文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

在现代工业控制中，永磁同步电机被广泛应用，其具有体积小、重量轻、效率高等特点，相比于传统电机，永磁同步电机在很多领域都有很好的表现。目前，永磁同步电机被广泛应用于工业生产和日常生活中，对于永磁同步电机的研究也一直是研究热点。

在工业生产中，为了提高系统的运行效率和控制精度，永磁同步电机一般采用弱磁控制方法。相比于传统的强耦合控制方法，弱磁控制具有更好的控制性能。

随着 DSP和智能芯片技术的快速发展和应用，弱磁控制方法也有了更多的发展，本文主要分析了两种常用的弱磁控制方法在不同的条件下的稳定性，并对它们进行了对比。

永磁同步电机

永磁同步电机是一种交流电驱动的电机，其结构简单，易于制造和维护，效率高、功率密度大，有较好的动态响应和稳态精度。

在工业生产中，永磁同步电机被广泛应用于很多领域，如：机车车辆、医疗器械、家用电器等。由于永磁同步电机具有很高的功率密度和效率，所以很多学者对其进行了深入研究。

永磁同步电机的弱磁控制方法可以分为两类：直接弱磁控制和间接弱磁控制。

直接弱磁控制是一种基于电压模型的弱磁控制方法，其通过观测转子电流的变化来确定电流的大小和方向，从而实现电机的快速转矩响应。

永磁同步电机的直接弱磁控制系统包括：模型参考自适应（MRAS）、 PID算法、低通滤波等方法，其可以在不影响系统稳定运行的情况下有效地提高电机的转矩和转速，但其速度响应较慢。

间接弱磁控制是一种基于模型参考自适应算法（MRAS）的弱磁控制方法，其可以有效地提高系统速度响应速度。它将转矩和转速作为两个独立变量来实现转矩和转速的解耦，具有较快的速度响应和较好的控制性能。

基于模型参考自适应算法（MRAS）进行弱磁控制系统设计的方法有：模型参考自适应 PID （MRA-PID）、神经网络 PID （NNPID）、基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）和遗传算法（GA）。

永磁同步电机直接弱磁控制系统具有较快的速度响应和较好的稳定性，但是对于系统参数变化和负载扰动具有较强的鲁棒性，需要进行稳定性分析和优化。

目前，永磁同步电机的弱磁控制方法主要有基于模型参考自适应算法（MRAS）和基于神经网络 PID的弱磁控制方法。

本文主要介绍了基于模型参考自适应算法（MRAS）的弱磁控制方法，该方法将转矩和转速作为两个独立变量来实现转矩和转速的解耦，并利用神经网络 PID对转矩和转速进行控制。

永磁同步电机基本原理和特点

永磁同步电机是一种由永磁体、电磁铁和永磁体构成的电机，其中永磁体是电动机中使用最多的材料。永磁同步电机的工作原理是根据电磁感应定律，在一个磁场中，磁力线的方向和交点就是电磁力的方向，这两种力的大小相等，方向相反。

在三相交流电的作用下，永磁同步电机内会产生一个旋转磁场，它受到负载作用后，与负载力矩产生耦合关系，在两个相互影响的磁场之间产生一个交变电压。

永磁同步电机内会产生一个交变电流，这个电流对这个交变磁场进行调制后就可以得到一个新的旋转磁场。然后在这个新的旋转磁场中旋转起来。当这个旋转磁场与负载力矩相匹配时就可以实现负载转矩和转速的解耦控制。

永磁同步电机是一种特殊电机，它在工作时不会产生电磁转矩，其基本结构与普通电机相似。永磁同步电机采用永磁体作为磁极，永磁体在永磁体内不会有能量损耗。虽然永磁同步电机的结构相对简单，但其成本较高，而且永磁体无法获得。

由于永磁同步电机在工作时不会产生电磁转矩和转速等基本性能，所以其没有机械特性；此外，永磁同步电机的效率相对较低。虽然永磁同步电机有很多优点，但它也有很多缺点。

（1）由于转子上没有固定的励磁电流和电枢电流，因此无法实现对转子的控制。

（3）由于其结构比较简单，因此在调速系统中不容易实现高精度控制。

（4）永磁同步电机存在一定程度上的转矩脉动。

（5）永磁同步电机的成本较高，而其效率相对较低。

（6）永磁同步电机的转矩波动大，通常情况下，在负载变化时，永磁同步电机的转矩波动较大。

以上六个缺点是永磁同步电机在实际应用中经常遇到的问题，这些问题导致了永磁同步电机在很多领域中无法得到广泛的应用。

反馈式弱磁控制基本原理和常见方法

传统的弱磁控制方法采用弱磁运行的方式，在实际应用中，一般采用最大转矩电流比弱磁控制，也就是我们通常所说的弱磁控制。

最大转矩电流比弱磁控制就是通过反馈电流环调节电机转矩，实现电机的弱磁运行，这种方式中电流环对电机的转矩进行反馈调节，利用电机的转矩和定子电阻共同构成弱磁运行条件，该方法具有很好的效果。

