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摘要：近年来，各大电梯厂家均在不断地加大对技术创新研究的投入，电梯系统的控制也随之出现很多新的应用技术。本文介绍的弱磁控制技术便是其中的一项新的电梯应用技术，通过应用弱磁控制技术，电梯可以在负载较低的情况下，提升轿厢速度，实现弱磁升速的效果。并且通过分析弱磁控制与电机磁极位置的关系，改善弱磁控制的性能。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/266054.htm
关键字：弱磁控制；磁极位置；磁极码
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.011
背景
近年来，主要竞争对手在电梯控制技术上不断地推出一些新的应用技术，并包装成产品进行销售，既提高自身的品牌形象，也获得了更大的市场份额。而我司在这技术创新方面也在紧密追赶。自从可变速电梯被推出到市场之后，其核心技术“弱磁控制”也进入到我们的研究方向当中。
弱磁控制技术的应用，可以对电梯系统的规格扩展带来两大好处，一是开发周期大大缩短，二是控制系统成本不需要增加。但目前弱磁控制技术还未被广泛应用，其弱磁性能仍存在一些需要深入研究的地方，鉴于此，本文将介绍弱磁控制的基础原理，以及实际调试过程中所发现的弱磁控制与磁极位置的关系分析，从而为真正广泛将弱磁控制技术应用到产品打下基础。
1 弱磁控制介绍
1.1 弱磁原理
电动机的转速跟电机的端电压成正比，当电机的转速增加时，其感应电动势也随之增加，电机的端电压就会增加。但由于电机供电电压是由变频控制器所决定的，对于超过变频控制器的母线电压限制的，电机将得不到所需求的电压以及转速。
在变频器以及电机都不变的情况下，电机的转速想要超过其额定转速，就需要引入弱磁控制的概念。要使电机能够正常运行，电机的感应电势就不能超过其供电电源的电压（此处即变频器），而电机的感应电势等于电机转速与电机内部磁通的乘积。想要保持感应电势不变，且需要提升电机转速的话，就必须使电机内部磁通减弱，这就是弱磁控制的基础原理。
对于目前被广泛应用的永磁同步电机PMSM而言，其弱磁控制的方法源于他励直流电机的励磁原理。当他励直流电机的转速超过其额定转速时，只要将其励磁电流减少，就能降低其励磁磁通，从而可以在保持电机电压不变的情况下提高转速。而对于永磁同步电机而言，其励磁磁通是由永磁铁提供的，不能自由调节，只能通过调节定子电流，根据矢量控制原理及PARK坐标变换原理，通过增加定子直轴电流达到削弱磁场的效果，从而实现弱磁升速目的。
基于电动机的原理及其实际设计情况（例如温升限制），电机的功率需要守恒，而电机的功率等于转速与输出力矩的乘积，因此，当电机通过弱磁控制使速度提升超过其额定转速时，电机的输出力矩就必须减少，从而达到恒功率弱磁升速的效果。
1.2 电机的电压平衡方程
对于永磁同步电机，其电压平衡方程如下：
其中参数：
Rs：电机定子线圈相电阻 [Ω]
Id：电机d轴电流 [A]
Iq：电机q轴电流 [A]
Ld：电机d轴电感 [H]
Lq：电机q轴电感 [H]
ωr：电机转速 [rad/s]
Ψf：电机永磁体磁链 [T]
Ud：电机d轴电压 [V]
Uq：电机q轴电压 [V]
U：电机线电压 [V]
将电压平衡方程转化成dq坐标系的矢量图如下：
根据图1与图2的对比，可以很直观地看到，电机端电压U1（无弱磁时）与U2（弱磁时）相比，U2明显下降，达到弱磁恒速降压的效果，而在此基础上，我们再提高其电机转速指令值，使电机端电压回升到额定值，此时就可得到弱磁恒压升速的效果。
2 弱磁控制与磁极位置的关系分析
2.1 磁极的相关概念
