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课题项目：2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目《新能源汽车多相电机调速系统的优化设计与研究》项目编号：2022KY1420

摘  要：在世界范围内常规能源逐渐减少情况下，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）以其高精度、高动态性能、大范围的调速以及体积小等优势在新能源汽车中得到了广泛的应用。通过采用弱磁场控制，可以扩大PMSM的速度范围，以适应不同场合的使用要求。本文在分析PMSM结构特性基础上，搭建其数学模型，分析其基本原理及控制策略等，研究采用基于弱磁控制方式改善其弱磁场特性，扩大电机转速范围，实现电机大范围调速效果。

关键词：永磁同步电机 弱磁控制 策略优化

一. 永磁同步电机弱磁控制策略概述

在许多采用PMSM作为驱动电动机的场合，对电动机的转速范围有一定的要求，期望电动机能适应高速、低速两种情况下的不同控制要求。如新能源车在低速行驶时有加速、爬坡、超车、高速行驶等方面的需求，故期望该系统在低速时能提供最大的转矩，高速时可持续高功率输出。然而，PMSM的反电位与转速呈线性关系，因此，当电动机端电压随着转速升高至逆变器VSI的输出限制时，PMSM线圈的电流将不能持续增大，若不采用相应的控制策略，PMSM将不能输出足够的转矩。PMSM在没有适当的控制策略的情况下，将不能提供足够的扭矩来保证其在高速状态下的恒定功率运转。

弱磁控制本质上就是在带电压源型逆变器的电动机驱动系统中，当电动机的端部电压达到逆变器的极限电压时，会减弱电动机的磁场，保持电压均衡，使电动机的速度持续升高，以满足恒定功率控制和大转速范围操作的性能需求。在 PMSM的各种型号中，采用内置 PMSM的永磁材料作为永久磁体，其机械强度比采用表面装配的 PMSM具有更好的速度。同时，由于内置型PMSM的d轴电感小于q轴电感，其不对称磁路结构具有凸极作用，可在一定程度上产生回流力矩，因而其恒定功率范围大，磁场微弱。因此，在目前全球能源紧张的情况下，对PMSM的弱磁控制进行深入的研究，无论是在社会上还是在工程上都有着重大的实际意义。

二. 永磁同步电机弱磁控制策略研究现状

20世纪80年代中期，国内外相关研究学者们对PMSM的弱磁控制进行了一定的研究。近十年来，研究学者们陆续发表了一些具有很好效果的低磁控制技术，该领域的发展也逐渐成熟。本文从电机主体和电机控制两个方面展开研究。电动机主体部分从电动机的结构出发，通过调整电动机的磁路和调整磁通来提高其弱磁特性。

针对现有的PMSM弱磁控制研究分类，可将其划分为以下几类方式：弱磁控制、电流弱磁控制、电压弱磁控制、相角控制弱磁控制。

（1） 基于电动机数学模型的弱磁控制

该控制要求精确地掌握电动机的各项参数，以极限电压椭圆和极点电流为约束条件，以最大功率或最大功率为目的，建立电动机的数学模型，推导出其电流值。根据电动机的速度与电流的对应关系，求出了 d轴上的微弱磁场基准电流。通过给定的转矩，求出q轴电流，以确保电动机的最大转矩。采用电机的数学模型进行弱磁控制，其系统的动力学性能和稳定性都很好，但是它对电机的数学模型有很大的依赖性，使得系统的鲁棒性很差。由于电动机在工作时会产生不同的温度，电动机的参数特别是电感等参数会随温度的变化而改变，从而使控制系统的工作效率和精度受到很大的影响。

（2） 电流控制式的弱磁控制

目前普遍采用的是负电流补偿法、查表法、梯度下降法等。负极值电流补偿法是一种利用电压反馈来达到弱磁场的方法。这种方法是通过对直流控制器输出的 d、q轴的基准电压进行实时检测，获得相应的电压幅值，然后通过PI调节器进行PI调整，得出了d轴上的微弱磁场，使d轴的电流id沿负向增大，从而达到了弱磁控制的目的。这种控制策略具有原理简单、输出扭矩大、对参数的依赖性低、鲁棒性好等优点。采用负极型电流进行补偿，能有效地利用直流母线的电压，提高系统的运行效率，降低了运行费用，适用于不同的场合，根据磁链、转矩和电流的相互关系，实现弱磁控制。

