关键词：永磁同步电机；弱磁掌握；内置式永磁同步电机；矢量掌握
1、弁言
永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等哀求较高的调速驱动系统中得到了广泛的运用[1, 2]。永磁同步电机必须采取弱磁掌握技能以知足宽转速范围的调速需求。永磁同步电机弱磁掌握的思想来自对他励直流电机的调磁掌握，对永磁同步电机弱磁掌握的研究始于20 世纪80 年代中期[3,4]。并于90 年代初形成了完善的弱磁理论[5]。内置式永磁电机构造大略、鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁掌握并拓宽弱磁范围有着重要意义[6]。由于永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生，在转速哀求较高须要弱磁运行的场合难以实现，在某些运用处所受到限定。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论是从掌握角度还是本体构造的合理设计选取的角度，一贯是国内外学者研究办理的热点[7]。以是有必要对现有的永磁同步电机弱磁掌握办法进行综合剖析研究。本文将针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁掌握方法进行综述。文中基于掌握工具的不同，对弱磁掌握方法进行分类，并详细先容了目前比较常见的负id补偿法、查表法、梯度低落法、电流角度法、单电流调节器法等方法。
2 、永磁同步电机弱磁掌握研究现状
2.1 永磁同步电机掌握技能的研究现状
近二十年多年来电动机矢量掌握、直接转矩掌握等掌握技能的问世和打算机人工智能技能的进步，使得电动机的掌握理论和实际掌握技能上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍以采取矢量掌握的为多。
矢量掌握实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的掌握。从式(1)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩就取决于id和iq，掌握id和iq便可以掌握转矩。通过掌握电流跟踪给定便实现了电动机转矩和转速的掌握。
2.2 永磁同步电机弱磁掌握的研究现状
目前，永磁同步电机的弱磁问题紧张从本体和掌握策略的角度动手研究。一些学者从电机本体构造的角度，通过改变励磁回路、永磁励磁磁通旁路、稠浊励磁调节气隙磁通等方法对电机的弱磁性能进行改进。另一些学者则从掌握策略的角度来提高永磁同步电机的弱磁性能。本文紧张从掌握策略的角度来先容。弱磁掌握大多采取基于磁场定向掌握(field-oriented control，FOC)和最大转矩电流比(maximumtorque per ampere，MTPA)掌握。
MTPA 掌握紧张用于低转速运行时提高电机效率，而FOC掌握紧张在于设计d 轴、q 轴电流调节器。常见的弱磁掌握策略有公式打算法、查表法、梯度低落法、负id 补偿法、单电流调节法、电流角度法等。公式打算法的精度依赖于电机数学模型的精度，实际中要想建立一个准确的模型很难，故很少在实际工程中运用。查表法通过大量的实验数据并制成表格，减少了电机掌握芯片的实时打算量，实现起来较为繁芜。梯度低落法打算量大，实现较繁芜。负id 补偿法实现大略，但不能实现在弱磁区域III的弱磁。电流角度法不能实现在弱磁区域III的弱磁。单电流调节法以电压为调节工具，实现了深度弱磁，具有一定发展前景，同时也存在一定缺陷，有待改进。
3 永磁同步电机的弱磁掌握事理
3.1 永磁同步电机弱磁掌握的基本电磁关系
永磁同步电机的掌握是与系统中的逆变器密切干系的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。个中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值Ilim要受到逆变器直流侧电压和最大输出电流限定。则电压极限椭园和电流极限圆的图形如图(1)所示。
