永磁同步电机弱磁控制方法 摘要： 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，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽 转速范围的调速需求，对其进行弱磁控制并拓宽调速范围有着重要意义。本文针对现在常用的几种永磁同步电机 弱磁控制方法进行综述。基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负 id 补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法 ,分析了各方法的原理及特点，得出以电压为 控制对象的弱磁方法具有一定发展前景的结论。 关键词： 永磁同步电机；弱磁控制；内置式永磁同步电机；矢量控制 The Field Weakening Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: PMSM because of its high power density, high reliability and high efficiency characteristics, at a higher speed requirements of electric vehicle drive system has been widely used. PMSM weakening control technology must be used to meet the needs of a wide speed range . And because of its salient pole effect, it is of great significance to broaden the scope of the weak magnetic field of IPMSM. In this paper, the commonly used weakening control method of PMSM are reviewed.Based on the different control object,we classify the weak magnetic control method, and introduces in detail the negative id compensation method, look-up table method, gradient descent method, current angle method, single current regulator method that is used commonly at present, analyzes the principle and characteristics of each method.Finally, we conclude that voltage control prospects . Key words: PMSM; the field weaking control; IPMSM;FOC field weeking method has development 1 引言 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，在电动汽车等要求较高的调速驱动 系统中得到了广泛的应用 [1, 2]。永磁同步电机必须 采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求。 永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电 机的调磁控制，对永磁同步电机弱磁控制的研究始 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] 。内置式永磁电机结构简单、 鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁控 制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，在转速要求较高 需要弱磁运行的场合难以实现，在某些应用场合受 到限制。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论 是从控制角度还是本体结构的合理设计选取的角 [7] 。所以有 度，一直是国内外学者研究解决的热点 必要对现有的永磁同步电机弱磁控制方式进行综 合分析研究。本文将针对现在常用的几种永磁同步 电机弱磁控制方法进行综述。文中基于控制对象的 不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目 前比较常见的负 i d 补偿法、查表法、梯度下降法、 电流角度法、单电流调节器法等方法。 2 永磁同步电机弱磁控制研究现状 2.1 永磁同步电机控制技术的研究现状 近二十年多年来电动机矢量控制、直接转矩控 制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进 步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到 了一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系 统仍以采用矢量控制的为多。 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相 位和幅值的控制。 从式 (1)可以看出，当永磁体的励 - 1 - 

磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩就取 决于 i d 和 iq，控制 id 和 i q 便可以控制转矩。通过控 制电流跟踪给定便实现了电动机转矩和转速的控 制。 T e 3 2 n [ p i f q ( L d ) L i q i d q ] (1) 2.2 永磁同步电机弱磁控制的研究现状 目前，永磁同步电机的弱磁问题主要从本体和 控制策略的角度着手研究。一些学者从电机本体结 构的角度， 通过改变励磁回路、 永磁励磁磁通旁路、 混合励磁调节气隙磁通等方法对电机的弱磁性能 进行改善。另一些学者则从控制策略的角度来提高 永磁同步电机的弱磁性能。本文主要从控制策略的 角度来介绍。弱磁控制大多采用基于磁场定向控制 (field-oriented control ， FOC) 和 最 大 转 矩 电 流 比 (maximum torque per ampere， MTPA) 控制。 MTPA 而 FOC 控制主要用于低转速运行时提高电机效率， 控制主要在于设计 d 轴、q 轴电流调节器。 