这些功能模块的有机整合，就可在 Matlab/Simulink中搭建出PMSM 控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法。
图2 PMSM弱磁控制系统总体设计框图2.3.1 PMSM 本体模块在整个控制系统的仿真模型，PMSM 本体模块是最重要的部分。
Matlab/ Simulink 的工具箱提供了按交直轴磁链理论建立的定子绕组按 Y 型连接的 PMSM 模块。
PMSM 模块共有四个输入端，其中前三个输入端，分别为 A 相、 B 相、 C 相输入端， 第四个输入端为转矩输入端 T 1 (N·m)。
当 T 1 >0 时，为电动机模式；当 T 1 < 0 时为发电机模式。
PMSM 的主要设置参数包括:定子电阻R (Ω)；交直轴定子电感 d q L L 、(H)转子磁场磁Ф(W b )；转动惯量 J (kg·m2) ； 粘 滞 摩 擦 系 数B (N·m·s )；电机的极对数 p 等。
2.3.2矢量控制模块dq 向abc 转换模块主要是根据转子的位置即图2中的θ，按照dq 变换的反变换公式产生三路基准信号，dq 变换的反变换公式如下：式(8)中包含了零序分量，在对称三相条件下，没有零序分量dq 向abc 转换结构框图如图3所示。
dq 向abc 转换模块输出三路基准信号，该曲线的横坐标按转子位置标注， 纵坐标按电流标注。
三根曲线分别代表对应与转子的某一位置的三个绕组各自驱动电流瞬时值，通过矢量合成可知此刻的旋转磁场矢量的角度。
图3 dq 到abc 转换结构框图2.3.3电流滞环控制模块三相电流源型逆变器模块是按照矢量控制理论，利用滞环电流控制方法，实现电流逆变控制。
输入为三相参考电流和三相实际电流，输出为变器电压信号，模块结构框图如图4所示。
当实际电流is 经过惯性环节1)S T +1/(低于参考电流sr i 且偏差大于滞环比较器的环宽时，电机对应相正向导通，负向关断；当实际电流si 经过惯性环节1)S T +1/(超过参考电流sr i 且偏差大于滞比较器的环宽时，对应相正向关断，负向导通选择适当的滞环环宽，即可以实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。
图4 三相电流源型逆变器模块结构框图2.3.4速度控制模块速度控制模块的结构较为简单，如图5所示，参考转速和实际转速的差值为单输入项，三相考相电流的幅值qref i 为单输出项。
其中， Ki 为PI 控制器中P(比例)的参数，1/K T 为PI 控制器中I(积分的参数，饱和限幅模块将输出的三相参考相电流的幅值限定在要求范围内。
图5 速度控制模块2.3.5弱磁控制模块电机在恒转矩区运行时， 直轴电流q i *的计算公式如下电动机转速超过基速时，恒功率运行，d i *切换为下面公式计算式中，d L 为永磁同步电机直轴电感；q L 为永磁同步电机交轴电感；R s 为定子绕组的电阻； ω为感应电动势的电角度。
2.4 仿真结果在前面理论分析的前提下，本文基于Matlab/Simulink 建立PMSM 弱磁控制系统的仿真模型，并对该模型进行了PMSM 双闭环控制系统的仿真。
PMSM 电机仿真参数设置：相绕组电阻R 为2.87 Ω，极限电压值max s U 为240 V ，d 轴电感分量d L 为388.5 mH ，极限电流值max s I 为1.6 A ，q 轴电感分量q L 为475.5 mH ，起始机械转矩i T 为5 N•m，永磁磁链m ψ为447， 机械转矩变化时刻t 为0.015s ，极对数p 为4，最终机械转矩Tend 为3 N•m。
通过仿真试验表明，转速达到基本转速以后，若不加该电流弱磁控制算法，继续升速的空间很小。
采取了本文提出的电流调节算法以后，永磁同步电机的弱磁调速区域明显扩大，恒功率运行区域调速比达到了4： 1；最高转速达到2200 rad/s，转速为1600 rad/s时的仿真波形如图6到图8所示。
图6 转矩响应曲线图7 转速响应曲线图8 三相电流仿真波形由仿真波形可以看出：在转速为1600 rad/s时，系统转矩响应快速且平稳，三相电流波形较为理想，转速响应快且稳态运行时无静差，具有较好的静态和动态特性。
三、解决效果3.1结论本文在分析 PMSM 数学模型的基础上，提出了一种基于电流调节的 PMSM 定子磁链弱磁控制算法。
仿真实验结果表明，本文提出的方拓宽了电动机弱磁调速范围，有效地提高了恒功率运行区域的调速比，转速响应迅速，转矩变平稳，系统具有良好的动态和稳态性能，达到预期的设计指标要求。