永磁同步电机弱磁控制策略仿真分析与验证
摘 要
金属切削机床特别是加工中心用主轴追求多样化工艺能力：高速刚性攻丝（大于2000rpm）、快速的主轴定位控制，以及大力矩和高转速。与感应电机相比，永磁同步式电机优异的动态性能和更加线性的输入输出关系使得其容易满足刚性攻丝、定位控制的要求，配合以弱磁控制则能够在保证低速力矩能力的同时提升最大转速。本文分析了电机的电磁关系方程所表明的大力矩和高转速这一对矛盾关系暨弱磁运行的意义，并在定性比较了'开环“式直接/间接弱磁、'闭环“式d轴电流补偿/相角补偿这几种永磁同步式电机的弱磁控制策略后，详细介绍了其中的'闭环“d轴电流补偿式弱磁策略配合最大转矩电流比（MTPA）的设计，以及为降低各环节滞后带来的调节失稳的风险，使用模型电压前馈提高电流环带宽的方法。随后给出了获得电压前馈模型所用电机参数的工程化实验方法，并使用所获参数试验验证了前述弱磁策略。试验运行时加速度、电流等状态与估算一致，说明获取参数准确，弱磁机制工作正常，该弱磁策略可用。
【关键词】永磁同步电机 弱磁控制 MTPA
1 背景介绍
机床行业的用户对机床加工精度、效率和表面质量的追求日益提高，这一特点在近年的3C行业（Computer，Communication，Consumer Electronics即计算机，通讯和消费类电子产品）十分明显。该行业中机床加工的主要工艺包括金属壳体轮廓加工、钻孔攻丝、高表面质量（高光）铣削、玻璃基板磨削和钻孔等，极为追求加工效率，因此须尽可能一次装卡完成多道工序。这要求面对此行业的机床（加工中心）具备以下能力：
1.1 高速刚性攻丝（大于2000rpm）
使用螺纹成型刀具（丝锥），Z轴与主轴联动。
1.2 快速的主轴定位控制
主轴带测头，加工前后检测毛坯/成品型位误差。要求主轴高速点到点定位。
1.3 大力矩
大材料去除率（MRR）时需要低速出力能力。此外，对更短换刀时间的追求也需要主轴具有大的加/减速力矩。
1.4 高转速
精加工、高光加工（表面粗糙度10nm）转速普遍要求最高转速在20000rpm以上；
与感应电机相比，永磁同步电机天然地具有线性的输入-输出（电流-力矩）关系，配合矢量控制算法，容易获得更优异的伺服特性，满足上述第一、二条能力要求。而第三、四条大力矩、高转速是一对互相矛盾的要求。因为对三相电机而言，根据能量守恒定理有：
式中，T为转矩，ωm为电机转速，n为极对数，ωe为磁场旋转角速...
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