在一定的转速下，由离线测得的数据表即可得到电流的参考，无需进行实时运算。该方法利用 PMSM的电压限制椭圆的电压衰减方向和弱磁区的恒力矩工作曲线之间的角度来确定弱磁区。由于采用梯度递减方法，需将弱磁场划分为若干级，具有较高的控制精度和较强的鲁棒性，但其实现过程较为繁琐，且对控制器的要求也较高。

（3） 采用单相电流调节器控制方法

该方法是美国学者提出的，它的突出特征是仅使用一个d轴电流环，它能有效地降低磁场强度，从而降低了系统的运行费用。相对于双电流调整器，它的动力响应较差，效率较低，转矩输出性能较差。

（4） 相位角控制式的弱磁控制

电流相位角控制法是采用电流环路的基准电压和给定的电压之间的差值，由控制器求得定子电流向量和q轴的控制角度。当控制角度为0时，表明该电动机的速度很慢，无需进行微弱的磁化;在基准电压超出极限电压时，该控制角度为负值，并依据三角函数的关系，在d轴上会产生一个弱磁场，从而实现微弱的磁化作用。

以上介绍的弱磁控制方式主要用于线性调制区，而不能充分地利用直流母线的电压。为进一步改善电力系统的电压利用率，有学者将过调制技术引入到弱磁场控制中，使其在线性和过调制的范围内实现平稳的转换，在六步工作方式下，电压利用率最高，从而使电动机的效率最大化。通过引入超调技术，使电动机的最高速度得到了进一步的提升，并使其恒转矩范围得到了扩展。

负电流补偿法具有较高的转矩和较好的稳定度，适用范围很广，能达到较好的弱磁控制效果。通过引入过调制技术，使系统能够在过调制区工作，从而达到线性调制区与过调制区平稳过渡的目的。然而，在过调变区，尤其是六段工作方式下，由于电压余量太低，使得稳压器很容易出现饱和，从而导致系统的动态性能下降，从而导致系统的不稳定。

三. 永磁同步电机弱磁控制案例分析

3.1 永磁同步电机数学模型

与普通电动机相比，永磁同步电机转子结构不同直接关系到其运行性能、必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置。根据永磁体在转子位置上的不同，PMSM的磁极结构可分为分为表面式和内装式两种。在转子铁心外侧设置有表面型结构的永久磁铁，可分为表面安装型和内嵌型两种，如图1所示。在内置型转子结构中，永磁材料放置在转子铁心内，励磁方向为径向、切向或混合励磁，如图2所示。

为了建立 PMSM的数学模型，一般假定：在不考虑磁心饱和、涡流、磁滞损耗的情况下，在无阻尼器的情况下，定子线圈电流为三相对称正弦形，励磁磁场呈正弦形，无高次谐波。所产生的数学模型可由以下几个方面来表达：

从式中可以看出，永磁同步电机的电磁转矩Te由分为永磁转矩和磁阻转矩两部分。表贴式PMSM由于 ，磁阻转矩为零，永磁转矩与 成正比。这会导致电流的利用率不高，系统的效率降低。而对于内置式PMSM，一般 ，可有效地利用磁阻转矩实现最优控制。

3.2 基本矢量控制策略

PMSM向量控制是一种既能同时控制电动机定子电流 的相位和幅度，又能准确地控制电动机的转速和扭矩。如图3所示为某电动汽车用永磁同步电动机矢量控制系统框图，该系统由转速 PI调节器、电流 PI调节器、Park变换器、clarke变换器、SVPWM模块等组成。利用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，分别比较控制永磁同步电机的实际值id*、iq*与给定电流值id、iq，通过双闭环的方式，实现对PMSM转速和转矩的控制。

