电流控制方式的优点是什么

5、电流控制方式
在永磁同步电动机的矢量控制系统中，需要根据不同的控制要求，采用不同的电流控制方式，协调地控制

和

的大小， 在不同的电流控制方式下，电动机会呈现不同的特性，本文对各种电流控制方式进行介绍。
5.1

的控制方式
在

的控制方式中，无论

的大小如何，都保持

，通过改变

的值来实现对电动机转矩的控制。
永磁同步电动机的电磁转矩方程为

由于此时

，上式中的词组转矩变为0，电磁转矩的表达式可以进一步简化为

而

作为永磁体磁链，在电动机运行过程中保持不变，所以，通过控制转矩（交轴）电流分量

，就可以实现对电动机转矩的控制。在这种控制方式中，当电动机处于稳态时，电流矢量

，永磁体磁链矢量

，定子磁链矢量

和定子电压矢量

之间的关系如图11-9所示。

这种控制方式的优点是：由于定子电流的

分量恒等于0，使得定子电流矢量与永磁体磁链矢量相互独立，控制系统的结构简单，调节器设计容易，转矩控制设计容易，转矩控制性能好，转矩脉动小，可获得较宽的调速范围。
但是和异步电动机的矢量控制系统相比，在

的控制方式中，定子磁链是随着转矩电流分量

的增加而增加的，因此，这种控制方式又存在以下几个缺点：
（1）在同一转速下，当负载增加时，交轴电流分量

和负载成正比增加， 使得气隙磁链和反电动势都加大，迫使定子电压为克服反电动势而升高。为了保证调速系统在大负载下有足够的电源电压，变频器需要有足够的电压裕量。
（2）当负载增加时，定子电压矢量和定子电流矢量的夹角也会增大，造成电动机的功率因数降低。
（3）当凸极率

时，在

的控制方式下，电动机无磁阻转矩输出，降低了电动机的转矩输出能力。对于凸极式转子结构，单位电流产生的电磁转矩不是最大的。而对于隐极式转子结构，其交轴、直轴电感相同，无论

是否为零都不会产生磁阻转矩，所以这种控制方式对隐极式转子结构也就是最大转矩电流比控制。
由于存在以上缺点，导致这种控制方式的使用范围受到限制。为了克服这些问题，需要根据实际工况，按照一定的原则协调控制定子电流的

和

分量，而不是在调速过程中始终保持

不变。
5.2 MTPA控制方式
永磁同步电动机的MTPA控制方式即最大转矩电流比（Maximum Torque-per-Ampere，MTPA）控制方式，其含义是，在该控制方式下，幅值一定的定子电流产生的转矩最大，等价于对应相同的电磁转矩，在该控制方式下所需的定子电流最小，进而对应的电动机铜损也最小。
由电磁转矩表达式可以得到具有最大转矩电流比对应的电流相角

的值，

的表达式为

式中，

——定子电流的幅值。
如果电动机的转子为隐极式结构，则有

，上式的分母等于0，则不能按照上式来确定

角的值，但是，根据前面的讨论可知，对于隐极式转子结构，

的控制方式和MTPA控制方式是一样的。
对于凸极式转子结构，

，在MTPA控制方式中，根据上式和

角的定义可知，交轴电流

和直轴电流

之间的关系为

在实际的系统运行过程中，只要利用转速调节器的输出（即

轴电流的给定值

），根据上式计算出

，最后通过两个电流调节器的控制作用，使得实际电流值等于两个电流给定值，就实现了MTPA控制方式下的矢量控制系统。
下图给出了前两式表示的在MTPA控制方式下的电流矢量的变化轨迹，还给出了恒转矩和恒电流曲线。
由图中可以看出，在电磁转矩分别为

时，电动机分别稳定运行在

，这三个点分别为恒转矩曲线和恒电流曲线的切点，

对应的电流值分别为

。另外，根据MTPA控制方式的定义可知，当电流幅值分别为

时，能够产生的最大转矩分别为

。
下图仅给出了在第二象限内

的特性曲线，可以证明，相应的曲线是关于

轴对称的，因此，很容易得到在第三象限内

曲线的变化情况。在第二象限内曲线描述的是，当转矩为正时电动机的运行情况，而在第三象限内曲线描述的是当转矩为负时电动机的运行情况。

图11-10 在MTPA控制方式下的电流矢量轨迹图
5.3 MTPV控制方式
MTPV控制方式即最大转矩电压比控制方式（Maximum Torque-per-Voltage，MTPV），其含义是在该控制方式下，幅值一定的定子电压产生的转矩最大，等价于对应相同的电磁转矩，在该方式下所需的定子电压最小，进而对应的电动机铁损也最小。
MTPV对应的工作点除了具有电压最小的特性之外，该点的定子磁链的幅值也最小。当调速系统具有最大转矩电压比时，