转子磁极（N极）的位置，称为磁极位置。
转子磁极（N极）与定子线圈α基准轴的夹角，称为磁极角。
在αβ基准坐标系中，基于电机编码器Z相脉冲ON上升沿时的转子磁极位置的角度，称为磁极码。（磁极码的定义基于不同的控制方式会有所差异）
2.2 弱磁控制与磁极位置的关系
电机磁极码的正确与否，会直接影响控制系统对电机磁极位置的确认，从而影响弱磁控制的实际效果，因此，我们需要研究其相互关系，并加以利用。
由于工程应用现场的电机磁极码自学习存在一定的误差，这使得磁极码将出现三种情况：
一是磁极码反映的角度刚好正确，控制系统能正确认知电机磁极位置；
二是磁极码反映的角度比电机实际磁极位置超前；
三是磁极码反映的角度比电机实际磁极位置滞后；
下面将会对上述三种情况进行详细的分析。
情况一：磁极码反映的角度刚好正确。
从图3可知，在dq坐标系中，电机相电流Im1、Im2、Im3的幅值是相等的，图3中的圆可认为是基于功率守恒（电机功率公式见式4）的电流等幅圆。Id*与Iq*分别是电机d轴、q轴的电流指令给定值。Im与Id*、Iq*的关系如式5。Iq*完全等于力矩电流Itrq。
以11kw额定电流为25A的电机为例：
①当Id1*=0时，Iq1*=25A额定值，此时电机的输出力矩也是额定力矩；
②当Id2*=-10A时，Iq2*≈23A，加入了Id2*之后，为了使Im2的幅值不变，则与Iq1*相比，Iq2*要变小。
③当Id2*=-15A时，Iq2*=20A，加入了更大的Id3*之后，为了使Im3的幅值不变，则与Iq2*相比，Iq3*要变得更小。
另外，如果加入了Id*之后，电机的负载力矩不变的话，Iq*则不能变小，则会导致Im增大，从而导致输出功率不守恒，电机过负荷运作。
情况二：磁极码反映的角度比电机实际磁极位置超前。
如图4所示，由于磁极码不正确，此时的Iq*、Id*与Itrq的关系如式6。
①当Id 1* = 0时，Itrq1=25A，根据式5以及式6得，Im1=Iq1*≈28.9A，此时电机的输入相电流Im1比额定电流要大。
②当Id2*=-10A时，Itrq2=25A，则Iq2*≈23.1A，此时由于Id2*在q轴坐标上有力矩正分量，使得当电机输出力矩不变的情况下，Iq2*可以变小，最终电机输入相电流Im2与额定电流基本相等。
③当Id3*=-15A时，为了使电机输入相电流Im3=25A保持不变，则Iq3*=20A，此时由于Id3*在q轴坐标上有力矩正分量，Itrq3≈24.8A，即电机输出力矩会略为下降。
情况三：磁极码反映的角度比电机实际磁极位置滞后。
如图5所示，由于磁极码不正确，此时的Iq*、Id*与Itrq的关系如式7。
同样以11kw额定电流为25A，磁极位置偏角为θ=30°的电机为例：
①当Id1*=0时，Itrq1=25A，根据式5以及式7得，Im1=Iq1*≈28.9A，此时电机的输入相电流Im1比额定电流要大。
②当Id2*=-10A时，为了使电机输入相电流Im2=25A保持不变，则Iq2*≈22.9A，此时由于Id2*在q轴坐标上有力矩负分量，Itrq2≈14.8A，即电机输出力矩会有较大的下降。
③当Id3*=-15A时，为了使电机输入相电流Im3=25A保持不变，则Iq3*=20A，此时由于Id3*在q轴坐标上有力矩负分量，Itrq3≈9.8A，即电机输出力矩会有更大的下降。
3 磁极码自动校正方案探讨
由上述的三种情况可知，当系统需要进行弱磁控制时，第二种情况虽然在输出力矩上有效好的能力，但是由于有θ角的存在，d轴上的Id*分量变小，会使其弱磁升速的效果变差。因此，系统想要获得理想的弱磁升速控制的效果，就需要有准确的磁极码数据。我们系统对电机磁极码自学习功能存在一定的误差，如何自动获得更准确的磁极码，成为了我们研究的内容。
