1、永磁同步電機弱磁調速控制文獻閱讀報告專業：電氣工程及其自動化 學生：學生學號:學生班號:摘要本篇論文是從閱讀文獻報告的角度來解讀論文的。稀土永磁同步電機早在上世紀七十年代就開始出現，現在已被廣泛使用，其 具有重量輕、體積小、效率高、弱磁擴速能力強等一系列優點，成為航空、航天、 武器裝備、電動汽車等領域重要發展方向。由于永磁同步電機磁場結構復雜，使 得計算準確度差，磁極形狀與尺寸的優化，調速性能等都是永磁電機設計的難點。 這些年來，如何提高永磁同步電機恒功率調速比的問題是研究的重點，永磁電機 及其驅動器的設計成了電機領域研究的熱點課題。本文主要研究容是對置式永磁同步電機設計及弱磁性能的研究。分析

2、永磁同步電機(PMSM)數學模型的基礎上，通過闡述弱磁調速的控制原 理，提出了 一種基于電流調節的PMSM定子磁鏈弱磁控制算法，有效地拓寬了恒 功率調速比。并在Mat lab/Simul ink環境下，構建了永磁同步電機弱磁控制系統 的速度和業流雙閉環仿真模型。仿真結果證明了該控制系統模型的有效性，恒功 率調速比達到了 4: 1,為永磁同步電機弱磁調速控制系統的設計和調試提供了 理論基礎，有一定的實際工程價值。關鍵詞：置式；永磁電機；弱磁控制；電流跟蹤算法；仿真建模目錄永磁同步電機弱磁調速控制文獻閱讀報告 1一、 研究的問題4二、研究方法52. 1永磁電機的數學模型52. 2弱磁調速原理62.

3、 3基于Mat lab的PMSM弱磁控制系統仿真模型建立2.4仿真結果11三、解決效果123. 1結論124. 2感悟與體會12前言本次閱讀文獻報告的主要課題是研究對置式永磁同步電機弱磁調速控制的 研究，報告容主要來自等，在寫作過程中也參考了一些關于永磁同步電機弱磁調 速控制方法設計以及弱磁性能研究等方面的資料現在從關注的問題、所用的研究 方法及關注問題解決的效果三個方面來闡述報告容。一、研究的問題近年來，隨著稀土永磁材料和電子功率器件的發展，永磁同步電機獲得了廣 泛研究。永磁同步電機較異步電機具有功率密度大、轉子發熱量小、結構緊湊等 優點，用永磁同步電機做主軸傳動正在成為一個新的研究方向。普

4、通永磁同步電機為了實現力矩隨電流線性可控，一般將勵磁電流設為零， 這種控制策略將導致電機的最高轉速不能超過額定轉速，轉矩榆出能力也不能滿 足主軸電機的要求。為了充分挖掘永磁同步電機的潛能，總是需要并希望在額定功率下輸出的轉 速盡可能高些，然而，在基速(注意：在直流母線電壓達到最大值，也就是電機 榆入電壓最大且在額定轉矩的情況下，對應的轉速被稱為基速)以上時，如果磁 通保持不變，電機的反電動勢必將大于電機的最大揄入電壓，造成電機繞組電流 的反向流動，這在電機實際運行時是不允許的，而弱磁時，磁通反比于定子頻率， 使感應電動勢保持常值而不隨轉速上升而增加，所以采用弱磁控制方可解決此類 問題，且永磁調

5、速系統具有體積小、節能、控制性能好，系統運行噪低、平滑度 和舒適性好等優點。所以，此背景下，研究永磁同步電動機的弱磁調速系統具有重大意義。二、研究方法5. 1永磁電機的數學模型以二相導通星形三相狀態為例，分析PMSM的數學模型及轉矩特性。為建立永磁 同步電動機的轉子軸(dq軸)數學模型，作如下假定：(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為正弦分布，定子電流、轉子磁場分布對稱:(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應等影響；(3)電樞繞組在定子表面均勻連續分布；(4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為P4 pM凡+ PkpM匕 sin。 /A 2 葭 匕3m也7 -/9in(