之间的关系如下式所示。



式中，

——定子磁链的幅值。
在实际系统中，确定

的过程为：首先把转速调节器的输出

代入到上式中，此时上式就构成了一个未知数为

和

的方程组；然后，解该方程组得到

和

的值；最后，把

和

代入上式中，就得到了

的值。
图11-11给出了由上式表示的在MTPV控制方式下的电流矢量的变化轨迹，还给出了恒转矩曲线和恒磁链曲线，注意恒磁链曲线具有椭圆的形状。

由图中可以看出，随着转矩的递减，最大转矩点沿着

点


点


点运动，

点为

恒转矩曲线与

恒磁链曲线的切点，表示当磁链为

时，电动机能够输出的最大转矩为

。

对应

恒磁链曲线上的最大转折点，

对应

恒磁链曲线上的最大转矩点。图中的

点对应的电流为

，此时对应的磁链幅值为0。
5.4 弱磁控制方式
根据磁链方程式，可知计算

的公式为

上式中永磁体磁链

是不可控制的，在运行过程中保持不变，但是，可以利用

轴定子电流

的电枢反应来调节磁链分量

，当

为负时，

减小，

也随之减小，这种减弱

的控制方法就被称为弱磁控制。弱磁控制通常用于高速区，使定子感应电动势的幅值（忽略定子电阻压降）等于逆变器能够输出的最高电压的幅值

。
忽略定子电阻压降，且在稳态有

电流分量

和

的关系为

下图给出了上式描述的电流矢量的变化轨迹，同时给出了在不同转速下最大电压

对应的椭圆形曲线，在不同转速下最大电压曲线是不一样的，随着转速的升高，最大电压曲线呈收缩趋势，当转速无限大时，椭圆收缩于M点。椭圆形曲线的中心位于图中的M点处，下图中的M点于5.3节图中的M点为同一点。

在运行过程中， 根据上式控制电流矢量位于电压限制椭圆上，以保证逆变器输出最大电压

，由图中可以看出，电动机转速为

，当转矩由

增加到

再增加到

时，电流矢量的运动轨迹为

点


点


点，且再转矩变化的过程中，逆变器输出的电压幅值保持不变。
5.5 最小功率损耗控制
在永磁同步电动机的电压方程式的基础上，再考虑电动机的铁损，可以得到电动机在

坐标系上的等效电路，如下图所示。图中

为铁损电阻；

和

分别为

轴和

轴的铁损电流分量；

和

分别为

轴和

轴的磁化电流分量。由图中可以看出，在等效电路中，电流

和

都被分解成铁损电流分量和磁化电流分量两部分。

利用铁损电阻和铁损电流，电动机的铁损损耗可以表示为

铁损电阻并不是一个常数，而是一个随运行频率变化而变化的量，它与频率的关系可建模为

式中，

——电涡流损耗电阻；

——磁滞损耗电阻。
根据永磁同步电动机的等效电路图可以得到损耗最小时的电流矢量，该电流矢量是电磁转矩和转速的函数，在某一转速和转矩下，该电流矢量可以使电动机的功率损耗最小，其随转速和转矩变化的轨迹称为最小损耗曲线，简记为LM曲线。
在下图中，给出了最小功率损耗控制方式下的电流矢量轨迹，由图中可以看出，LM轨迹具有以下特点：
（1）由于在电动机静止时，其铁损为零，同时忽略PWM的谐波损耗，此时电动机的损耗只剩下铜损一项，因此，当

时，LM电流矢量轨迹和MTPA电流矢量轨迹是重合的。
（2）当电动机的转速增加时，在恒转矩曲线时，LM电流矢量轨迹向左移动。
（3）当转速增加到无限大时，电动机的铜损远远小于铁损，可以忽略不计，LM电流矢量轨迹和MTPV电流矢量轨迹是重合的。
下图给出了

时的LM电流矢量变化轨迹，由图中可以看出，电磁转矩由

增加到

再增加到

时，电流矢量的运动轨迹为

点


点


点。当转矩固定为

不变，而转速由

逐渐增加时，电流矢量的运动轨迹为

点


点


点


点


点。
在实际控制中，不同工况下的

轴和

轴的电流给定值，可以通过公式计算的方法获得，也可以利用实验的方法获得，得到的电流给定值可以存储在表中，或者把这些数值拟合成近似函数，供程序实时调用。

5.6 各种控制方式的比较
下图给出了在以上5种控制方式下的电流矢量的变化情况。

在弱磁控制方式和最小功率损耗控制方式下，电流矢量的变化轨迹是随着转速的变化而变化的，上图给出了当

时，在这两种控制方式下的电流矢量的变化轨迹，并且假设在若此控制方式下的最大输出电压

。
点

到

分别位于MTPA控制、MTPV控制、FW控制、LM控制和

控制的电流矢量轨迹中，且这些点对应的转矩都为

。由图中可以看出，

点对应的电流幅值最小；

点对应的感应电动势和定子磁链最小；

点的感应电动势保持在

；

点的电动机损耗最小，电动机效率达到最优；

点的

轴电流值为0，在该控制方式下，转矩和

轴电流成正比。
除了以上提到的几种控制方式以外，还存在其他的控制方式，如单位功率因数控制方式，在该控制方式下，

轴和

轴电流的协调变化关系可以由电机在

坐标系上的数学模型得到，感兴趣的读者可以参考相关文献。由图中可以看出，在不同的控制方式下，电动机的稳态运行点有很大的不同，因此，在实际的调速系统中，应该根据控制目标和运行条件来选择合适的控制方式。