表贴式永磁同步电机凭借结构相对比较简单、控制相对容易、转矩精度高和动态性好的优点，在中低速工业领域获得了极其广泛的应用，比如主轴伺服、工业机器人等行业。本期我们就来聊一聊表贴式永磁同步电机怎么样做弱磁控制。

  由于永磁体内部的磁导率接近于空气，所以能直接将永磁体作为气隙的一部分，对于三相绕组产生的电枢磁动势而言，表贴式永磁同步电机的气隙是均匀的，因此表贴式永磁同步电机的d轴和q轴磁路可以认为近似相同，即Ld=Lq=Ls。

  对于表贴式永磁同步电机（SPMSM），其磁场定向轴系下的动态电压方程如下：

  在《永磁同步电机弱磁控制-基本概念》中，我们介绍了高速有必要进行弱磁控制的原因是为避免输出电压过饱和而导致的电流环失控，所以弱磁控制是通过人为的改变电流给定以减小Ud或者Uq，达到防止输出电压Us过饱和的目的。

  电机控制的目的是让电机输出期望的转矩（速度控制同样是利用速度环调节转矩给定），对于SPMSM而言，因为Ld=Lq，电机的电磁转矩完全由永磁转矩构成：

  如果忽略永磁链的变化，SPMSM的输出电磁转矩与iq呈正比，所以在SPMSM控制管理系统中，工程师常常直接将速度环的输出设计为iqref，而不是转矩给定。

  注意：这里计算Ud_cal时，使用的idref是上一拍的值，因为我们费半天劲就为了计算本拍的idref。

  通过以上步骤获得的电流指令组合（idref，iqref）就能使输出电压维持临界饱和，理论上能够保证电流环控制稳定。

  这种利用反馈转速、Usmax和电机本体参数计算D轴弱磁电流指令，使电流环输出电压Us不超过最大输出电压Usmax的方法就是参数计算弱磁控制。

  参数计算弱磁策略只需要利用电机本体参数进行简单的计算就能实现弱磁控制，便于理解且容易实现。虽然这种方法虽然从理论上能保持控制管理系统的可控性，但是在实际工程产品上却基本不会使用。这还在于这种弱磁控制极度依赖准确的电机本体参数，然而电机本体参数是难以准确获得的（其实是根本不可能获得）。

  可能有的攻城狮会有这样的疑问：现在市面上很多厂家的变频器都有参数离线辨识功能，可以获取准确的电机参数，并用来进行磁场定向都能拥有非常良好的性能，这些参数还能不准确吗？？

  其实就算是某些宣称能获取准确参数的厂家，其离线辩识获取的电机参数也不可能真的准确（就是这么不给这些厂家面子），以电控小白的经验来看辩识参数的偏差能控制在10%以内都已经很不错了。利用辩识出来的参数进行磁场定向能获得良好的性能，是因为参数的偏差主要是导致软件定向角度与真实磁场角度之间有一定的角度偏差，影响电机转矩精度和最大转矩能力，在一般的应用场合这样一些问题不会暴露出来。

  也许部分攻城狮朋友会说，电控小白尽整一些没用的东西，这种方法在实际产品上都不用，你还在这里罗里吧嗦半天，这真是冤枉啊。电控小白为何会介绍这种方法，是希望能够通过它让大家能理解弱磁控制的基本思想。

  通过参数计算的弱磁控制算法，我们大家可以看出弱磁控制的基本思路是通过人为增加一个小于0的Idref，使Q轴电压降低，以达到减小输出电压幅值的目的。

  基于这个思路，我们大家可以改用一个调节器去自动生成Idref，根据系统最大输出电压（Usmax）与电流环输出电压幅值（Us）的偏差来自动减小Q轴电压（Uq），这就是电压外环弱磁控制，其基本控制框图如下：

  2）当电机的转速升高或者iqref变大，导致电流环输出电压Us超过Usmax时，因为Usmax-Us

  <0，在电压外环pi作用下（尤其是积分的作用），idref将从0变为负数；

  3）电流环根据电压外环输出的idref进行D轴电流控制，使Q轴电压Uq减小，实现Us的降低；

  4）当电压外环输出的idref使Us降低到等于Usmax时，Usmax-Us=0，电压外环的PI输出不在变化，idref维持不变，电流环输出电压维持Usmax输出，实现对电流的控制；

