PMSM控制方式FOC-MTPA-弱磁簡介

主要內(nèi)容

一、IPMSM簡介二、PMSM的數(shù)學模型及FOC控制方式三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制四、弱磁控制一、IPMSM簡介永磁同步電機（PMSM)根據(jù)永磁體的裝嵌方式分為面裝式PMSM和插入式PMSM（interiorpermanentmagnetsynchronousMotor,IPMSM）。對于IPMSM，由于永磁材料的磁導率近似于空氣磁導率故具有凸極效應，結(jié)構(gòu)性凸極會產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩，在弱磁的恒功率區(qū)域具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，使IPMSM有更寬廣的調(diào)速范圍。

IPMSM的轉(zhuǎn)子采用永磁體且沒有繞組，控制的復雜性要低于異步電動機；同時由于其本身的高功率密度與高效率，使其在電動乘用車的應用領域發(fā)展前景十分廣闊。

目前技術已非常成熟的豐田“普銳斯”混合動力汽車的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)“ToyotaHybridSystem”正是采用IPMSM作為驅(qū)動電機。二、PMSM的數(shù)學模型及FOC控制方式正弦波PMSM按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式可分為（a）表貼式PMSM：隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Ld=Lq，但氣隙較大導致磁阻較小，電感較小（b）嵌入式PMSM：凸極式Ld<Lq,功率密度大，輸出轉(zhuǎn)矩能力強，適用于較高轉(zhuǎn)速，但漏磁系數(shù)大（c）內(nèi)埋式PMSM：凸極式，高氣隙磁通密度，適用于超高速，輸出轉(zhuǎn)矩能力最大，但結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴

PMSM的在d-q軸上的數(shù)學模型二、PMSM的數(shù)學模型及FOC控制方式坐標變換Clark變換Park變換iclark變換iPark變換二、PMSM的數(shù)學模型及FOC控制方式PMSM矢量控制方法（FOC）原理借助于坐標變換，將各變量從三相靜止坐標系變換到跟隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上，定子電流矢量按d-q軸被分解id和iq（其中id為勵磁電流分量，iq為轉(zhuǎn)矩電流分量），轉(zhuǎn)矩方程（2）中，通過對id和iq的控制可以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。（1）（2）二、PMSM的數(shù)學模型及FOC控制方式MTPA控制方式即最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式，在該控制方式下，幅值一定的電子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，等價于對應相同的電磁轉(zhuǎn)矩，在該控制下所需的定子電流最小，進而對應的電動機銅損也最小。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(maximumtorqueperampere,MTPA)的優(yōu)點：（1）在定子電流給定的情況下，獲得最佳的d、q軸電流分量，使得電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩最大。

（2）在輸出電磁轉(zhuǎn)矩給定的情況下，使電機輸入電流最小。

MTPA控制在不影響輸出轉(zhuǎn)矩的前提下可以降低電機的銅耗，提高運行效率，尤其是在汽車啟動、加速以及爬坡時降低電驅(qū)動系統(tǒng)的實際容量。三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制Id、Iq、Ia的關系為：將式（1）帶入扭矩公式，再將Te對iq求導，令導數(shù)等于零，可以得到：(1)(2)式（2）能簡化為：(3)解得id：(4)三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制在實際控制中，一般將各矢量標幺化，所以將上式進行標幺化，并代入恒轉(zhuǎn)矩公式表達式的標幺化結(jié)果

Te*=iq*(1-id*)

可以得到電磁轉(zhuǎn)矩用dq軸電流分量的標幺值表示為

(6)(5)三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制三、最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制反過來，此時用電磁轉(zhuǎn)矩的函數(shù)式f1(Te*)和f2(Te*)可以表示出定子電流分量id*

和iq*

。根據(jù)函數(shù)式f1(Te*)和f2(Te*)，在轉(zhuǎn)矩給定已知的情況下，可以求出最小的交直軸電流，以此結(jié)果作為電流給定，即可實現(xiàn)電動機的MTPA控制，其框圖如圖所示。這種控制方式具有減小電機損耗，提高系統(tǒng)工作效率等優(yōu)點，但由于計算公式復雜而不便于工程應用。所以，如何實現(xiàn)有效可行且各項性能較好的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式，是國內(nèi)外學者研究的熱點。永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩電流比控制系統(tǒng)框圖四、弱磁控制PMSM轉(zhuǎn)速要上升到基速之上，就必須通過弱磁控制來調(diào)節(jié)定子電流。假如電機的控制系統(tǒng)中沒有采用弱磁控制，那么電機的轉(zhuǎn)矩將快速下降使電機很快喪失負載能力。如果僅依靠優(yōu)化電機設計本身來提高速情況下的負載能力，那樣設計出的PMSM定子電感偏小，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下定子電流很大，加重了變頻器容量負擔，必須采用額定參數(shù)較大的電力電子器件，提高了系統(tǒng)成本四、弱磁控制永磁同步電機不存在轉(zhuǎn)子勵磁繞組，也沒有勵磁電流，所以無法通過降低勵磁電流來降低反電動勢。在PMSM中永磁體的勵磁磁場是恒定不變的，只有想辦法調(diào)節(jié)定子電流矢量，使之去磁分量增加來“抵消”一部分永磁磁通，進而使電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。對于PMSM的定子電壓有：

從式可以知道要通過控制定子電流矢量來減小定子電壓只有2個方法：減小Iq或者是給定一個負的Id。方程式中其他參數(shù)基本都是隨著電機運行狀態(tài)的改變而基本維持不變的。

四、弱磁控制方法1：在電流環(huán)的控制過程中人為的加入一個負id

，并且是它的幅值隨著同步轉(zhuǎn)速的上升而增加，使去磁作用不斷增加以維持定子上的電壓平衡。方法2：在電流環(huán)的控制過程中人為的減小iq，其實質(zhì)上就是減小定子電流矢量的助磁作用及氣隙合成磁場。提高定子的交軸電感Lq可以放大這種等效弱磁作用。但是減小iq對于PMSM的轉(zhuǎn)矩有很大的影響，從上式可知道PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩主要由iq貢獻，減小iq實質(zhì)上是以降低電機的性能來換取調(diào)速范圍。因此，一般是通過增加負id的方式來擴大電機的調(diào)速范圍，即采用方法一來對永磁同步電機進行弱磁。四、弱磁控制系統(tǒng)運行在弱磁控制模式時，隨著轉(zhuǎn)速升高，電機輸出功率恒定不變。只要電流分控制在電壓極限圓和電流極限圓的交集中，就可以形成一個恒定功率的調(diào)速區(qū)域。這時PMSM的定子電流矢量將沿著電流極限圓向著d軸的負方向旋轉(zhuǎn)。運用不等式來表述恒功率弱磁的前提條件為：E0、Xd分別是永磁同步電機的反電動勢和直軸電抗。電機能夠運行在極限大