常见的 弱磁控制策略有公式计算法、 查表法、 梯度下降法、 负 i d 补偿法、单电流调节法、电流角度法等。公式 计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 中应用。查表法通过大量的实验数据并制成表格， 减少了电机控制芯片的实时计算量，实现起来较为 复杂。 梯度下降法计算量大， 实现较复杂。 负 i d 补 偿法实现简单， 但不能实现在弱磁区域 III 的弱磁。 III 的弱磁。单电 电流角度法不能实现在弱磁区域 流调节法以电压为调节对象，实现了深度弱磁，具 有一定发展前景， 同时也存在一定缺点， 有待改进。 3 永磁同步电机的弱磁控制原理 3.1 永磁同步电机弱磁控制的基本电磁关系 永磁同步电机的控制是与系统中的逆变器密 切相关的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。 其中最明显的是电动机的相电压有效值的极限值 U lim 和相电流有效值 I lim 要受到逆变器直流侧电压 和最大输出电流限制。则电压极限椭园和电流极限 圆的图形如图 (1)所示。 电压方程满足： u ( L i q q 2 R i 1 d ) ( L i d d 2 R i 1 q ) f 如果忽略电阻，以 ulim 代替 u,则电压方程满足： u lim ( 2 L i q q ) ( L i d d 2 ) f (4) (3) 电流方程满足： 2 d i 2 q i 2 lim i (5) 电压极限椭园 ω a 转速增加 电流极限环 B i s D C A O E F 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 永磁同步电机弱磁控制的的区域划分 1990 年日本学者 S.Morimoto 对永磁电机运 行区域进行了分析总结，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 情况，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，采用线性最大 转矩电流比控制 (MTPA) ，使永磁同步电机获得最大 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。 u 2 u d u 2 q (2) 4 永磁同步电机的弱磁控制方法 当电机稳定运行时： 永磁同步电机的弱磁控制方法按照控制的对 - 2 - 

象不同，可以分为三类： 1) 以电流为控制对象， 控制电流为传统弱磁控制方 法，控制方法最多。常用的方法有公式计算法、负 则通过查表得到，免去实时的电流参考值计算，从 而进行恒转矩和恒功率控制。 文献 [10] 中将交、直轴电流随转矩及定子磁链 i d 补偿法、查表法、梯度下降法等。 2) 以电压为控制对象， 常用方法有单电流调节器法。 3) 以相角为控制对象，常用方法有电流角度法。 4.1 永磁同步电机负 i d 补偿法弱磁控制 负 i d 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，使得电机工作点左移，重新回到电压 椭园环内 [1] 。图 (2)为基于 d 轴电流补偿的弱磁控制 框图，从图中我们也可以看出该方法实现起来也是 相对简单的，使用的也是传统的 PI 调节。 该方法原理简单，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要求不高的场 合得到广泛应用。但是从原理上我们可以看到该方 法主要是对负方向增加 中，若要实现 MTPV 曲线运行， 我们是要负方向减 小 i d 的值的，负 i d 补偿法从原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 稳定性严重下降，甚至发生电机失控。 id，但是在前述的区域 III 文献 [1] 从数字化控制系统的特点入手，分析了 i d 补 电流失控出现的原因，分析结果表明，使用负 偿法进行弱磁控制时，应当对 i d 进行准确合理的限 幅， 并在 i d 达到其限幅值后对 iq 进行弱磁补偿， 以 保证系统的稳定可控。据此提出了一种改进的弱磁 控制策略，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。 * i s MTPA △i d + * i d0 + PI * i d + - u max + - u 2 d 2 u q i d PI PI *2 s i *2 d i * i q + - i q , 根据转 的变化关系作成表格。在电机运行过程中 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 , 可有效地提 况要求同时得出交、直轴电流参考值 高系统的快速响应能力 [10] 。文献 [10] 中将功率 5kW 1000r/min ，弱磁 的内置式永磁同步电机由额定转速 扩速至 2 000 r/min 时转速。图 (3)为弱磁区域 id， iq 响应曲线，结果表明其基于查表法的弱磁控制策略 可获得较快的动态响应。 采用查表法的控制算法精度较高，运行轨迹易 于规划。但该方法需要大量实验数据，且是针对某 台特定的电机进行实测，其运行性能优良，但不易 进行移植。 i d 1 i q 2 CH1 200mV CH2 100V M 100ms t/ms 图 3 弱磁区域 id， iq响应曲线 Fig.3 i d， iq response curve in field weakening region 4.3 永磁同步电机梯度下降法弱磁控制 梯度下降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， 用于计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 电流参考值修正， 从而实现弱磁控制， 图 (4)为梯度 下降法弱磁控制的算法框图。 公式 (6) 图 2 基于 d 轴电流补偿的弱磁控制框图 对于电流参考修正值的大小主要由电机输出 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控制 通过查表的弱磁控制方法是根据磁链的变化， 及磁链与转矩、电流之间的关系，需要通过大量实 验测试选取一些转速点来测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 的电压大小与电机限定电压的差值确定，根据区域 的不同， 完成电流参考值的修正。 文献 [6] 中将电机 从 1800r/min 弱磁到 3600r/min, 实验结果表明梯度 下降法略优于传统方法，提高了直流母线电压利用 率。 该方法对弱磁控制区域划分明确，控制精确， 可以实现无限速度弱磁。算法可靠、鲁棒性好，响 - 3 - 

