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永磁同步电机弱磁控制
将永磁体安装在转子表面的表面式永磁同步电机（SPMSM）不适用于离心力较大的高速运行。此外，由于转子表面的永磁体导致定子电感减小，这阻碍了弱磁运行，而弱磁运行会降低磁通量。相反，内置式永磁同步电机（IPMSM）有利于高速运行，因为其永磁体嵌入转子铁芯内部，且具有较大的电感，基于这些原因，IPMSM广泛应用于需要高速运行的场合。现在，将更详细地讨论永磁同步电机高速运行的弱磁控制。
对于诸如感应电动机、他励直流电动机以及转子上带有励磁绕组的同步电动机等电机，在高速运行时，可通过控制励磁电流直接减弱励磁磁通。这种技术被称为弱磁控制。相比之下，对于诸如内置式永磁同步电动机（IPMSM）或表面式永磁同步电动机（SPMSM）等永磁同步电动机（PMSM），由于其磁通是由永久磁铁产生的，因此无法直接控制。永磁同步电动机的定子磁链由下式给出：
对于永磁同步电机（PMSM），如下图所示，通过使用负的d轴定子电流，在与磁通量相反的方向上产生磁通，就可以降低有效定子磁链。这种技术被称为弱磁控制，为实现有效的弱磁控制，需要较大的d轴电感。
永磁同步电机的运行区域通常可分为以下两个速度区域。
• 恒转矩区域：基速以下的速度范围
• 恒功率区：高于基速的速度范围（弱磁区）
下图展示了两个转速区域的特性。
永磁同步电机（PMSM）的速度区域与他励直流电机基本相似。然而，根据其磁路系统设计，永磁同步电机可能会有一个额外的弱磁区域，类似于感应电机的击穿转矩区域。这由磁通量 与最大d轴定子磁链（即 ）之间的大小关系决定。更实际地，下图展示了永磁同步电机根据设计的输出功率特性。在 的情况下，永磁同步电机具有与上图所示的理想特性几乎相似的特性，根据磁路系统设计的特性将在后面更详细地解释。
永磁同步电机按速度区域划分的输出功率
永磁同步电机（PMSM）高速运行的弱磁控制技术可分为三种方法：前馈法，即从稳态电压方程中获取高速运行所需的电流指令；反馈法，即从电压反馈中获取电流指令；以及这两种技术的组合方法。在此，将分别探讨内置式永磁同步电机（IPMSM）和表面式永磁同步电机（SPMSM）的前馈弱磁控制方法。
内置式永磁同步电动机的高速运行
在研究内置式永磁同步电机（IPMSM）的高速运行之前，我们首先回顾一下IPMSM在恒转矩区域的运行情况。
恒转矩区域
对于内置式永磁同步电机（IPMSM）在恒转矩区域（即基速以下的运行范围）的运行，采用如下图所示的最大转矩电流比（MTPA）控制。
在之前，讨论了如何获得用于最大转矩电流比（MTPA）运行的最优电流。在MTPA运行中，内置式永磁同步电机（IPMSM）的输出转矩主要仅受限于最大可用定子电流 。然而，在高速范围内，反电动势电压增大，电压裕度不足以控制MTPA运行的电流指令。因此，IPMSM的输出转矩受限于可用电压而非可用电流。
现在将研究在最大可用定子电压 下所能达到的速度。在额定转速附近，反电动势较大，因为
由于定子电阻上的电压降可忽略不计，永磁同步电机（IPMSM）稳态下的d-q轴定子电压给出为：
这些定子电压应满足以下关系，即之前所述的电压限制条件。
由上式可得，恒转矩运行区域的最大速度 为
其中， 和 分别为用于最大转矩电流比（MTPA）运行的d-q轴电流。
转速 是弱磁控制在恒功率运行时应开始的基本转速，基本转速随所需电流（或转矩）和可用电压而变化，接下来，将讨论恒功率区域的弱磁控制方法。
恒功率区域
与感应电机类似，内置式永磁同步电机（IPMSM）的运行也受限于电压和电流限制条件因此，需要找出最优的弱磁控制方法，以确保在高速区域的电压和电流限制条件下产生最大转矩。
首先，我们将在d-q轴电流平面中表示内置式永磁同步电机（IPMSM）的电压和电流限制边界。与感应电机类似，在最大可用定子电流 的情况下，IPMSM的d-q轴定子电流受限于以下条件。
d-q轴电流平面中的限流边界如下图所示。该限流边界表示为一个圆，其半径为 。另一方面，电压限制边界可)表示为
如上图所示，该电压限制边界是一个椭圆方程，其中心为
该表达式通过使用给定的最大定子电压 来说明可控d-q轴电流的边界。随着运行速度 的增加，椭圆的内部区域会减小。这表明，随着运行速度的增加，可控电流的边界变小。这是因为反电动势会随着运行速度的增加而增大。
内置式永磁同步电机（IPMSM）驱动器应始终满足电压和电流限制条件。考虑这两个限制条件，对于给定的运行速度，可控电流区域是电流限制圆和电压限制椭圆之间的公共区域，即上图中所示的深色区域。因此，对于给定的运行速度，d-q轴定子电流指令必须在该区域内。
