弱磁控制
關注創建者：孫文仲 創建時間：2018-09-28
弱磁控制的實例教程
來源：杭州易泰達科技 作者：鐘德剛
前言
在2014年10月22-25日《第十七屆國際電機與系統會議》上，我們展示了一套電動車用永磁同步電機驅動系統，這套系統是由一臺額定功率為1.8kw、額定轉速為2850RPM的內嵌式永磁同步電機驅動，控制系統是一套基于STM32平臺搭建的采用最大轉矩電流比以及弱磁控制的解決方案，采用外速度環、內電流環，兩環矢量控制算法。核心控制算法軟件架構如圖1所示，當電機轉速低于700r/min 采用虛線表示的霍爾傳感模式獲取轉子角度與速度信息，當電機轉速高于 700r/min 時切換無位置傳感器模式。
圖 1 核心控制算法軟件架構
本方案為正弦波的永磁同步電機控制方案，圖2所示為電機運行在2500RPM、5N.m 時電流波形，電流波形正弦性好，諧波少，噪聲小。
圖 2 電機運行在 2500RPM、5N.m 時 C相實際電流波形
1、電機控制方式
這次展會使用的是一臺內埋式永磁同步電機，其特點是轉子磁路具有不對稱性，從而可以產生磁阻轉矩，利用這個特點可以調高電機的過載能力和功率密度。
此控制系統同時使用最大轉矩電流比策略和恒功率弱磁算法。在額定轉速之
內采用最大轉矩電流比（MTPA）矢量控制算法，采用該策略可以充分利用磁阻轉矩，從而提高電機的轉矩輸出能力和系統效率。在實際應用中，有時需要擴展電機的轉速，所以在額定轉速之上采用恒功率弱磁控制算法，使得在電機超過最大恒功率運行速度時，能夠繼續提高電機的轉速，也就是提高電機的最大運行速度。
2、電機傳感器類型
無論是在最大轉矩電流比策略中還是在弱磁控制中都需要得到準確的電機位置和速度信息，本控制方案中采用了無位置傳感器控制算法，使得系統穩定、可靠、精準。
展開 車用永磁同步電機控制及弱磁方法
從本文的分析過程中可以發現，永磁同步電動機在提高性能的同時，兼顧成本控制問題仍是高性能永磁電機繞不過去的彎，性能成本兼優的電機才是市場的必然選擇。
永磁同步電動機與控制密切相關，永磁同步電動機及其控制共同組成工業自動化驅動系統。在永磁同步電動機優化過程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。
一般電機扭矩與功率特性如圖，轉速到達一定范圍的時候，電機進入弱磁區，受限于反向電動勢的影響無法再提供足夠扭矩，通常為了控制壓縮機總體成本，壓縮機電機、電控單元會用到弱磁控制，故以上熱力計算得出工況下需求的扭矩現有壓縮機不一定能夠提供。
如果強行提升電機功率，意味著匹配電機控制器的輸出能力同樣需要提升，IGBT通流能力可能會成為瓶頸。
油的影響
回到特斯拉在專利文件中提到的系統COP，可知低溫環境下壓縮機會在熱泵和熱氣旁通循環之間切換，壓縮機入口狀態會在低溫低壓和相對中溫中壓之間來回切切換。
以下是從瑞弗化工報告摘取的一個關于油與制冷劑互融性特性曲線，當溫度極低時壓縮機油會析出。因此熱泵模式下蒸發器內油析出，粘度大無法順利回到壓縮機，而切換到熱氣旁通需要壓縮機高速運行，壓縮機回油可能產生問題，壓縮機油品可能需要重新優化改性以滿足低溫特性。
當然，根據實際測試情況以及結合特斯拉專利里如下原文來看，特斯拉在整車控制策略上可能已經做了規避，先讓壓縮機油盡可能循環起來才真正開始采用熱氣旁通模式給乘客艙加熱。
據市場上的情況觀察，在目前僅有特斯拉公司在使用熱氣旁通功能提供制熱，并且該功能所使用的壓縮機供應商有限，僅有電裝和三電兩家公司。特斯拉在第一代產品中所使用的翰昂壓縮機并未被繼續采用，這背后可能有多種原因，也可能是由于有更多工程技術挑戰翰昂未能解決。本文作者分析僅基于自己推測，沒有實際項目操刀試驗經驗，歡迎同行進行補充提供更多證據。
文章來源：汽車熱管理研發
展開 轉子無線勵磁原理示意圖：
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3.1.7 電勵磁同步電機的最大優勢是磁場可控，通過控制轉子繞組電流大小，從而控制轉子磁場大小，實現主動控制磁場；特別是高速區域，達到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向寬度的目的；而不是永磁同步電機的被動、不得不FOC增加直軸電流分量、達到增加直軸磁場的目的。從而降低高速區的相端電壓。轉子繞組電流可以通過PWM控制，調節不同占空比，調節平均勵磁電流大小，從而控制勵磁磁場。