应快，避免了使用查表法需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 序比较复杂。 i q L d r 1 i d V FWC f r 1 (7) cos ( T T U U d )( , q , d ) / TU q (6) i * d,m i * q,m PI 电流修 正值 U ref U dc / 3 - + 2 u d 2 u q omg* + - omg PI I d* + - I d Vq VFWC Vd SVPWM PI θ + i d + MTPA i q i * d i * q 电流调节器 Ud Uq 图 4 梯度下降法弱磁控制算法框图 Fig.4 Block diagram of gradient descent field weakening method 4.4 永磁同步电机单电流调节器弱磁控制 美国学者提出了一种新颖的单电流调节器控 q 轴的电流调节 制的弱磁控制方法。该方法去掉了 器， 只保留了 d 轴电流调节器，图 (5)是单电流调节 q 轴直接给定了 器控制框图，从图中我们可以看到 一个电压信号 V FWC,该控制方法一旦 i d 和 V q 的值确 定了， iq 便会由电机内部自动调整到一个固定值， 且 i q 的值与 i d 的值线性相关，其关系满足下式 (7) 表达式 [1] 。 在文献 [2] 中，单电流调节器控制大大提供了弱 8 倍以上。 磁深度，使得电机最高转速可达基速的 文献指出电压控制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，电机失控。而电压指令与逆变器输出 电压直接对应，不会出现失控情况。同时也指出了 电压控制和单电流调节器控制的一些缺点。电压控 制存在动态响应差、转矩控制能力弱、调节电压值 选取难等缺点。单电流调节器控制相比双电流环控 制有效率降低、转矩输出能力下降等问题。 控制型、电压控制型、相角控制型三类。电流 控制型算法中，公式计算法易于规划轨迹，但无参 数鲁棒性，实用价值很低。负 id 补偿法方法简单可 靠，不依赖参数、鲁棒性好，但稳定性随转速上升 而下降，不能实现三区的弱磁。查表法易于规划轨 迹，可实现转矩对应，但需要大量的实验数据，针 对某台特定电机，可移植性差。梯度下降法可实时 调节弱磁方向，实现非线性控制，但算法较复杂， 图 5 单电流调节器控制框图 Fig.5 Single current regulator control block diagram 4.5 永磁同步电机电流角度法弱磁控制 改变电流矢量相角的方法是利用输入到电机 U lim 之间的差值经 的电压参考值和电机的限制电压 过控制器得到定子电流矢量与 q 轴的控制角 [11, 12]。 在 β = 0 时，说明电机运行在恒转矩区， 相当于 id = 0 控制系统，当外部电压差值为负值时，经过控制 器环节，得到 β ＜ 0，产生 d 轴负向分量，使电 机进入弱磁控制区域，控制框图如图 (6) 所示。 i * d,m i * q,m limU - + 2 u d 2 u q PI i s i ssin β i scosβ i d i q 图 6 电流角度法弱磁控制框图 Fig.6 Block diagram of current angle field weakening method 结论 永磁同步电机弱磁方法众多，永磁同步电机弱 磁控制方法按照控制的对象不同，可以分为以电流 有一定参数依赖性。电压控制型算法中，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 易出现电机失控情况，易于规划轨迹，弱磁深度大 大提高，电机最高转速可达基速的 在动态响应较差、转矩控制能力弱、调节电压值选 取难等问题。相角控制型算法中，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，电压控制型算法可实现深度弱磁，具有一定 8 倍以上，但存 - 4 - 

发展潜力。 considering inverter capacity[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1990,26(5):866-71. 致谢 感谢高瑾老师对本工作的帮助，在此表示感谢！ [6] 盛义发 ,喻寿益 ,桂卫华 .轨道车辆用永磁同步电机系统弱 参考文献 ： [1] 朱磊 ,温旭辉 ,赵峰 .永磁同步电机弱磁失控机制及其应对 策略研究 [J]. 中国电机工程学报 ,2011,4(18): 67-72. [2] 朱磊 ,温旭辉 ,薛山 .车用永磁同步电机弱磁控制技术发展 现状与趋势 [C]. 全国智能交通系统协调指导小组 ,全国清洁 磁控制策略 [J].中国电机工程学报 ,2010,6(09):74-9. [7] 万佳 ,赵魁 ,柴凤 .弱磁型永磁同步电机研究综述 [J]. 微电 机 ,2014,10(01):1-6+21. [8] 唐任远 .现代永磁电机理论与设计 [M]. 北京 :机械工业出版 社 .2002:258-63. [9] 孙旭霞 ,岳经凯 .永磁同步电机 MTPA 弱磁控制方法研究 汽车行动协调领导小组 ,中国智能交通协会 ,2009,07(10):7. [J]. 电气传动 ,2012,5(11):62-4. [3]B.Sneyers,D.W.Novotny,T.A.Lipo.Field weakening in buried permanent magnet ac motor drives[J].IEEE Transactions [10] 王莹 ,唐任远 ,曹先庆 .内置式永磁同步电动机弱磁控制 实验研究 [J]. 微电机 ,2008,3(11):1-4. on Industry Applications,1985,21(2):398-407. [11] 罗德荣 ,曾智波 ,黄守道 .电动汽车用永磁同步电机超前 [4]T.M.Jahns,G.B.Kliman,T.W.Neumann.Interiorper magnet 角弱磁控制 [J].湖南大学学报 ( 自然科学版 ),2011,7(03):40-4. synchronous motors for adjustable-speed drives[J].IEEE [12] 于家斌 ,秦晓飞 ,郑军 .一种改进型超前角弱磁控制算法 Transactionson Industry Applications,1986,22(4): 398-407. [J]. 电机与控制学报 ,2012,7(03):101-6. [5]S.Morimoto,Y .Takeda,T.Hirasa.Expansion of operating limits for permanent magnet motor by current vector control - 5 -