  5）当电机转速变慢降低或者iqref减小时，电流环输出电压Us将小于Usmax，Usmax-Us>

  0，在电压外环PI作用下，idref将增大（负数—>

  0）；使Q轴电压Uq增大，实现Us增大，将Us维持在Usmax附近，保证了控制管理系统电压利用率。

  通过上面的5步分析，希望能帮大家更好的理解电压外环弱磁的机制：利用电流环输出电压Us与最大输出电压Usmax的偏差，自动调节出D轴弱磁电流idref，使电流环的输出电压能维持在Usmax输出，保证系统电压利用率，使系统运行在最优状态。

  1）电压外环的输出值限制为小于等于0很重要：因为低速非弱磁区，电流环的输出电压肯定小于Usmax，如果这时候电压外环启动工作，则会正向积分，输出一个大于0的idref，使系统输出电压增大，这对我们控制是不利（尤其是极低速区，即使idref=ismax，也不可能使Us达到Usmax），这时候就需要将电压外环的输出限制为小于等于0，使电压外环只具有弱磁能力，而不能增磁。

  2）电压外环依靠PI进行调节，理论上虽能将电流输出控制为Usmax，但真实情况是Us会在Usmax附近来回波动，PI的强度会影响Us的波动大小；不合适的PI参数有几率会使电压外环振荡失控。

  3）电压外环弱磁控制需要Usmax与Us之间先产生偏差后才能调节idref，并需要一定的调节时间才能将Us控制到Usmax附近，因此在动态响应较快的应用场合，负载或转速快速变化时，电流可能会存在短时失控（一般是ms级时间），这是正常现象。在保证系统稳定性的前提下，增强PI参数可以缩短失控时间。

  优点：不受电机参数的影响，即使电机参数偏差很大，也能自动调节弱磁电流，实现控制管理系统的弱磁控制；

  缺点：引入了PI控制环路，增加了系统的不稳定风险，不合理的PI设置可能导致弱磁环路振荡甚至控制失效。

  基于D轴的电压外环弱磁控制通过PI自动调节idref实现弱磁控制，这种弱磁方法对有限转速系统而言一般都能满足使用需求，但是它还有能优化的地方。

  前面电控小白说过实际电机系统都存在最大可运行电流，因此idref会有一个最小值idmin（id是负数，对应绝对值最大）限制。电机进入弱磁区域后，随着电机转速不断升高，idref将会逐渐减小（绝对值增大）；只要转速升高到足够高，idref就会达到idmin，此时D轴电压外环饱和，失去弱磁调节能力，如果电机转速继续升高，系统将再次失去控制。

  为了处理这种工况，逐步提升电机的弱磁运行区域，电控小白给大家伙儿一起来分享一种优化的DQ双轴弱磁控制策略。

  对于D轴电压外环输出饱和这种工况，此时的idref=idmin，Uq达到当前转速下所能达到的最小值，此时已经不能通过减小Uq来减小Us。

  Us是Ud和Uq的矢量合成，减小Ud的绝对值一样能减小Us，因此这时候可以借鉴D轴电压外环弱磁的思想，通过电压外环来调节iqref，实现Us的减小，保证控制管理系统稳定，拓展电机的弱磁运行区域，其控制框图如下：

  我们以正转电动（wr>

  0，iqref>

  0）工况来分析一下DQ双轴弱磁策略的作用机制：

  1）当D轴电压外环饱和后，idref被限幅为idmin，此时电流环输出Us超过Usmax，在PI作用下，idref0将继续减小，使idref0与idref的偏差小于0：

  因此利用△iq就能减小Q轴电流给定iqref，从而使Ud的绝对值减小，保证电流的受控性，拓展了电机的弱磁运行区域。

  采用DQ双轴电压外环弱磁控制可以拓展电机的弱磁运行区域，但是这种拓展也是有限制的，不能使电机转速无限制的升高。当控制管理系统在电压外环的调节作用下，达到了idref=idmin，同时iqref=0，则系统已经处于极限弱磁转速，这表明在当前母线电压下，控制器所能使电机可控运行的极限能力也就是这样了，如果电机被主动负载拖动继续升高转速，电流将失去控制，可能会引起变频器损坏。

