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。

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 ci 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，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围。

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0.015 s ，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。

采用该 PMSM 仿真模型, 以便捷地实现、验证电流调节的弱磁控制算法也可对其进行简单修改或替换，完成控制策略的改进，通用性较强。