电力电子技术
Power Electronics
Vol.45
，
No.3
March 2011
第
45
卷第
3
期
2011
年
3
月
i
q
=0
代 入 式 （
9
）可 得 ：
ω
c
=U
lim
/Ψ
f
（
11
）
当 式 （
9
）中 的
i
d
取 逆 变 器 输 出 的 最 大 电 流
I
lim
，
而
i
q
=0
可 得 ：
ω
E
=
U
lim
2
-
（
R
s
I
lim
）
2
姨
Ψ
f
-L
d
I
lim
（
12
）
当
IPMSM
转 速 升 高 沿 最 大 转 矩 电 流 比 曲 线
到 达 图
4
中
A
点 时 ，不 同 于 隐 极 电 机 的 是 这 时 由
于 存 在 去 磁 电 流
-i
d
，
IPMSM
并 不 需 要 马 上 进 入 到
弱 磁 控 制 模 式 仍 可 提 高 转 速 。 转 速 在
ω∈
（
ω
0
，
ω
c
）
范 围 内 ， 电 压 极 限 曲 线 和 最 大 转 矩 电 流 比 曲 线 是
有 交 点 的 ， 如
ω=ω
1
时 交 于 点
I
， 即 电 机 空 载 时 在
转 速
ω∈
（
ω
0
，
ω
c
）的 范 围 内 仍 可 按 最 大 转 矩 电 流 比
给 定 电 流 。 结 合 图
3
中 的 恒 转 矩 曲 线 可 见 ，在
ω∈
（
ω
0
，
ω
c
） 具 体 进 入 弱 磁 的 转 速 点 是 由 当 时 的 负 载
决 定 的 。负 载 越 大 （不 超 过 额 定 负 载 ），电 机 就 在 越
靠 近
A
点 的 一 端 进 入 弱 磁 ，那 么 对 应 的 切 换 瞬 间
i
d
的 值 也 越 大 ，记 此 时 的
i
d
为
i
d
s
。
传 统 弱 磁 策 略 是 利 用
3
（
u
d
2
+u
q
2
）
姨
与 直 流 侧 电
压
U
dc
的 差 值
PI
调 制 出
i
d
负 反 馈 到 电 流 环 。
i
d
由
零 跟 踪 到
i
d
s
需 一 定 时 间 ，致 使
i
q
的 变 化 滞 后 于
i
d
。
当
i
d
超 过
i
d
s
后 ，
i
q
不 会 立 刻 沿 图
4
的
B→C→D
方
向 减 小 ， 而 是 由 转 速 上 升 的 需 要 保 持 增 加 的 趋 势
一 段 间 。 这 样 在 电 机 带 大 负 载 时 ，很 容 易 在 控 制 模
式 切 换 的 过 程 中
i
s
=
i
d
2
+i
q
2
姨
会 超 过 电 流 极 限 圆 。
所 以 有 必 要 采 取 电 流 超 前 角 弱 磁 控 制 方 式 来 保 持
过 渡 时 电 流 轨 迹 的 平 整 以 使 系 统 更 加 稳 定 。
3
IPMSM
电流超前角弱磁控制策略
通 过 上 述 分 析 ，可 知 要 保 证
IPMSM
切 换 控 制
模 式 时 的 电 流 轨 迹 平 整 ， 就 必 须 负 反 馈
i
d
的 同 时
保 证
i
q
适 当 减 小 ， 控 制 电 流 矢 量 沿 图
3
中 的
B→
C→D
向
d
轴 负 方 向 偏 转 达 到 弱 磁 扩 速 的 目 的 。
3.1
电 流 超 前 角 控 制 系 统 结 构
图
5
示 出 提 出 的 电 流 超 前 角 弱 磁 控 制 策 略 的
系 统 框 图 。 图 中 转 速 环 主 要 得 到 转 子 位 置 角
θ
，经
取 微 分 得 到 电 角 速 度
ω
。 通 过 转 速 调 节 器 得 到 转
矩
T
e
，由 电 流 发 生 器 按 照 最 大 转 矩 电 流 比 控 制 的
要 求 给 出
i
d
*
和
i
q
*
，
d
，
q
轴 的 电 流 参 考 值 在 角 度 运
算 器 中 作 极 坐 标 到 直 角 坐 标 的 变 换 以 及 逆 变 换 。
当 转 速 超 过 基 速 时 切 换 到 弱 磁 控 制 模 式 ， 弱 磁 控
制 器 生 成 系 数
ξ
作 用 到 电 流 超 前 角
β
上 生 成
i
dn
*
和
i
qn
*
。
i
d
，
i
q
经 过
PI
调 节 和 电 流 解 耦 后 得 到
u
d
*
和
u
q
*
，最 后 通 过 旋 转 至 静 止 的 坐 标 变 换 ，便 可 获 得 用
于 控 制 变 频 器 输 出 的
α
，
β
静 止 坐 标 系 中 的 定 子 电
压
u
α
*
，
u
β
*
。
3.2
角 度 运 算 器 和 弱 磁 控 制 器 设 计
图
6
示 出 角 度 运 算 器 和 弱 磁 控 制 器 的 具 体 结
构 ，在 电 压 采 用
SVPWM
调 制 时 ，调 制 系 数 为 ：
M=
3
（
u
d
2
+u
q
2
）
姨
U
dc
（
13
）
M
即 为 电 机 端 电 压 和 直 流 电 压 的 比 值 ；
M
*
即
为 在 转 折 速 度 时 电 机 端 电 压 和 直 流 电 压 的 比 值 。
由 于 实 际 系 统 中 的 电 流 谐 波 、 逆 变 器 电 压 损 失 等
作 用 都 会 引 起 电 压 降 ，一 般
M
*
应 取 值 接 近 于
1
。
M
与
M
*
的 差 输 入 到 抗 饱 和 积 分 器 ， 输 出
ξ
。
当 电 机 处 于 基 速 或 基 速 以 下 时 ，
M
与
M
*
的 差 值 为
正 ， 积 分 器 处 于 正 向 饱 和 状 态 ， 输 出 为
ξ=1
， 电 流
超 前 角 度 不 变 ， 电 机 维 持 最 大 转 矩 电 流 比 控 制 模
式 。 当 电 机 超 过 基 速 时 ，
M
与
M
*
的 差 值 开 始 有 负
值 输 出 ，由 于 抗 积 分 饱 和 回 路 的 设 计 ，积 分 器 快 速
退 出 饱 和 ， 输 出
ξ
的 值 很 快 小 于
1
， 处 于
0～1
之
间 ，电 机 将 进 入 图
7
所 示 的 弱 磁 控 制 过 程 中 。
与 传 统 的 弱 磁 控 制 方 式 相 比 ， 这 种 改 进 的 弱
磁 控 制 方 式 是 在 弱 磁 过 程 中 增 大 电 流 超 前 角
β
，
由 式 （
2
） 和 式 （
3
） 可 知 该 过 程 中 将 使
i
d
的 值 增 大 ，
图
5
电 流 超 前 角 弱 磁 控 制 系 统
K
fw
为 弱 磁 积 分 增 益 ；K
aw
为 抗 积 分 饱 和 增 益 ；ξ 为 介 于 0～1 的 比 例
系 数 ；M
*
为 调 制 系 数 极 限 。
图
6
角 度 运 算 器 和 弱 磁 控 制 器 构 成
ω
c
为 边 界 转 速 ；ω
E
为 极 限 转 速 ；ω
b
为 电 机 的 基 速 。
图
4
IPMSM
控 制 方 式 过 渡 过 程
46