6、6+與)(1)式中，"a，"。，以為定子繞組的相電壓；凡為定子每相繞組電阻； 0,bL為定子繞組相電流；4為定子每相繞組的自感；M為定子每相繞組的互感： p為微分算子p二d/dt;匕 為轉子永磁體磁鏈；9為轉子位置角，即轉子q軸與a相軸線的夾角。因為三相繞組為星型連接，有 "ib+ic=° ,則式可簡化為:0<oibRs+ P(L-M)一L1(aRs+p(Lx -M)0% =04 + P(L-M)uc00J yj f sin 0小昭一手材/5畝（。+菖）式為永磁同步電機在abc靜止坐標系下電壓方程。利用坐標變換，把abc靜 止坐標系變換到dq轉子坐

7、標系,得到相應的動態電壓方程：(3)Ud=R3+LdPi8Wq%=R3 + LqPiq_0Wd式中，儲為轉子電角速度；4、4為直、交軸同步電感。在d、q坐標系下電 機的電磁轉矩為：Ti +（£ -L ）i.i （4）cm / nLr J q v a q ' d q ）式中，匕表示電機極對數。2. 2弱磁調速原理永磁同步電機中，感應電勢隨著轉速的增加而增加，當電機的端電壓達到控 制器直流側電壓時，PWM控制器將失去追蹤電流的能力。因此定子端電壓s和 相電流/s,受到逆變器揄出電壓和揄出電流極限（smax和/smax）的限制。由此 可得電流極限圓電壓極限橢圓（石。+也+（/居0總

8、又因為£。=叫Xd = %, %=口4,所以電壓極限橢圓方程可以改 寫為（嗎+/八+（/居）2 （4皿/0永磁同步電動機的運行圍是受以滿足電流極限圓和電壓極限桶圓為條件 限制的，即電機的電流矢量Is （其分量為與/q）應處于兩曲線共同包圍的 面積，如圖1中陰影部分所示。由圖1可以看出，電機轉速 3升高，分 量趨于增大，相應的分量必須減小，因此，電機的電磁轉矩也隨轉速升高而 下降，顯示出恒功率的特性。5mgId圖1 PMSM電壓電流限制曲線2. 3基于Mat I ab的PMSM弱磁控制系統仿真模型建立在 Mat Iab6. 5 的 Simul ink 環境，利用 SimPower2 S

9、ystem Too I box2. 3 豐 富的模塊庫，在分析PMSM數學模型的基礎上提出了建立PMSM弱磁控制控制系統 仿真模型的方法，弱磁控制系統總體設計框圖見圖2。PMSM弱磁控制建模仿真系統采用雙閉環控制方案：速度環為控制外環，它 使電機的實際轉速與給定的轉速值保持一致，實現電機的加速、減速和勻速運行, 并且及時消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。電流環為控制環，它的作 用是控制逆變器在定子繞組上產生準確的電流。根據模塊化建模的思想，將圖2 中的控制系統分割為各個功能獨立的子模塊，其中主要包括：PMSM本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環控制模塊、速度控制模塊、弱磁控制 模塊等，通過這

10、些功能模塊的有機整合，就可在Matlab/Simul ink中搭建出 PMSM控制系統的仿真模型，并實現雙閉環的控制算法。轉子位置 檢測轉速 計算PWM 逆變器電流計算圖2 PMSM弱磁控制系統總體設計框圖2. 3.1 PMSM本體模塊在整個控制系統的仿真模型，PMSM本體模塊是最重要的部分。Mat lab/ Simulink的工具箱提供了按交直軸磁鏈理論建立的定子繞組按Y型連接的 PMSM模塊。PMSM模塊共有四個揄入端，其中前三個揄入端，分別為A相、B 相、C相輸入端，第四個輸入端為轉矩輸入端71 (N - m) o當71 >0時，為 電動機模式：當力<0時為發電機模式。PMS

11、M的主要設置參數包括：定子電阻 /?(Q)：交直軸定子電感4、4(H)轉子磁場磁0(W6);轉動慣量J(kg - m2); 粘滯摩擦系數8(Nms);電機的極對數p等。2. 3.2矢量控制模塊dq向abc轉換模塊主要是根據轉子的位置即圖2中的0 ,按照dq變換的反dq變換的反變換公式如下:變換公式產生三路基準信號,式中包含了零序分量，在對稱三相條件下，沒有零序分量dq向abc轉 換結構框圖如圖3所示。dq向abc轉換模塊輸出三路基準信號，該曲線的橫坐 標按轉子位置標注，縱坐標按電流標注。三根曲線分別代表對應與轉子的某一 位置的三個繞組各自驅動電流瞬時值，通過矢量合成可知此刻的旋轉磁場矢量的圖3

