永磁电机弱磁原理，永磁同步电机弱磁控制-表贴电机弱磁算法

很多朋友对永磁电机弱磁原理，永磁同步电机弱磁控制-表贴电机弱磁算法不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

表贴式永磁同步电机具有结构简单、控制相对容易、转矩精度高、动态性能好等优点，被广泛应用于低速工业领域，如主轴伺服、工业机器人等行业。本期我们就来讲讲如何控制表贴式永磁同步电机的弱磁问题。基于电机参数的弱磁控制算法

因为永磁体内部的磁导率接近空气，所以永磁体可以直接看作气隙的一部分。对于三相绕组产生的电枢磁动势，表贴式永磁同步电机的气隙是均匀的，所以可以认为表贴式永磁同步电机的D轴和Q轴磁路大致相同，即Ld=Lq=Ls。对于表贴式永磁同步电机，磁场定向轴系下的动态电压方程如下：忽略电流变化的动态分量，SPMSM的稳态电压方程为：

在《永磁同步电机弱磁控制-基本概念》中，我们介绍了高速时之所以需要弱磁控制，是为了防止电流回路因输出电压过饱和而失控，所以弱磁控制就是通过人为改变电流设定来降低Ud或Uq，从而防止输出电压Us过饱和。电机控制的目的是使电机输出所需的转矩(速度控制也用速度环来调节给定的转矩)。对于SPMSM，由于Ld=Lq，电机的电磁转矩完全由永磁转矩组成：

如果忽略永磁链的变化，SPMSM的输出电磁转矩与iq成正比，所以在SPMSM控制系统中，工程师往往直接将速度环的输出设计为iqref，而不是转矩给定。参数计算和弱磁控制的实现1、利用iqref和电机角速度计算所需的Ud_cal:注意：这里计算Ud_cal时，使用的idref是前一拍的值，因为我们花了半天时间试图计算这一拍的idref。2、使用Usmax和Ud_cal计算Q轴可以使用的最大电压Uq _ cal

3、根据Uq_cal计算D轴电流指令idref:通过以上步骤得到的电流指令组合(idref，iqref)可以使输出电压保持临界饱和，理论上可以保证电流环控制的稳定性。这种利用反馈速度、Usmax和电机本体参数计算D轴弱磁电流指令，使电流环输出电压Us不超过最大输出电压Usmax的方法，就是参数计算弱磁控制。

参数计算弱磁策略只需简单计算电机参数即可实现弱磁控制，易于理解和实现。这种方法虽然理论上可以保持控制系统的可控性，但在实际工程产品中基本不使用。这主要是因为这种弱磁控制非常依赖于准确的电机本体参数，但是很难准确获取电机本体参数(实际上根本不可能获取)。

有些攻城狮可能会有这样的疑问：目前市面上很多变频器都有离线参数辨识功能，可以获得准确的电机参数并用于磁场定向，而且都有不错的性能。这些参数会不会不准确？

事实上，即使是一些号称能获得准确参数的厂商，离线辨识得到的电机参数也不可能真正准确(就是给这些厂商丢脸)。从电控小白的经验来看，辨识参数偏差能控制在10%以内就很不错了。

利用辨识出的参数进行磁场定向可以获得良好的性能，因为参数的偏差主要导致软件定向角度与实际磁场角度之间存在一定的角度偏差，影响电机的转矩精度和最大转矩能力。这些问题在一般应用中是不会暴露的。

也许有些攻城狮朋友会说白棋的电子控制没用，实际产品中并没有使用这种方法。你长时间呆在这里是不对的。电子控制器小白之所以介绍这种方法，是想让大家通过它了解弱磁控制的基本思想。基于D轴的电压外环弱场控制

通过参数计算的弱场控制算法可以看出，弱场控制的基本思想是通过人为增加一个小于0的Idref来降低Q轴电压，从而降低输出电压幅值。基于这一思想，我们可以利用一个调节器自动产生Idref，根据系统最大输出电压(Usmax)与电流环输出电压幅值(Us)的偏差，自动降低Q轴电压(Uq)。这是电压外环弱磁控制，其基本控制框图如下：

结合控制框图，我们可以详细分析这种电压外环弱磁控制的流程：1)电压外环的输出是PI调节的结果，具体实现如下：2)当电机转速增加或iqref增加，导致电流环Us的输出电压超过Usmax，因为Usmax-Us0，在电压外环PI的作用下(尤其是积分的作用)，idref会由0变为负值；3)电流环根据电压外环输出的idref控制D轴电流，从而降低Q轴电压Uq，实现Us的降低；

4)当电压外环的idref输出降低Us等于Usmax，Usmax-Us=0时，电压外环的PI输出不变，idref保持不变，电流环的输出电压维持Usmax输出，从而实现电流控制；5)当电机转速降低或iqref降低时，电流环Us的输出电压会小于Usmax，Usmax-Us0，idref在电压外环PI的作用下会增大(负-0)；提高Q轴电压Uq，实现Us的增加，使Us保持在Usmax附近，从而保证控制系统的电压利用率。

通过以上五步分析，希望能帮助你更好的理解电压外环弱磁场的机理：利用电流环输出电压Us与最大输出电压Usmax的偏差，自动调节D轴弱磁场电流idref，使电流环输出电压维持在Usmax输出，保证系统电压利用率，使系统运行在最佳状态。小贴士：