在电梯负载不变的情况下（即其力矩电流Itrq不变），我们通过变频器向电机分别提供两次大小不同的Id*，然后各自动运行一次，系统可以记录分别对应的Iq*，然后根据式6可得：
那么，只要通过反正切函数就可求解出磁极码与实际磁极位置的偏差θ角。
在得到θ角且知道是超前还是滞后之后，系统就可以自动修正磁极码数据，从而得到最理想的电梯运行效果。
4 总结
本文从理论上分析了弱磁控制的原理以及其应用的方法，结合电梯的实际情况，分析了弱磁控制与电机磁极位置的关系。并且推算出一种自动修正磁极码数据的方法，以提升电梯弱磁控制的性能，为真正广泛地将弱磁控制技术应用到产品打下基础。
参考文献：
[1]龚仲华.交流伺服与变频技术及应用[M].人民邮电出版社，2011[2]周扬忠，胡育文.交流电动机直接转矩控制[M].机械工业出版社，2010
关键字：弱磁控制；磁极位置；磁极码
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.011
背景
近年来，主要竞争对手在电梯控制技术上不断地推出一些新的应用技术，并包装成产品进行销售，既提高自身的品牌形象，也获得了更大的市场份额。而我司在这技术创新方面也在紧密追赶。自从可变速电梯被推出到市场之后，其核心技术“弱磁控制”也进入到我们的研究方向当中。
弱磁控制技术的应用，可以对电梯系统的规格扩展带来两大好处，一是开发周期大大缩短，二是控制系统成本不需要增加。但目前弱磁控制技术还未被广泛应用，其弱磁性能仍存在一些需要深入研究的地方，鉴于此，本文将介绍弱磁控制的基础原理，以及实际调试过程中所发现的弱磁控制与磁极位置的关系分析，从而为真正广泛将弱磁控制技术应用到产品打下基础。
1 弱磁控制介绍
1.1 弱磁原理
电动机的转速跟电机的端电压成正比，当电机的转速增加时，其感应电动势也随之增加，电机的端电压就会增加。但由于电机供电电压是由变频控制器所决定的，对于超过变频控制器的母线电压限制的，电机将得不到所需求的电压以及转速。
在变频器以及电机都不变的情况下，电机的转速想要超过其额定转速，就需要引入弱磁控制的概念。要使电机能够正常运行，电机的感应电势就不能超过其供电电源的电压（此处即变频器），而电机的感应电势等于电机转速与电机内部磁通的乘积。想要保持感应电势不变，且需要提升电机转速的话，就必须使电机内部磁通减弱，这就是弱磁控制的基础原理。
对于目前被广泛应用的永磁同步电机PMSM而言，其弱磁控制的方法源于他励直流电机的励磁原理。当他励直流电机的转速超过其额定转速时，只要将其励磁电流减少，就能降低其励磁磁通，从而可以在保持电机电压不变的情况下提高转速。而对于永磁同步电机而言，其励磁磁通是由永磁铁提供的，不能自由调节，只能通过调节定子电流，根据矢量控制原理及PARK坐标变换原理，通过增加定子直轴电流达到削弱磁场的效果，从而实现弱磁升速目的。
基于电动机的原理及其实际设计情况（例如温升限制），电机的功率需要守恒，而电机的功率等于转速与输出力矩的乘积，因此，当电机通过弱磁控制使速度提升超过其额定转速时，电机的输出力矩就必须减少，从而达到恒功率弱磁升速的效果。
1.2 电机的电压平衡方程
对于永磁同步电机，其电压平衡方程如下：
其中参数：
Rs：电机定子线圈相电阻 [Ω]
Id：电机d轴电流 [A]
Iq：电机q轴电流 [A]
Ld：电机d轴电感 [H]
Lq：电机q轴电感 [H]
ωr：电机转速 [rad/s]
Ψf：电机永磁体磁链 [T]
Ud：电机d轴电压 [V]
Uq：电机q轴电压 [V]
U：电机线电压 [V]
将电压平衡方程转化成dq坐标系的矢量图如下：