电压方程知足：
当电机稳定运行时：
如果忽略电阻，以ulim代替u,则电压方程知足：
电流方程知足：
图1 电压极限椭园和电流极限圆
Fig.1 Trajectory of voltage limit and current limit
3.2 永磁同步电机弱磁掌握的的区域划分
1990 年日本学者S.Morimoto 对永磁电机运行区域进行了剖析总结，首次提出弱磁运行三个运行区域(区域 I，区域 II 和区域 III)根据电机运行情形，把区域分为3 个区域[8]：
1)区域I
基速以下，电机运行在恒转矩区域，采取线性最大转矩电流比掌握(MTPA)，使永磁同步电机得到最大的电磁转矩[9]。
2)区域II
随着转速的升高，电机将沿着最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比(MTPV)曲线之间的恒转矩曲线运行。该区域称为弱磁区域II。
3)区域III
在更高的转速范围，电机沿着MTPV曲线运行，该区域称为弱磁区域III。当/>时，该区域不存在。
4 永磁同步电机的弱磁掌握方法
永磁同步电机的弱磁掌握方法按照掌握的工具不同，可以分为三类：
1) 以电流为掌握工具，掌握电流为传统弱磁掌握方法，掌握方法最多。常用的方法有公式打算法、负id 补偿法、查表法、梯度低落法等。
2) 以电压为掌握工具，常用方法有单电流调节器法。
3) 以相角为掌握工具，常用方法有电流角度法。
4.1 永磁同步电机负id补偿法弱磁掌握
负id 补偿法的的基本思想是，不断检测电流调节器输出的电压指令，一旦电压指令超出限幅。负方向增加id，使得电机事情点左移，重新回到电压椭园环内[1]。图(2)为基于d 轴电流补偿的弱磁掌握框图，从图中我们也可以看出该方法实现起来也是相对大略的，利用的也是传统的PI调节。
该方法事理大略，易于实现，对参数依赖性性小。这些优点使得该方法在弱磁深度哀求不高的场合得到广泛运用。但是从事理上我们可以看到该方法紧张是对负方向增加id，但是在前述的区域III中，若要实现MTPV曲线运行，我们是要负方向减小id的值的，负id 补偿法从事理上就很难实现区域III的弱磁运行。实际上，在深度弱磁时，该方法的稳定性严重低落，乃至发生电机失落控。
文献[1]从数字化掌握系统的特点入手，剖析了电流失落控涌现的缘故原由，剖析结果表明，利用负id 补偿法进行弱磁掌握时，应该对id 进行准确合理的限幅，并在id 达到其限幅值后对iq 进行弱磁补偿，以担保系统的稳定可控。据此提出了一种改进的弱磁掌握策略，经实验验证，可有效提高永磁同步电机稳定可控运行的转速范围。
图2 基于d 轴电流补偿的弱磁掌握框图
Fig. 2 Field-weakening control block diagram based on d-axis current compensation
4.2 永磁同步电机查表法弱磁掌握
通过查表的弱磁掌握方法是根据磁链的变革，及磁链与转矩、电流之间的关系，须要通过大量实验测试选取一些转速点来丈量得到三者之间的数据关系，形成数据表。在电机运行时，电流参考值则通过查表得到，免去实时的电流参考值打算，从而进行恒转矩和恒功率掌握。
文献[10]中将交、直轴电流随转矩及定子磁链的变革关系作成表格。在电机运行过程中, 根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。由于该方法可以根据实际工况哀求同时得出交、直轴电流参考值, 可有效地提高系统的快速相应能力[10]。文献[10]中将功率5kW的内置式永磁同步电机由额定转速1000r/min，弱磁扩速至2 000 r/min时转速。图(3)为弱磁区域id，iq相应曲线，结果表明其基于查表法的弱磁掌握策略可得到较快的动态相应。
采取查表法的掌握算法精度较高，运行轨迹易于方案。但该方法须要大量实验数据，且是针对某台特定的电机进行实测，其运行性能优秀，但不易进行移植。