1)将电压外环的输出值限制在小于等于0是非常重要的：因为在低速非弱磁场区，电流环的输出电压必须小于Usmax，如果此时电压外环开始工作，就会被正向积分，输出一个大于0的idref，这就增加了系统的输出电压， 这对我们的控制是不利的(尤其是在极低速区，即使idref=ismax，也不可能使我们达到usmax)，所以此时需要将电压外环的输出限制在小于Usmax。

2)电压外环由PI调节。虽然理论上可以将电流输出控制到Usmax，但实际情况是Us会在Usmax附近波动，PI的强度会影响Us的波动。不合适的PI参数可能导致电压外环振荡失控。

3)电压外环弱磁控制在调节idref之前，要求Usmax和Us之间有一个偏差，控制Us在Usmax附近需要一定的调节时间。所以在动态响应快的应用中，当负载或速度变化较快时，可能会出现短时间(通常是ms级时间)的电流失控，这是正常的。在保证系统稳定性的前提下，提高PI参数可以缩短失控时间。

优点：不受电机参数影响，即使电机参数偏差较大，也能自动调节弱磁电流，实现控制系统的弱磁控制；缺点：引入了PI控制回路，增加了系统的不稳定风险。不合理的PI设置可能导致弱磁回路振荡甚至控制失败。基于DQ双轴的电压外环弱场控制

基于D轴的电压外环弱磁控制通过PI自动调节idref实现弱磁控制。这种弱磁方式一般能满足限速系统的使用要求，但仍可优化。我们先来分析一个工况：

前面电控小白说过实际电机系统都存在最大可运行电流，因此idref会有一个最小值idmin（id是负数，对应绝对值最大）限制。电机进入弱磁区域后，随着电机转速不断升高，idref将会逐渐减小（绝对值增大）；只要转速升高到足够高，idref就会达到idmin，此时D轴电压外环饱和，失去弱磁调节能力，如果电机转速继续升高，系统将再次失去控制。

为了处理这种工况，进一步提升电机的弱磁运行区域，电控小白给大家分享一种优化的DQ双轴弱磁控制策略。

我们继续分析上面的工况：

对于D轴电压外环输出饱和这种工况，此时的idref=idmin，Uq达到当前转速下所能达到的最小值，此时已经不能通过减小Uq来减小Us。

Us是Ud和Uq的矢量合成，减小Ud的绝对值同样可以减小Us，因此这时候可以借鉴D轴电压外环弱磁的思想，通过电压外环来调节iqref，实现Us的减小，保证控制系统稳定，拓展电机的弱磁运行区域，其控制框图如下：

我们以正转电动（wr0，iqref0）工况来分析一下DQ双轴弱磁策略的作用机制：

1）当D轴电压外环饱和后，idref被限幅为idmin，此时电流环输出Us超过Usmax，在PI作用下，idref0将继续减小，使idref0与idref的偏差小于0：

2）sign（iqref0）是取iqref0的符号，即：

对于正转电动（iqref0）情况，sign（iqref0）=1，因此：

因此利用iq就能减小Q轴电流给定iqref，从而使Ud的绝对值减小，保证电流的受控性，拓展了电机的弱磁运行区域。

采用DQ双轴电压外环弱磁控制可以拓展电机的弱磁运行区域，但是这种拓展也是有限制的，不能使电机转速无限制的升高。

当控制系统在电压外环的调节作用下，达到了idref=idmin，同时iqref=0，则系统已经处于极限弱磁转速，这表明在当前母线电压下，控制器所能使电机可控运行的极限能力也就是这样了，如果电机被主动负载拖动继续升高转速，电流将失去控制，可能导致变频器损坏。

这里举一个形象化的栗子方便大家理解：以电控小白现在的收入能力（母线电压），极限也就是在掏空六个钱包的情况下能在六环买一套80平的小房子（极限转速）（后悔年轻的时候没努力搞好技术，导致现在收入太低），如果忽视这个极限能力，强行去五环内买了一套三居，那电控小白最终只能是被房贷压垮，最后房子被银行没收，首付都打水漂了（控制器损坏）。

总结

这次分享主要介绍了表贴式永磁同步电机弱磁控制的基本思想，并结合这种思想介绍了三种常用的弱磁控制方法：参数计算弱磁策略、D轴电压外环弱磁策略、DQ双轴电压外环弱磁策略。

参数计算弱磁是基于理想的分析诞生的弱磁策略，对电机本体参数极度依赖，不具有产品化的实际意义。

D轴电压外环弱磁策略规避了对电机本体参数的依赖，增强了控制系统的鲁棒性，在工程产品中获得了广泛使用，这种弱磁方法基本能满足实际工况使用。

对D轴电压外环弱磁策略进一步优化得到DQ双轴电压外环弱磁策略，可以进一步拓展电机的弱磁区域；但是对Q轴电流的调节会降低系统出力能力，在实现上需要注意的细节更多。各位攻城狮可以结合自己的产品实际需求选择适合的弱磁策略。

本篇文章主要是针对有限转速电机系统的弱磁方法分析，在本专题的后续文章中，电控小白将带来关于无限转速系统电机的弱磁控制策略，并为大家分享另外一种弱磁控制思路—单电流调节器弱磁控制策略。

以上知识分享希望能够帮助到大家！