永磁同步电机控制算法--弱磁控制（定交轴CCR-FQV）

一、原理介绍

永磁同步电机在基于双电流调节器的弱磁控制中，直轴电流和交轴电流分别采用一个调节器进行控制，当电机运行于恒转矩区时，转速随电压的增大而不断升高，两个调节器之间的耦合较弱，认为电机的交直轴电流可以实现解耦控制； 随着转速的不断升高，电机进入恒功率运行区，电压达到逆变器所能输出的最大电压，交直轴电流调节器耦合越来越严重

针对电机采用双电流调节器控制进入弱磁运行区域时调节器耦合严重的问题，可以尝试利用这种电流耦合现象，只控制直轴电流，采取基于单电流调节器的弱磁控制方法。永磁同步电机基于单电流调节器的弱磁控制根据交轴电压给定是否为固定值可以分为定交轴电压弱磁控制（Current Cross-Coupling Regulation With Fixed Q-Axis Voltage, CCR-FQV）和变交轴电压弱磁控制（Current Cross-Coupling Regulation With Variable Q-Axis Voltage, CCR-VQV）。定交轴电压弱磁控制在电机弱磁运行过程中保持交轴电压给定值恒定不变，此方法简单可靠，易于实现，动态特性和鲁棒性好。

二、仿真模型

在MATLAB/simulink（软件版本为2020A）里面验证所提算法，搭建仿真。采用和实验中一致的控制周期1e-4，电机部分计算周期为1e-6。仿真模型如下所示：

为了便于实现MTPA以及CCR-FQV的切换，仿真转速、电流环全部通过matlab function编程实现

仿真工况：电机空载零速启动，0s给定转速开始上升直至2800rpm

2.1给定转速、实际转速

2.2dq轴电流

2.3dq轴电压

2.4电压总幅值

可以看出电机电压没有得到充分利用，当电机采用MTPA控制逆变器输出电压达到最大时，电机的稳态工作点在电压极限椭圆上，采用CCR-FQV弱磁控制时，由于交轴电压给定值小于刚进入弱磁控制时的交轴电压给定值，电机的稳定工作点由电压极限椭圆与转矩曲线的交点变为转矩曲线与交直轴电流耦合曲线的交点，该交点位于电压极限椭圆范围内，偏离了最优工作点，使电机的带载能力下降，效率降低。

下面设置仿真工况：电机空载零速启动，0s给定转速开始上升直至2400rpm，在0.6s时施加负载，1s时给定转速开始下降直至1200rpm。在这个过程中，电机会从MTPA进入CCR-FQV，然后再退出弱磁进入MTPA。

2.5给定转速、实际转速

2.6dq轴电流

2.7dq轴电压

整体效果还是不错的，需要注意在MTPA切回CCR-FQV时，在1.1s会出现一个波动，这是由于CCR-FQV过程中iq不受直接控制，Uq维持在恒定值，而切到MTPA时刻Iq开始由转速环PI生成，此时的转速误差（负值）在转速环P的作用下会产生一个突变的负向iq给定，而iq给定的变化会通过q轴电流环传到q轴电压给定值，此外我设置的转速环、电流环带宽并不小。所以这种情况是无法避免的。不过在转速、电流环的控制下系统会很快恢复稳定，对整体运行影响不大。

当然有更好的切换方案欢迎大佬赐教！