永磁同步电机弱磁调速讲课稿.docx
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永磁同步电机弱磁调速讲课稿
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
学生姓名：
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摘要
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
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，
为定子绕组的相电压；
为定子每相绕组电阻；
为定子绕组相电流；
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；
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
，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，
为转子电角速度；
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，
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
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1PMSM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SimPower2SystemToolbox2.3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2PMSM弱磁控制系统总体设计框图
2.3.1PMSM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T1（N·m）。
当T1>0时，为电动机模式；当T1<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
（H）转子磁场磁Ф（Wb）；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3dq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
低于参考电流
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
经过惯性环节
超过参考电流
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
为单输出项。
其中，Ki为PI控制器中P（比例）的参数，
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
的计算公式如下
电动机转速超过基速时，恒功率运行，
切换为下面公式计算
式中，
为永磁同步电机直轴电感；
为永磁同步电机交轴电感；
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2.87Ω，极限电压值
为240V，d轴电感分量
为388.5mH，极限电流值
为1.6A，q轴电感分量
为475.5mH，起始机械转矩
为5N•m，永磁磁链
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3N•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2200rad/s，转速为1600rad/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1600rad/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。
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。
3.2感悟与体会
从这次阅读文献的过程中，我扩宽自己的视野，基于课本基础知识，然后上网阅读资料，了解永磁同步电机的研究课题以及发展趋势，增强自己的能力。
此外，在本次阅读永磁同步电机文献的过程之中，我体会到了任何一个新的仿真思路或者一种算法都要建立在实际问题上去考虑、去探讨解决办法，再在合理的实际情况的前提下进行仿真实验，最终验证研究报告结论的有效性和准确性。
通过此次文献阅读，增强了自己查找资料筛选有效信息的能力，了解了本专业课程的相关知识，解决的实际的问题，开拓了自己的视野，收获颇丰。
参考文献
[1]白玉成，唐小琦，吴功平.内置式永磁同步电机弱磁调速控制.电工技术学报.2011（09）
[2]张树团，李伟林，鲁芳，张海鹰.永磁同步电机弱磁调速系统建模及仿真研究.船电技术.2010（06）
[3]马翠玲.永磁同步电机弱磁控制方法研究.长安大学.2014（4）
[4]杜鹏程.永磁同步电机弱磁调速技术研究.哈尔滨工业大学.2012（09）
[5]SpeedMeasurementAlgorithmforLowSpeedPermanentMagnetSynchronousMotorBasedonOverlappedMeasurementRegions.IEEETransactionsonPowerElectronics.2016（04）
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