12、 dq到abc轉換結構框圖2.3.3電流滯環控制模塊三相電流源型逆變器模塊是按照矢量控制理論，利用滯環電流控制方法，實現電 流逆變控制。輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為變器電壓信號，模塊結構框圖如圖4所示。當實際電流i s經過慣性環節1（八十0低于參考電流"且偏差大于滯環比較器的環寬時，電機對應相正向導通，負向關斷；當實際電流4經過慣性環節超過參考電流L且偏差大于滯比較器的環寬時，對應相 正向關斷，負向導通選擇適當的滯環環寬，即可以實際電流不斷跟蹤參考電流的 波形，實現電流閉環控制。compar2圖4三相電流源型逆變器模塊結構框圖2. 3.4速度控制模塊速度控制模塊的結構較為

13、簡單，如圖5所示，參考轉速和實際轉速的差值為 單輸入項，三相考相電流的幅值。到為單榆出項。其中，Ki為PI控制器中P（比例）的參數，為PI控制器中I （積分的參數，飽和限幅模塊將輸出的三相參 考相電流的幅值限定在要求圍。2. 3. 5弱磁控制模塊電機在恒轉矩區運行時，直軸電流4的計算公式如下產，+料+4廠2(9J（9）電動機轉速超過基速時，恒功率運行，ij切換為下面公式計算篁-（卬;）2（I。）£LR式中，d為永磁同步電機直軸電感；為永磁同步電機交軸電感；$為定子 繞組的電阻；3為感應電動勢的電角度。2.4仿真結果在前面理論分析的前提下，本文基于Matlab/Simul ink建立P

14、MSM弱碳控制 系統的仿真模型，并對該模型進行了 PMSM雙閉環控制系統的仿真。PMSM電機 仿真參數設置：相繞組電阻R為2.87 Q,極限電壓值"smax為240 V, d軸電感 分量(為388.5 mH,極限電流值&抽為6 A, q軸電感分量 ' 為475. 5 mH, 起始機械轉矩刀為5 Nm,永磁磁鏈匕”為447,機械轉矩變化時刻t為。.015 s,極對數p為4,最終機械轉矩Tend為3 Nmo通過仿真試驗表明，轉速達到 基本轉速以后，若不加該電流弱磁控制算法，繼續升速的空間很小。采取了本文 提出的電流調節算法以后，永磁同步電機的弱磁調速區域明顯擴大，恒功率運

15、行區域調速比達到了 4: 1;最高轉速達到2200 rad/s,轉速為1600 rad/s時的 仿真波形如圖6到圖8所示。圖6轉矩響應曲線(rad/g»,1,1600 J1400 -1200 -10008006004002000 !-2004ii100.511.522,533.5/( xl0-2s)圖7轉速響應曲線x 10-2s)圖8三相電流仿真波形由仿真波形可以看出：在轉速為1600 rad/s時,系統轉矩響應快速且平穩,三相電流波形較為理想，轉速響應快且穩態運行時無靜差，具有較好的靜態和動 態特性。三、解決效果3.1結論本文在分析PMSM數學模型的基礎上，提出了 一種基于電流調節

16、的PMSM定 子磁鏈弱磁控制算法。仿真實臉結果表明，本文提出的方拓寬了電動機弱磁調速 困，有效地提高了恒功率運行區域的調速比，轉速響應迅速，轉矩變平穩，系統 具有良好的動態和穩態性能，達到預期的設計指標要求。采用該PMSM仿真模型， 以便捷地實現、臉證電流調節的弱磁控制算法也可對其進行簡單修改或替換，完 成控制策略的改進，通用性較強。3. 2感悟與體會從這次閱讀文獻的過程中，我擴寬自己的視野，基于課本基礎知識，然后上 網閱讀資料，了解永磁同步電機的研究課題以及發展趨勢，增強自己的能力。此外，在本次閱讀永磁同步電機文獻的過程之中，我體會到了任何一個新的 仿真思路或者一種算法都要建立在實際問題上去考慮、去探討解決辦法，再在合 理的實際情況的前提下進行仿真實臉，最終瞼證研究報告結論的有效性和準確 性。通過此次文獻閱讀，增強了自己查找資料篩選有效信息的能力，了解了本專 業課程的相關知識，解決的實際的問題，開拓了自己的視野，收獲頗豐。參考文獻口白玉成，唐小埼，吳功平.置式永磁同步電機弱磁調速控制,電工技術學報. 2011 (09)2樹團，偉林，魯芳，海鷹.永磁同步電機弱磁調速系統建模及仿真研究.