永磁同步电机弱磁调速原理（永磁同步电机弱磁控制仿真）

1 弱磁场扩展理论

PMSM弱磁的思想来源于他励直流电机的磁化控制。众所周知，当他励直流电机的端电压达到最大值时，就无法再通过调压、调速来提高转速了。唯一的办法就是减少电机的励磁电流，从而减少励磁磁通，从而保证电压平衡。电机速度增加到额定速度以上。

永磁同步电机的励磁磁通由永磁体提供，并且这个磁通是恒定的。如果此时想要降低磁通强度，只能通过增大定子电流的退磁分量来削弱气隙磁通，从而达到相当于他励直流电机的弱磁效果。

1.1 从公式层面解释弱磁原理

永磁同步电机弱磁控制的本质和规律可以用电压平衡方程来解释

从公式可以看出，当电压达到最大时，如果想要提高速度，只能调整id和iq。这就是电机的弱磁运行方法。同时，电机的电流也受到相应限制。当增加iq 时，必须减小id 以保持当前向量的大小不变。一般情况下，弱磁速度扩展是通过增大id来实现的。

1.2 电压极限环的概念

由公式推导可知，电压极限的轨迹是椭圆环，电机的电压方程为：

这有什么物理意义呢？其实从图中可以看出，为了让电机稳定运行，电压必须在这个电压限制圆的曲线之内。一旦超过电压极限圈，电机就会不稳定。

1.2 电压限流环概念

我们来了解一下限流环的概念。永磁同步电机的电流限制可由下式描述：

式中Ilim为电机最大允许相电流值。

有了电流限制环的概念，结合电压限制环，我们可以知道，如果要电机稳定运行，电流矢量的终点必须落在电流限制环和电压限制环的圆内。即电流矢量的终点必须落在限压环和限流环的公共区域内，否则电机将无法稳定运行。

2 如何实现弱磁扩速

有了上述概念，我们如何在仿真中实现弱磁呢？使用双电流调节器进行超前角弱磁控制。

2.1 什么是导程角？

定义：超前角是定子电流矢量在两相旋转坐标系dq坐标系中超前q轴的电角度。如下所示

2.2 超前角弱磁原理是什么？

当转速达到转速时，电流调节器仍处于饱和状态，定子电压已达到极限状态。如果此时通过电压反馈调整超前角，使其在达到额定转速后增大，则直轴的退磁电流将向相反方向增大，交轴的电流也会减小。随着直轴退磁电流的增大，磁通量减小。这样可以在不增加逆变器容量的情况下实现弱磁。

2.3 超前角控制框图

具体来说，在Simulink中如何判断是否达到了额定速度呢？

电流调节器的输出ud和uq作为弱磁调节器的输入，并与逆变器可以输出的最大电压Umax进行比较。两者之间的偏差作为弱磁环节中PI调节器的输入，PI调节器输出Lead角来调整iq和id的给定值。

3 实验结果分析

速度波形：电机额定转速为2300，不弱磁，超过2300后电机直接跑路（0.5s为1000，1s为2000，1.5s为3000，以此类推）

概括：

先进角场弱化方法的特点是结构简单、易于实现、更容易在实验中实现。然而，采用超前角弱磁，仍然存在弱磁电流过大导致退磁的风险。虽然图中的波形有小毛刺，明显有较大的过冲，导致波形难看，但基本实现了弱磁扩速，可以带载运行。模型中还有很多地方需要修改。

编辑：hfy