PMSM弱磁控制来源于他励直流电动机调磁控制。由于其它励磁直流电机的激励作用是通过减小励磁电流而减弱励磁磁场，从而在一定的功率下保持高转速。然而，PMSM系统中，当电动机的电压到达电逆变器的极限时，励磁势到达饱和状态无法调节，可以通过调节定子电流去磁来保持电压均衡，也就是增加定子直轴退磁，以确保PMSM的高速度工作，使PMSM的转速范围增大。

3.3 约束条件

永磁同步电机运行时，定子电流 有一定的约束条件，主要受电机发热温升与逆变器允许流过最大电流的限制，同样的定子电压矢量 的幅值也有一定的约束条件，与逆变器直流侧电压的值有直接联系。设PMSM各电流约束中的最小值为 ，定子相电压的极限值为 ，则有：

如图4所示，对于表贴式PMSM，由于 的条件，其电压极限圆是以 为圆心的规范圆形。而对于内置式PMSM，由于 的条件，其电压极限圆变为椭圆形，以 为圆心。PMSM运行过程中定子电流矢量控制范围会随着转速的升高而缩小，加大其控制难度。

扩大 PMSM的弱磁场工作区，其核心问题是如何以弱磁场约束为基础，对定子电流向量轨迹进行有效的控制，对定子电流横向分量和进行优化配置，使 PMSM的转矩输出能力达到最大。根据 PMSM的电流、电压关系，对各个区域的电流轨迹进行分析，从而制定出相应的控制方案。PMSM的弱磁控制系统的电流轨迹由图5所示，PMSM的弱磁控制工作区划分为图6中展示的I、 II、 Ⅲ三个区。

3.4 电压闭环反馈弱磁控制系统

电压闭环反馈式弱磁控制系统，在低于基速下，以最大转矩电流比控制（MTPA）方式实现恒定力矩控制，而在高于基速时，采用闭环反馈的弱磁控制方法实现恒定功率控制。电压闭环弱磁控制系统如图7所示，并在传统 矢量控制系统基础上加入了MTPA和电压闭环反馈的弱磁控制。通过对 PI调节器的输出 和 VS的限幅 进行比较，再把二者的差分输入 PI调节器， PI调节器输出的 d轴退磁电流 ，从而实现对励磁的实时调整。同时，为了保证电动机的转速低于参考转速，PI调节器的输出应该被限定。如（3）式所示，若给定的电压幅度 不大于 VSI的限幅 ，则该电路不会输出d轴的负值，则利用MTPA来实现 d、q轴的电流。当给定的电压幅度大于VSI的极限电压幅度时，利用 PI稳压器来产生d轴的消磁电流，然后利用弱磁场的方法来设定 d、q轴的电流，从而达到d、q轴的电流。通过对d、q轴电流的弱磁控制，对弱磁区 d、q轴进行了校正，以实现弱磁膨胀速率。

PMSM电压闭环反馈型弱磁控制器容易实现，在整个过程中，仅用直流母线的电压值即可求出最大的逆变器输出电压向量，无需考虑电动机、变频设备的其它参数，因此对电动机参数的获取较为稳定。同时，采用闭环反馈式的弱磁控制，能够根据基准电压和变频器的极限电压值，自动调节励磁级别，使MTPA与弱磁同步平稳过渡，并充分利用直流侧的母线电压，结构简单，易于实现，具有良好的稳态特性，实现了弱磁扩速，并且能够带载运行，在为永磁同步电机弱磁控制提供了更好的基础。

四. 总结

随着能源危机、环境污染等问题的日益突出，永磁同步电动机作为一种高效、低能耗、宽调速的电动机，已逐渐被应用于铁路、新能源等领域。由于PMSM在很多场合下都能实现恒定的功率控制和大转速范围的工作，所以在当今世界能源紧张的情况下，开展 PMSM的弱磁控制研究是非常有意义的。本文针对永磁同步电动机的弱磁控制系统进行了分析与研究，着重讨论了采用弱磁控制方法来扩大其转速范围、改善其弱磁场特性，并使其在全速下能够顺利地切换各种控制策略，有效减少损耗，提高电机的利用率。

参考文献

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