永磁同步電機全速域矢量控制的全過程介紹

一直都想知道永磁同步電機的轉速從零增加到極限這個過程會發生什么，這篇文章介紹一下永磁同步電機全速域矢量控制的全過程，即電機的轉速從零開始逐漸增加，如何設計電流環電流使得電機輸出恒定轉矩，且保持轉速穩定。能把這個過程想清楚，會對電機控制有更深的理解，預告一下，這篇文章會講清楚三種矢量控制的基本方法：

1）控制

2）最大轉矩/電流控制(MTPA)

3）弱磁控制

背景知識

電機涉及到的知識太多了，沒辦法把背景知識全部講清楚，這里把需要的一些背景知識列出來，分析的時候可以先不去理解這些背景知識的含義，直接當成結論使用，對理解會更加方便。

永磁同步電機的控制策略主要有1）直接轉矩控制，2）矢量控制，本文僅討論矢量控制策略下的調速過程。

矢量控制將電機三相定子電流解耦為互相垂直的電流分量（d軸，q軸），矢量控制的基本方法有控制，最大轉矩電流比控制（MTPA)，弱磁控制等。

轉矩方程：

電壓方程：

其中，

理論分析

總的來說，電機轉速增加的過程可以概括為這三個階段：

1）當電機的轉速在額定轉速以內時，電機會以最大轉矩電流比控制（MTPA）的控制策略工作。

2）繼續增加轉速，電機受到電壓的限制，而不得不工作在弱磁控制來維持轉矩

3）繼續增加轉速，電機受到電流的限制，電機以恒功率條件運行，輸出的轉矩會隨著轉速的增加而下降。

逐步分析以上結論：

首先要明白電流約束和電壓約束這兩個概念，電機的能量是有限的，電機不可能達到無窮大轉速，永磁同步電機電流矢量Is和電壓矢量Us有如下約束條件:

表貼式永磁同步電機全速域矢量控制分析

表貼式永磁同步電機和內置式永磁同步電機結構上有差異，這里先介紹表貼式永磁同步電機的速度控制過程。

表貼式永磁同步電機d、q軸電感相同，Ld=Lq，因此轉矩方程為：

調速全過程可以用圖1來完全表征：

圖1 表貼式永磁同步電機的全速域電流變化過程

繼續來看圖，調速全過程用圖 2 來完全表征:

圖2 內置式永磁同步電機全速域電流變化過程

最后再來看一下電機速度從零增加到極限的三個階段，是不是更加清晰了

1）當電機的轉速在額定轉速以內時，電機會以最大轉矩電流比控制（MTPA）的控制策略工作。

2）繼續增加轉速，電機受到電壓的限制，而不得不工作在弱磁控制來維持轉矩

3）繼續增加轉速，電機受到電流的限制，電機以恒功率條件運行，輸出的轉矩會隨著轉速的增加而下降。

審核編輯：劉清