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3.1.8 從扭矩-轉速特性案例可以看出，在高速區域，輸出功率并沒有下降太多，基本保持水平，這個原因就是因為電勵磁繞組的磁場可以主動控制，根據需要控制勵磁電流大小；而永磁同步電機需要FOC弱磁被動控制直軸磁場，產生多余的電能損耗，高速區和輸出功率下降幅度較大。
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3.2 磁阻同步電機
3.2.1 “控制器示意圖，三相電流示意圖”見“3.1 電勵磁同步電機”。
3.2.2 電勵磁同步電機與同步磁阻電機區別：
1) 轉子結構不同，電勵磁是繞組線圈產生磁場；而磁阻同步電機的轉子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機完全依靠磁阻轉矩產生扭轉的驅動力矩，能量來源于定子繞組產生的旋轉磁場，根據磁場能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉子磁路路徑，對應的在轉子中產生了同等極數的旋轉磁場，伴著定子旋轉磁場同步轉動，實現電能到機械能的轉化。
3.2.3 電機剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機有其先天的劣勢：轉矩脈動大、影響NVH效果。如下圖是轉矩脈動示意圖。
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一般電機扭矩與功率特性如圖，轉速到達一定范圍的時候，電機進入弱磁區，受限于反向電動勢的影響無法再提供足夠扭矩，通常為了控制壓縮機總體成本，壓縮機電機、電控單元會用到弱磁控制，故以上熱力計算得出工況下需求的扭矩現有壓縮機不一定能夠提供。
如果強行提升電機功率，意味著匹配電機控制器的輸出能力同樣需要提升，IGBT通流能力可能會成為瓶頸。
在永磁同步電動機優化過程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。
3.1.8 從扭矩-轉速特性案例可以看出，在高速區域，輸出功率并沒有下降太多，基本保持水平，這個原因就是因為電勵磁繞組的磁場可以主動控制，根據需要控制勵磁電流大小；而永磁同步電機需要FOC弱磁被動控制直軸磁場，產生多余的電能損耗，高速區和輸出功率下降幅度較大。
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微處理器控制模塊中包括乘法器、矢量變換電路、弱磁控制器、轉子位置檢測系統、速度調節系統、電流控制系統、PWM發生器等主要電子器件，PWM逆變器的作用是將直流電經過脈寬調制變為頻率及電壓可變的交流電，電壓波形有正弦波或方波。
車用電機高速運行時，會通過增大弱磁電流id抵消部分永磁體磁場、減小氣隙磁密來維持電機端電壓平衡，即在高速運行時電機采用的弱磁控制方式是通過電樞反應達到恒功率擴速運行的目的，弱磁程度越高，電樞反應越大[11]。圖8為電機
8 000 r/min
時空載和額定負載的氣隙磁密波形及傅里葉分解。
JMAC有限元求解器 PMSM模型
電機控制
電機由三相電壓源逆變器(VSI)提供電流，該逆變器采用FOC算法控制，實現每安培最大轉矩(MTPA)和弱磁控制，并采用正弦PWM調制方法。
車用永磁同步電機控制及弱磁方法
因此具有更寬的調速范圍，同時可以避免產生額外的勵磁損耗，實質上是一種新的簡單高效的弱磁控制技術。
(4)磁性齒輪永磁無刷復合電機
該電機是一種集成無刷直流驅動電機和共軸磁性齒輪的復合電機。所謂共軸磁性齒輪是一種基于調磁諧波原理的高性能、無接觸的變速傳遞裝置。
傳統電機定子繞組為固定匝數，因為電機感應電動勢和轉速成正比，所以永磁電機在高速時必須進行弱磁控制，以免感應電勢過高擊穿開關器件，即永磁電機在高速時有相當一部分電流是起到反向弱磁功能，并不提供轉矩，該部分弱磁電流在定子中同樣存在銅耗。
在實際應用中，有時需要擴展電機的轉速，所以在額定轉速之上采用恒功率弱磁控制算法，使得在電機超過最大恒功率運行速度時，能夠繼續提高電機的轉速，也就是提高電機的最大運行速度。
2、電機傳感器類型
無論是在最大轉矩電流比策略中還是在弱磁控制中都需要得到準確的電機位置和速度信息，本控制方案中采用了無位置傳感器控制算法，使得系統穩定、可靠、精準。
