【正文】 入功率弱磁控制當(dāng)電動(dòng)機(jī)的普通弱磁控制達(dá)到轉(zhuǎn)折速度后，在增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須降低電機(jī)的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時(shí)定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到ω2(ω2ω1)時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡與電壓極限圓相交于B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Tem2(Tem2 Tem1)，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡，由B電移至C點(diǎn)，則電動(dòng)機(jī)可輸出更大的轉(zhuǎn)矩Tem1，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過轉(zhuǎn)折速度時(shí)的輸出功率。電機(jī)能夠在寬廣的弱磁范圍內(nèi)輸出盡可能大的功率的條件是Id=Ilim時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為: ()。這時(shí)電機(jī)在理論上可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行，并輸出基本恒定的功率。只要電流分量控制適當(dāng)，就有可能獲得一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍(即恒功率弱磁范圍)。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁。相反，隨著這種能力的增大(Xq的增大)，恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)越來越軟。要特別指出的是，盡管這一等效弱磁措施能夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之外的調(diào)速范圍(即弱磁范圍)，但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。這種弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感id成正比。永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程如下式 ()從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一(或兼而用之)，以維持電樞繞組的電勢(shì)平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。換句話說，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可以通過降低勵(lì)磁電流而弱磁擴(kuò)速。根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系方程如下： ()式中，E——直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；Ce——直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)；Φ——直流電動(dòng)機(jī)每相磁通；U——直流電動(dòng)機(jī)定子電壓；Ia——直流電動(dòng)機(jī)電樞電流；Ra——直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻；If——直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流。但是，該方法的缺點(diǎn)是控制算法的開銷很大，普通的單片機(jī)的運(yùn)算能力無法承擔(dān)，需要使用高速度的中央控制器。在該控制方法基礎(chǔ)上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩的性能。（2）控制由于系統(tǒng)的功率因數(shù)恒為1，使逆變器的容量得到充分的利用，但該方法的最大電磁轉(zhuǎn)矩很小。其主要缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，功率因數(shù)下降較快。由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓和電流步能超過各自的極限，故A點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩就是電動(dòng)機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流均達(dá)到極限值。在最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡的OA段上，電動(dòng)機(jī)可以以該軌跡上的個(gè)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且通過該點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為在轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn)A對(duì)應(yīng)于輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度。圖7是采用不同的凸極率計(jì)算出的曲線，永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極率直接影響電動(dòng)機(jī)定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，凸極率越大，磁阻轉(zhuǎn)矩部分就越大，直軸電流的貢獻(xiàn)增大。采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流矢量應(yīng)滿足 ()把式（）和帶入上式，可求得 ()把上式表示為標(biāo)么值，并代入式（），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 （）反過來，此時(shí)的定子電流分量id*和iq*可表示為 ()由式()繪出的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩交、)所示。 控制時(shí)，PMSM定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線a)定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系 b) d、q軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制是在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域，電機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩條件下，控制定子電流最小的電流控制方法，也稱作單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，它是凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)用得較多的一種電流控制策略，對(duì)于隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id=0控制。電動(dòng)機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時(shí)，交、直軸電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線如圖5b)所示。從圖中可以看出，在的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩存在一個(gè)極大值。 控制控制方法是控制交、直軸電流分量，保持永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)恒為1的控制方法。定子電流中只有交軸分量，并且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，β=900，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為 () 故有，且有，功率因數(shù) ()正切角()由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于高速，電阻遠(yuǎn)小于電抗(即X qR1)，因此式()可簡(jiǎn)化為 () ()對(duì)式（）和式（）進(jìn)行標(biāo)么話處理后可得用標(biāo)么值表示的交軸電流和功率因數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 () ()從電動(dòng)機(jī)的電壓方程（忽略定子電阻）和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用id=0控制時(shí)在逆變器極限電壓下電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ()從式（）可以看出，采用id=0控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓，也取決于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。目前大多小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)都采用id=0的控制方法。 id=0控制id=o控制又叫磁場(chǎng)定向控制，這是一種比較簡(jiǎn)單的電流矢量控制方法，該方法電流算法的計(jì)算量小，很適宜用普通單片機(jī)作為主控單元的系統(tǒng)。 永磁同步電動(dòng)電流控制策略永磁同步電動(dòng)機(jī)用途不同，電動(dòng)機(jī)電流矢量控制策略也各不相同。當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡靠近q軸，說明永磁轉(zhuǎn)矩起主要作用。對(duì)于凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡是關(guān)于d軸對(duì)稱的一條曲線，且在坐標(biāo)原點(diǎn)處與q軸相切，在第二象限和第三項(xiàng)向內(nèi)的漸進(jìn)線均為一條450的直線。某指令值的恒轉(zhuǎn)矩軌跡上距離坐標(biāo)原點(diǎn)最近的點(diǎn)，即為產(chǎn)生該轉(zhuǎn)矩時(shí)所需的最小的電流空間矢量。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩軌跡在、平面上不僅關(guān)于d軸對(duì)稱，而且在第二象限為正(運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài))，在第三象限為負(fù)(運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài))。 恒轉(zhuǎn)矩軌跡把電磁轉(zhuǎn)矩公式()用標(biāo)么值表示，當(dāng)時(shí)可以得到 ()式中電流基值為，轉(zhuǎn)矩基值為。 電流極限圓電動(dòng)機(jī)的電流軌跡方程為 ()式中，Ilim為電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大相電流基波有效值，式()表示的電流矢量軌跡為一以idiq平面上坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓()。對(duì)于某一給定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子電流矢量不能超過該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡，最多只能落在橢圓上。 