永磁同步棚驹 ｌＪ的研究与仿真 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭ Ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｌ引言 内置式永磁同步电机（ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ，ＩＰＭＳＭ）机械强度高，磁路 气隙小，电枢反应强，适于高速运 行，可作为恒转矩控制。该类电机可 利用其磁阻效应来提高电机效率和 改菩调速特性，且内置磁铁型永磁 电机结构简单、鲁棒性高、造价低。 因此，内置式转子结构的永磁同步电 大连交通大学刘畅王英 Ｌｉｕ Ｃｈａｎｇ Ｗａｎｇ Ｙｉｎｇ 摘要：弱磁控制技术是内置式永磁同步电机在宽转速的控制方法。永磁同步电机的励磁磁 场是由永磁体产生的恒定的磁场，只能通过增加电机直轴去磁电流分量和减少交轴电流分量 来达到削弱主磁场，从而获得弱磁升速的效果。较强的弱磁性能可在逆变容量不变的情况下 提高牵引系统的性能，或在保持牵引系统性能指标不变的前提下降低电机的最大功率，从而 降低逆变器的容量。弱磁控制对提高永磁同步电机扩速性能有现实意义。本文用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对 弱磁控制技术进行了仿真验证。 关键词：内置式永磁同步电机；弱磁控制；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｈｉｃｈ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｏｎｌｙ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ—ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ＣｒｏＳＳ—ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｏｒ ｒａｉｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ｓｔｒｏｎｇ ｗｅａｋ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ．ｏｒ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｓｅｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ；Ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 【中图分类号】ＴＭ３４１ 【文献标识码】Ｂ文章编号１５６１—０３３０（２０１５）０５—００５５—０３ 机宜用作轨道机车的牵引电机。轨道 ２ 内置式永磁同步电机的弱 机车的牵引传动系统不仅要求低速 磁控制 时输出转矩大，有较宽的调速范围， ２．１弱磁控制的意义 还要求具有较强的弱磁性能。弱磁控 弱磁控制能使永磁同步电机在高 制可使ＩＰＭＳＭ在低速时输出恒定转 速时输出恒定功率，从而使牵引系统 矩，高速时输出恒定功率，有较宽的 具有较宽的调速范围。较强的弱磁性 调速范围。较强的弱磁性能可在逆变 能可在逆变容量不变的情况下提高 器容量不变的情况下提高系统性能。 牵引系统的性能，或在保持牵引系统 因此，对ＩＰＭＳＭ进行弱磁控制并拓 性能指标不变的前提下降低电机的 宽弱磁范围有着重要意义ｕ 。 最大功率，从而降低逆变器的容量。 ＴＨＥ ＷＯＲＬＤ ＯＦ ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ ５５ 因此对永磁同步电机牵引传动系统进行弱磁控制并且拓 宽弱磁范围，对提高永磁同步电机牵引传动系统性能有 重要而现实的意义 。 ２－２永磁同步电机的弱磁控制 与异步电机弱磁控制时直接减小励磁电流的思想不 ＝ Ｉｆｆ＋￣一／Ｉ／ｆ２－ｌ８（Ｌｄ－Ｌｑ）２ ｉｌ２ｉｍ （１） （２ 同，永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生的，无法 调节，由于永磁体产生的磁场是恒定，所以不能像他励 直流电机一样通过调节励磁电流来直接减弱磁场。当电 压等于最大电压时，要想继续升高转速只有靠增加电机 直轴去磁电流分量和减少交轴电流分量来达到削弱主磁 场，从而获得弱磁升速的效果（增大凸极率） 。 ３ 内置式永磁同步电机的弱磁控制数学模型 ３．１弱磁区域的确定 内置式永磁同步电机运行过程中电流和电压轨迹曲 线如图１所示。 图１内置式永磁同步电机运行过程电流、电压轨迹 根据电机运行情况，分析弱磁区域。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（ｍａｘｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅ ｐｅｒ ａｍｐｅｒｅ，ＭＴＰＡ）控制可以使永磁同步电机获 得最大的电磁转矩，如图１中ＯＡ所示。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 （ｍａｘｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅ ｐｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ，ＭＴＰＶ）曲线之间的恒转矩 曲线运行，该区域称为弱磁区域Ｉ…。 当转速继续升高时，电流矢量则由Ｉ点沿最大转矩电 压比（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ，ＭＴＰＶ）轨迹移至Ｃ点， 如果速度达不到（＾） 运行时，ＭＴＰＶ曲线与电压极限椭圆 的交点将落在电流极限圆外。当— ＞‘， 时，则ＭＴＰＶ Ｌ｛ 轨迹将落在极限圆之外，此区间就不存在 。 ３＿２弱磁控制数学模型 当ＩＰＭＳＭ采用最大转矩电流比控制，且电流达到极 ５６ ＴＨＥ ＷＯＲＬＤ ＯＦ ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ ｒ————一 由上面（１）和（２）两式联立电压极限方程 ： √ ，可推导出电动 机的转折速度为： Ｑ６＝ （３） 式中ｃ＝ ＋ 。 当电动机运行于某一转速Ｇ３时，电流矢量轨迹为 一 ＋ 由电压极限方程可以得到转速的表达式为： ：—————— ————一 √ 厂＋ ｄ）。＋ ） （５） 当电动机端电压和电流达到极限值，电流全部为直轴 电流分量，并且忽略定子电阻的影响时，电动机可以达 到的理想最高转速为： ｂ／ｌｉｍ ＇￣ｒｎａｘ （６） ３．３弱磁控制模型 在前面理论分析的基础上，本文在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的环境 下，在分析ＩＰＭＳＭ数学模型的基础上，建立ＩＰＭＳＭ弱 磁控制系统的仿真模型，弱磁控制系统总体设计框图如 图２所示，它是由弱磁环节、弱磁检测环节、解耦环节、 脉宽调制环节、电流三相变换环节、永磁同步电机、ＰＩ 调节等组成。 ４仿真结果和结论 ＩＰＭＳＭ弱磁控制建模仿真系统采用双闭环控制 方案：电流环为控制内环，速度环为控制外环。采用 的ＩＰＭＳＭ电机参数：定子绕组电阻Ｒ ＝１．４０，交轴 电感Ｌ。＝０．００９Ｈ，直轴电感Ｌ ＝０．００５６Ｈ，转子磁场磁 通１４Ｊｆ＝０．１５４６，转动惯量Ｊ＝０．００１２ｋｇ・ｍ ，粘滞摩擦系 数Ｂ＝０．０ｋＮ・ｍ）／（ｒａｄ／ｓ），电机极对数Ｐ＝３，速度基值为 ３１４．３ｒａｄ／ｓ等。为了方便计算与比较，在这里同时进行标 幺值计算：Ｔｂ＝５．５６３１；Ｉｂ＝１２；Ｗｂ＝６２８．６。如图３～图５所示，