但是这种方法存在一些不足之处：

（1）在实际应用中，最大转矩电流比弱磁控制会产生很大的转矩脉动，这个问题随着实际应用中转速、负载、外部干扰等因素的影响变得越来越严重。

（2）最大转矩电流比弱磁控制无法直接检测到电机 定子电感上的电压值，由于传感器不能直接测量到定子电感上的电压值，所以无法判断电流是否为最大转矩电流比。

（3）最大转矩电流比弱磁控制通过反馈电流来调节定子电阻，其存在一定的滞后性和不稳定性，在实际应用中也会导致电机不稳定。

（4）最大转矩电流比弱磁控制不能直接对电机的转速进行调节，需要对定子电阻进行调节才能实现弱磁控制。

针对以上问题，目前应用最广泛的弱磁控制方法是基于最大转矩电流比的弱磁控制，在这种情况下，我们将定子电阻设置为零，以实现电机的弱磁运行。

在实际应用中，该方法需要先确定电机的最大转矩电流比，然后根据定子电阻和最大转矩电流比计算出需要的电流值，最后通过反馈电流调节电机的转矩。目前常用的弱磁控制方法主要有两种：电压闭环控制方法和基于定子磁链位置观测的弱磁控制方法。

在电压闭环控制方法中，我们首先根据电机在不同负载下的电压值确定电机的最大转矩电流比，然后根据最大转矩电流比来确定电机需要的转速，最后根据最大转矩电流比来调节定子电阻。

在基于定子磁链位置观测的弱磁控制方法中，我们首先根据电机在不同负载下的定子电压值计算出电机的定子磁链位置，然后根据磁链位置和转速计算出需要调节的定子电阻，最后根据最大转矩电流比来确定需要调节的电流值。

这种方法比较简单，但在实际应用中存在很多不足之处：

（1）由于定子电阻对电机性能有很大影响，所以在弱磁控制过程中必须考虑定子磁链位置。由于定子电阻变化比较缓慢，所以需要设计一个较长时间来计算出需要调节的定子电阻。

（2）在实际应用中，由于没有检测到电机定子电感上电压值，所以无法判断是否为最大转矩电流比。

（3）最大转矩电流比弱磁控制中需要对电机进行旋转解耦处理，在实际应用中需要消耗大量资源来计算出电机转矩。

（4）最大转矩电流比弱磁控制中存在一定滞后性和不稳定性。

总结和展望

从以上对反馈式弱磁控制和直接弱磁控制方法的介绍，我们可以得出结论：

（1）对于直接弱磁控制，其稳定性主要由功率因素决定，在相同的电流和电压下，功率因素越大，系统的稳定性就越高。

（2）对于反馈式弱磁控制，其稳定性由电机参数决定，通过调节电机参数，可以使系统保持稳定。

（3）对于两种弱磁控制方法的稳定性比较，我们可以看出两种弱磁控制方法的优缺点和适用范围。

在实际应用中，采用直接弱磁控制方法时，需要对电机参数进行辨识；而采用反馈式弱磁控制方法时，只需要对电机参数进行辨识就可以了。不过，虽然这两种弱磁控制方法具有各自的优势和不足之处，但是它们都可以在一定程度上提高永磁同步电机的性能。

在未来的研究中，应该对以下几个方面进行深入研究：

（1）针对永磁同步电机的非线性、强耦合、强干扰等特点，应该研究更加稳定、鲁棒性更好的弱磁控制方法。

（2）在进行直接弱磁控制时，可以将转速和电流同时作为反馈信号；在进行反馈式弱磁控制时，可以将转速和电流同时作为反馈信号。这两种弱磁控制方法可以结合使用。

（3）永磁同步电机的弱磁控制研究目前主要集中在直接弱磁控制上。目前来说，直接弱磁控制仍然是目前应用最广泛的弱磁控方法。未来应该更加深入地研究直接弱磁控制。

（4）在进行反馈式弱磁控制时，可以根据电机参数和负载情况选择合适的弱磁控方法和控制器参数；对于不同类型的电机，应该选择不同的弱磁控制器和控制器参数。

笔者观点

通过本文的介绍，我们了解到，两种弱磁控制方法都可以使永磁同步电机达到稳定运行的状态，但是两种弱磁控制方法的稳定性是由电机参数决定的。因此，在实际应用中，应该根据电机参数和负载情况选择合适的弱磁控制方法。

在进行永磁同步电机的弱磁控制时，除了选择合适的弱磁控制方法外，还应该考虑电机参数对系统性能的影响。对于永磁同步电机来说，主要参数有定子电阻、转子电阻和电感。

对于直流侧电容来说，主要参数有电感、定子电容和直流母线电容。所以，在进行弱磁控制时，应该根据这些主要参数，选择合适的弱磁控制器和控制器参数。

参考文献

1、黄世海，陈辉，王振河，等。永磁同步电机弱磁控制策略研究[J]。电机与控制学报，2014。

2、孙德广，张广敏，赵涛。永磁同步电机的弱磁控制方法研究[J]。电机与控制学报，2013。

3、吴勇，周世宁，谢辉，等。永磁同步电机的弱磁控制策略研究[J]。中国电机工程学报，2008。

4、方泽杰，林伟敏。基于DSP28335的永磁同步电机的弱磁控制策略。电机与控制学报，2011。

5、张雪梅，李桂洪。基于TMS320F28335的永磁同步电机的弱磁控制策略研究。电机与控制学报，2008。