電壓極限橢圓電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值 ()將式()代入上式，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓方程 ()由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速，電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此電阻上的電壓降可以忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)化為 ()以u(píng)lim代替上式中的u，有 ()電流極限圓電壓極限橢圓ADEFO轉(zhuǎn)速增加 電壓極限橢圓和電流極限圓當(dāng)時(shí)，上式是一個(gè)橢圓方程，當(dāng)Ld=Lq時(shí)（即電動(dòng)機(jī)為表面突出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)），上式是一個(gè)以(，0)為圓心的圓方程，下面以為例進(jìn)行分析。最為明顯的是電動(dòng)機(jī)的相電壓有效值的極限值Ulim和相電流有效值的極限值Ilim要受到逆變器直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。通過電流控制環(huán)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入三相電流iA、iB、iC與給定的指令值、一致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的和，通過這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際id和iq跟蹤指令值和，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。失量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。交、直軸電流的不同組合，將影響控制系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)及轉(zhuǎn)矩輸出能力等。對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的要求可歸納為：響應(yīng)快、精度高、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。磁鏈與電流的關(guān)系也是線性關(guān)系。在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同運(yùn)行區(qū)域，靈活有效地利用這個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩可以增加電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩或擴(kuò)大其調(diào)速的范圍。經(jīng)過標(biāo)么化處理后的轉(zhuǎn)矩方程為 （）式中，凸極率，其直接決定磁阻轉(zhuǎn)矩的大小。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為 ()電壓可表示為 () 相應(yīng)的輸入功率 ()電磁功率 ()為了推導(dǎo)方便，對(duì)dq坐標(biāo)系下的永磁同步電動(dòng)機(jī)的方程標(biāo)么化，上標(biāo)*表示標(biāo)么化以后的物理量。從圖中可以看出，定子電流空間矢量與磁鏈空間矢量同相，而定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的磁鏈的空間電角度為β，且 () 將上式代入式()的電磁轉(zhuǎn)矩公式中 () 由上式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩中含有兩個(gè)分量，第1項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩Tm，第2項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子不對(duì)稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr。經(jīng)過坐標(biāo)變換得到永磁同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：電壓方程 ()磁鏈方程 ()電磁轉(zhuǎn)矩方程 ()機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 ()式中，u ——電壓；i ——電流；ψ ——磁鏈；d、q ——下標(biāo)，分別表示定子的d、q軸分量；2d、2q ——下標(biāo)，分別表示轉(zhuǎn)子的d、q軸分量；Lmd、Lmq ——定、轉(zhuǎn)子間d、q軸互感；Ld、Lq ——定子繞組d、q軸電感，Ld=Lmd+L1，Lq=Lmq+L1；L2d、L2q ——轉(zhuǎn)子繞組d、q軸電感，L2d=Lmd+L2，L2q=Lmq+L2；Ll、L2 ——定、轉(zhuǎn)子漏電感；if ——永磁體的等效勵(lì)磁電流(A)，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體的影響時(shí)，其值為一常數(shù)，；——永磁體產(chǎn)生的磁鏈，可由求取，e0為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每相繞組反電動(dòng)勢(shì)有效值的倍，即；J ——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載機(jī)械折算過來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)；RΩ ——阻力系數(shù)；TL ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；P =d/dt—— 微分算子。從以上的公式中，可見在A、B、C坐標(biāo)系中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的模型方程不僅復(fù)雜，而且電耦合程度還與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，即方程是非常定的。 ——轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵(lì)磁磁鏈。LA、LB、LC ——電機(jī)定子繞組自感系數(shù)?！狝、B、C三相繞組電壓。將定子繞組中A相繞組的軸線作為空間坐標(biāo)的參考軸線as。2 電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制策略分析 永磁同步電動(dòng)及數(shù)學(xué)模型永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，有空間對(duì)稱分布的A、B、C三相繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子繞組中電流產(chǎn)生電磁藕合作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）采用TI公司專用于電機(jī)控制的TMS320LF24O7A型數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并完成相應(yīng)的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。（2）研究永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的幾種電流控制策略，對(duì)比其工作特性。主要是用復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)和漏磁路電機(jī)設(shè)計(jì)法來提高弱磁能力。控制外環(huán)的電壓可以確保電流調(diào)節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿意的控制效果。定子交軸電流由電機(jī)角頻率給定值與實(shí)際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉(zhuǎn)矩控制方案決定。采用電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制。通過尋找S/ωe的最優(yōu)值實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制。基于虛擬瞬時(shí)功率的弱磁控制方法。其主要思想是：當(dāng)電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)，通過控制電機(jī)的功率因數(shù)角，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機(jī)的磁場(chǎng)。針對(duì)以上基本思想，許多學(xué)者致力于這方面的研究，提出了眾多方案。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，因此，不可能直接被減弱。較強(qiáng)的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能；或者說在保持系統(tǒng)性能不變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生，不能像直流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)那樣弱磁，給永磁同步電動(dòng)機(jī)的高速恒功率運(yùn)行帶來了新的問題。隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)必然升高，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到電機(jī)的額定電壓或是逆變器的直流側(cè)電壓時(shí)，電機(jī)的輸入電流將不能跟蹤控制器的輸出給定電流，電流調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制研究現(xiàn)狀隨著電機(jī)調(diào)速控制理論、電力電子和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及永磁材料性能價(jià)格比的不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)入了深入研究和廣泛應(yīng)用的階段。 4) 燃料電池汽車燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車，并且燃料電池所用的燃料(甲醇、汽油、柴油、天然氣等)來源廣泛，可實(shí)現(xiàn)無污染 、零排放等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。3) 混合動(dòng)力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴(yán)重制約，使純蓄電池型電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程舉步維艱，于是混合動(dòng)力汽車成了內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的過渡產(chǎn)品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又盡可能發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)無污染的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)也研制成了稀土永磁無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī) 。比如，日本的Hypermini采用了高性能鋰離子電池，