图3 弱磁区域id，iq相应曲线
Fig.3 i d，iq response curve in field weakening region
4.3 永磁同步电机梯度低落法弱磁掌握
梯度低落法是根据永磁同步电机的电压极限椭圆的电压递减方向和恒转矩运行曲线方向之间的夹角大小确定电机运行所在的弱磁区域，公式(6)用于打算电压递减方向与和恒转矩运行曲线方向之间的夹角。之后根据所在的弱磁区域，作相应的电流参考值改动，从而实现弱磁掌握，图(4)为梯度低落法弱磁掌握的算法框图。
对付电流参考改动值的大小紧张由电机输出的电压大小与电机限定电压的差值确定，根据区域的不同，完成电流参考值的改动。文献[6]中将电机从1800r/min弱磁到3600r/min,实验结果表明梯度低落法略优于传统方法，提高了直流母线电压利用率。
该方法对弱磁掌握区域划分明确，掌握精确，可以实现无限速率弱磁。算法可靠、鲁棒性好，相应快，避免了利用查表法须要大量实验数据带来的不便，可以实现对电机的实时性调节，但是实现程序比较繁芜。
图4 梯度低落法弱磁掌握算法框图
Fig.4 Block diagram of gradient descent fieldweakening method
4.4 永磁同步电机单电流调节器弱磁掌握
美国学者提出了一种新颖的单电流调节器掌握的弱磁掌握方法。该方法去掉了q轴的电流调节器，只保留了d轴电流调节器，图(5)是单电流调节器掌握框图，从图中我们可以看到q轴直接给定了一个电压旗子暗记VFWC,该掌握方法一旦id和Vq的值确定了，iq便会由电机内部自动调度到一个固定值，且iq的值与id的值线性干系，其关系知足下式(7)表达式[1]。
在文献[2]中，单电流调节器掌握大大供应了弱磁深度，使得电机最高转速可达基速的8倍以上。文献指出电压掌握具有天然的弱磁能力。电流指令跟踪由于电流电压对应关系不固定，造成弱磁时电流无法跟踪，电机失落控。而电压指令与逆变器输出电压直接对应，不会涌现失落控情形。同时也指出了电压掌握和单电流调节器掌握的一些缺陷。电压掌握存在动态相应差、转矩掌握能力弱、调节电压值选取难等缺陷。单电流调节器掌握比较双电流环掌握有效率降落、转矩输出能力低落等问题。
图5 单电流调节器掌握框图
Fig.5 Single current regulator control block diagram
4.5 永磁同步电机电流角度法弱磁掌握
改变电流矢量相角的方法是利用输入到电机的电压参考值和电机的限定电压Ulim之间的差值经由掌握器得到定子电流矢量与q 轴的掌握角[11,12]。在β = 0 时，解释电机运行在恒转矩区，相称于id = 0 掌握系统，当外部电压差值为负值时，经由掌握器环节，得到β ＜ 0，产生d 轴负向分量，使电机进入弱磁掌握区域，掌握框图如图(6)所示。
图6 电流角度法弱磁掌握框图
Fig.6 Block diagram of current angle fieldweakening method
结论
永磁同步电机弱磁方法浩瀚，永磁同步电机弱磁掌握方法按照掌握的工具不同，可以分为以电流掌握型、电压掌握型、相角掌握型三类。电流掌握型算法中，公式打算法易于方案轨迹，但无参数鲁棒性，实用代价很低。负id补偿法方法大略可靠，不依赖参数、鲁棒性好，但稳定性随转速上升而低落，不能实现三区的弱磁。查表法易于方案轨迹，可实现转矩对应，但须要大量的实验数据，针对某台特定电机，可移植性差。梯度低落法可实时调节弱磁方向，实现非线性掌握，但算法较繁芜，有一定参数依赖性。电压掌握型算法中，单电流调节器法的电压指令与逆变器输出电压直接对应，不易涌现电机失落控情形，易于方案轨迹，弱磁深度大大提高，电机最高转速可达基速的8倍以上，但存在动态相应较差、转矩掌握能力弱、调节电压值选取难等问题。相角掌握型算法中，电流角度法不依赖参数，鲁棒性好，但不能实现三区的弱磁。相对来说，电压掌握型算法可实现深度弱磁，具有一定发展潜力。
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