永磁同步电机转速增长过程中的变化与影响

一直都想知道永磁同步电机的转速从零增加到极限这个过程会发生什么，这篇文章介绍一下永磁同步电机全速域矢量控制的全过程，即电机的转速从零开始逐渐增加，如何设计电流环电流使得电机输出恒定转矩，且保持转速稳定。能把这个过程想清楚，会对电机控制有更深的理解，预告一下，这篇文章会讲清楚三种矢量控制的基本方法：  

1）控制

2）最大转矩/电流控制(MTPA)

3）弱磁控制

背景知识

电机涉及到的知识太多了，没办法把背景知识全部讲清楚，这里把需要的一些背景知识列出来，分析的时候可以先不去理解这些背景知识的含义，直接当成结论使用，对理解会更加方便。

永磁同步电机的控制策略主要有1）直接转矩控制，2）矢量控制，本文仅讨论矢量控制策略下的调速过程。

矢量控制将电机三相定子电流解耦为互相垂直的电流分量（d轴，q轴），矢量控制的基本方法有 控制，最大转矩电流比控制（MTPA)，弱磁控制等。

转矩方程：

电压方程：

其中，

理论分析

总的来说，电机转速增加的过程可以概括为这三个阶段：

1）当电机的转速在额定转速以内时，电机会以 最大转矩电流比控制（MTPA）的控制策略工作。

2）继续增加转速，电机受到电压的限制，而不得不工作在弱磁控制来维持转矩

3）继续增加转速，电机受到电流的限制，电机以恒功率条件运行，输出的转矩会随着转速的增加而下降。

逐步分析以上结论：

首先要明白电流约束和电压约束这两个概念，电机的能量是有限的，电机不可能达到无穷大转速，永磁同步电机电流矢量Is和电压矢量Us有如下约束条件:

表贴式永磁同步电机全速域矢量控制分析

表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机结构上有差异，这里先介绍表贴式永磁同步电机的速度控制过程。

表贴式永磁同步电机d、q轴电感相同，Ld=Lq，因此转矩方程为：

调速全过程可以用图1来完全表征：

图1 表贴式永磁同步电机的全速域电流变化过程

继续来看图，调速全过程用图 2 来完全表征:

图2 内置式永磁同步电机全速域电流变化过程

最后再来看一下电机速度从零增加到极限的三个阶段，是不是更加清晰了

1）当电机的转速在额定转速以内时，电机会以 最大转矩电流比控制（MTPA）的控制策略工作。

2）继续增加转速，电机受到电压的限制，而不得不工作在弱磁控制来维持转矩

3）继续增加转速，电机受到电流的限制，电机以恒功率条件运行，输出的转矩会随着转速的增加而下降。

审核编辑：黄飞