现在，研究在这些电压和电流限制条件下产生最大输出转矩的最佳工作点。对于内置式永磁同步电机（IPMSM），最大运行速度和输出功率特性会根据磁通量 与最大d轴定子磁链（即 ）之间的大小关系而变化。这种关系也可以通过电压限制椭圆的中心是否在电流限制圆内来表示。根据这种关系，需要采用不同的弱磁控制策略。
通过令 ，可得出内置式永磁同步电机（IPMSM）的最大可达运行速度为
对于
这种情况，可以看出，通过定子电流来降低磁通量时，运行速度存在限制，即这种类型的电机具有有限的最大速度。另一方面，对于$\phi_{f}
上图展示了在d-q轴电流平面中，产生相等输出转矩的当前指令的多种组合，以及电压和电流限制边界。在中低速范围内，电压限制椭圆足够大，可以包含电流限制圆。因此，我们无需担心电压限制约束，输出转矩仅取决于可用电流。在这种情况下，根据给定的转矩指令，最佳工作点位于最大转矩电流比（MTPA）轨迹上。在电流限制圆与MTPA轨迹的交点A处产生最大转矩 。随着转子速度增加，电压限制椭圆的边界将缩小。如下图所示，电压限制椭圆的边界将在特定速度下与MTPA工作点A相交。该特定速度即为弱磁控制开始时的基速 。当运行速度进一步增加到高于基速 时，电压限制椭圆进一步缩小，因此工作点A将位于椭圆之外。如下图所示，在速度 下，可以很容易看出，A点的电流无法再被调节，因为它偏离了可控电流区域，即电压不足以调节这些电流。
因此，当前指令应移至可控工作点。考虑到电压限制和电流限制条件，产生最大输出转矩的最佳点是圆与椭圆的交点（B点）。此时产生的转矩 小于恒转矩区域中的最大转矩 。
在这种操作中，d轴电流向负方向增加。这就是弱磁控制，它会降低有效的定子磁链。对于给定为转矩指令的定子电流指令 ，最优的d-q轴电流表示为
如下图所示，随着运行速度的增加，最优点的轨迹沿电流限制边界逆时针移动。相应地，d轴定子电流向负方向增加，而q轴定子电流减小。
该操作持续进行，直到达到 *和 *，此时运行速度达到最大值。因此，我们可以确定这种类型的电机具有有限的最大速度。在这种弱磁操作中，内置式永磁同步电机（IPMSM）的定子电压和电流保持恒定，从而实现恒功率运行。下图展示了内置式永磁同步电机在弱磁操作中的最优电流。
接下来，让我们看一下在$\phi_{f}
下图展示了一台800瓦、8极内置式永磁同步电机（IPMSM）在转速指令设为3500转/分钟时的弱磁控制实验结果。对于该IPMSM， ，基速为2500转/分钟。
表贴式永磁同步电机的高速运行
与内置式永磁同步电机（IPMSM）不同，表面式永磁同步电机（SPMSM）的典型运行范围是恒转矩区域。然而，表面式永磁同步电机常常需要高速运行，诸如洗衣机等多种应用场景，表面式永磁同步电机（SPMSM）的弱磁运行与内置式永磁同步电机（IPMSM）几乎类似。现在将研究表面式永磁同步电机的弱磁运行。与其他电机类似，将找出在电压和电流限制条件下确保电机以最大转矩运行的最优弱磁控制方法。
表面式永磁同步电机（SPMSM）的电流限制条件为
在d-q轴电流平面中，电流限制边界可表示为一个圆，其半径为最大定子电流 ，如下图所示。
对于表面式永磁同步电机（SPMSM）在恒转矩区域的最大转矩电流比（MTPA）运行，所有可用电流都应分配给q轴定子电流 ，同时使d轴定子电流 为零。因此，在给定可用定子电流 下，表面式永磁同步电机MTPA运行的最优电流变为
上图描绘了电流限制条件下最优电流的M点。与其他电机类似，在此最优M点运行的可能性取决于以下电压限制条件。
对于一台表面式永磁同步电机，忽略定子电阻的压降，可得稳态直交轴电压方程为：
因此，电压限制条件可表示为
与内置式永磁同步电机（IPMSM）不同，如下图所示，电压限制条件在d-q轴电流平面中表示为一个圆心为 的圆。在给定的最大定子电压 下，随着运行速度的增加，该圆的边界会变小。
基速以下某一转速的电压和电流限制条件如下图所示。在这种情况下，产生最大转矩的最优电流（即M点）在电压限制圆内，因此是可控的。
恒功率区域
电压限制圆会随着转速的增加而缩小。当点M开始移出电压限制圆时，就应改变运行点。这表明弱磁运行开始，此时的转速成为基速。
在这种情况下，产生最大输出转矩的最佳点是两个圆交点处的值。该点的最佳电流为
如下图所示，随着运行速度的增加，最优点的轨迹沿电流限制边界逆时针移动。因此，d轴定子电流向负方向增大，而q轴定子电流减小。
与内置式永磁同步电机（IPMSM）类似，表面式永磁同步电机（SPMSM）的最大运行速度和输出功率特性会根据磁通量 与d轴定子最大磁链（即 ）之间的大小关系而变化。在 的情况下，电压限制圆的圆心在电流限制圆之外，运行速度存在限制（有限最大速度电机）。