  这里举一个形象化的栗子方便大家理解：以电控小白现在的收入能力（母线电压），极限也就是在掏空六个钱包的情况下能在六环买一套80平的小房子（极限转速）（后悔年轻的时候没努力搞好技术，导致现在收入太低），如果忽视这个极限能力，强行去五环内买了一套三居，那电控小白最终只能是被房贷压垮，最后房子被银行没收，首付都打水漂了（控制器损坏）。

  这次分享主要介绍了表贴式永磁同步电机弱磁控制的基本思想，并结合这种思想介绍了三种常用的弱磁操控方法：参数计算弱磁策略、D轴电压外环弱磁策略、DQ双轴电压外环弱磁策略。

  参数计算弱磁是基于理想的分析诞生的弱磁策略，对电机本体参数极度依赖，不具有产品化的实际意义。

  D轴电压外环弱磁策略规避了对电机本体参数的依赖，增强了控制管理系统的鲁棒性，在工程产品中获得了广泛使用，这种弱磁方法基本能满足实际工况使用。

  对D轴电压外环弱磁策略逐步优化得到DQ双轴电压外环弱磁策略，能更加进一步拓展电机的弱磁区域；但是对Q轴电流的调节会降低系统出力能力，在实现上必须要格外注意的细节更多。各位攻城狮能结合自己的产品实际的需求选择比较适合的弱磁策略。

  本篇文章主要是针对有限转速电机系统的弱磁方法分析，在本专题的后续文章中，电控小白将带来关于无限转速系统电机的弱磁控制策略，并为大家伙儿一起来分享另外一种弱磁控制思路—单电流调节器弱磁控制策略。

  引言 近年来，随微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的慢慢地提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构相对比较简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展的新趋势。 伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大

  驱动器设计 /

  在开发一套以DSP为核心的永磁同步电机控制管理系统时，需要及时观察驱动系统中的各个变量，并且要对一些程序来控制，修改特定参数。DSP在实际运行中不能用外接的端口来控制，需要用DSP自带的串行通信模块来解决这一问题。通过一台上位计算机和以DSP为核心的电机控制管理系统构成整个监控系统，Pc机通过串口来改变DSP程序中转矩、磁链给定，以及调节PI参数等，电机控制管理系统完成对电机的控制，并采集有关数据反馈到Pc机中做多元化的分析、处理、显示和存储。本文以DSP控制永磁同步电机为例，介绍在整个控制管理系统中串行通信的实现。 1 永磁同步电机控制管理系统 永磁同步电机控制管理系统框图如图1所示，采用直接转矩操控方法，这是19世纪80年代提出的交流

  系统的串行通信实现 /

  1概述 在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，可用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。 由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此就需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本，降低了系统鲁棒性。永磁同步电机的无速度传感器控制成为现今研究的一个热点问题。 2永磁式同步电机的特点及其分类 永磁式同步电动机结构相对比较简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，

  0 引言     永磁同步电机作为一种新型的电机，在结构上去掉了电刷和换向器，运行可靠性较高；而且结构相对比较简单、体积小、运行时转子无损耗。转子磁场定向的矢量控制是交流伺服系统中使用比较广泛的一种控制方式。其基础原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标轴系上将电机定子的电枢电流分解为磁场电流和转矩电流并分别控制，使交流电机具有和传统直流电机同样优良的运行性能。本文对基于转子磁场定向的矢量控制进行了理论分析与研究，运用Matlab／Simulink对其调速运行进行了建模与仿线 永磁同步电机的数学模型     为了实现永磁同步电机数学模型的解耦，一般会用dq0坐标下的数学模型，这样便于分析永磁同步电机的稳态和动态性能。本文是根据Ma

  引言 机床是装备制造业的母机，也是装备制造业的引擎。我国“十一五”发展规划明确规定：国产数控机床国内市场占有率要达到60%，高端产品与国际领先水平的差距缩小到5年以内。 作为数字控制机床的重要功能部件，永磁同步电机伺服驱动装置是数字控制机床向高速度、高精度、高效率迈进的关键基础技术之一。随着新的微处理器、电力电子技术和传感器技术在伺服驱动装置的应用，伺服驱动器的性能获得极大的提高。如日本的安川公司利用新的微处理器，以及通过扩充新的控制算法，速度频率响应提高到了1.6kHz，具有自动测定机械特性，设置所需要的伺服增益功能，实现了“在线自动调整功能”;发那科公司的新一代驱动器则采用了1600万/转的高分辨率的编码器，高精度电

  技术与技能训练 (麦崇裔)

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