根据图1与图2的对比，可以很直观地看到，电机端电压U1（无弱磁时）与U2（弱磁时）相比，U2明显下降，达到弱磁恒速降压的效果，而在此基础上，我们再提高其电机转速指令值，使电机端电压回升到额定值，此时就可得到弱磁恒压升速的效果。
2 弱磁控制与磁极位置的关系分析
2.1 磁极的相关概念
转子磁极（N极）的位置，称为磁极位置。
转子磁极（N极）与定子线圈α基准轴的夹角，称为磁极角。
在αβ基准坐标系中，基于电机编码器Z相脉冲ON上升沿时的转子磁极位置的角度，称为磁极码。（磁极码的定义基于不同的控制方式会有所差异）
2.2 弱磁控制与磁极位置的关系
电机磁极码的正确与否，会直接影响控制系统对电机磁极位置的确认，从而影响弱磁控制的实际效果，因此，我们需要研究其相互关系，并加以利用。
由于工程应用现场的电机磁极码自学习存在一定的误差，这使得磁极码将出现三种情况：
一是磁极码反映的角度刚好正确，控制系统能正确认知电机磁极位置；
二是磁极码反映的角度比电机实际磁极位置超前；
三是磁极码反映的角度比电机实际磁极位置滞后；
下面将会对上述三种情况进行详细的分析。
情况一：磁极码反映的角度刚好正确。
从图3可知，在dq坐标系中，电机相电流Im1、Im2、Im3的幅值是相等的，图3中的圆可认为是基于功率守恒（电机功率公式见式4）的电流等幅圆。Id*与Iq*分别是电机d轴、q轴的电流指令给定值。Im与Id*、Iq*的关系如式5。Iq*完全等于力矩电流Itrq。
以11kw额定电流为25A的电机为例：
①当Id1*=0时，Iq1*=25A额定值，此时电机的输出力矩也是额定力矩；
②当Id2*=-10A时，Iq2*≈23A，加入了Id2*之后，为了使Im2的幅值不变，则与Iq1*相比，Iq2*要变小。
③当Id2*=-15A时，Iq2*=20A，加入了更大的Id3*之后，为了使Im3的幅值不变，则与Iq2*相比，Iq3*要变得更小。
另外，如果加入了Id*之后，电机的负载力矩不变的话，Iq*则不能变小，则会导致Im增大，从而导致输出功率不守恒，电机过负荷运作。
情况二：磁极码反映的角度比电机实际磁极位置超前。
如图4所示，由于磁极码不正确，此时的Iq*、Id*与Itrq的关系如式6。
①当Id 1* = 0时，Itrq1=25A，根据式5以及式6得，Im1=Iq1*≈28.9A，此时电机的输入相电流Im1比额定电流要大。
②当Id2*=-10A时，Itrq2=25A，则Iq2*≈23.1A，此时由于Id2*在q轴坐标上有力矩正分量，使得当电机输出力矩不变的情况下，Iq2*可以变小，最终电机输入相电流Im2与额定电流基本相等。
③当Id3*=-15A时，为了使电机输入相电流Im3=25A保持不变，则Iq3*=20A，此时由于Id3*在q轴坐标上有力矩正分量，Itrq3≈24.8A，即电机输出力矩会略为下降。
情况三：磁极码反映的角度比电机实际磁极位置滞后。
如图5所示，由于磁极码不正确，此时的Iq*、Id*与Itrq的关系如式7。
同样以11kw额定电流为25A，磁极位置偏角为θ=30°的电机为例：
①当Id1*=0时，Itrq1=25A，根据式5以及式7得，Im1=Iq1*≈28.9A，此时电机的输入相电流Im1比额定电流要大。
②当Id2*=-10A时，为了使电机输入相电流Im2=25A保持不变，则Iq2*≈22.9A，此时由于Id2*在q轴坐标上有力矩负分量，Itrq2≈14.8A，即电机输出力矩会有较大的下降。
③当Id3*=-15A时，为了使电机输入相电流Im3=25A保持不变，则Iq3*=20A，此时由于Id3*在q轴坐标上有力矩负分量，Itrq3≈9.8A，即电机输出力矩会有更大的下降。
3 磁极码自动校正方案探讨
由上述的三种情况可知，当系统需要进行弱磁控制时，第二种情况虽然在输出力矩上有效好的能力，但是由于有θ角的存在，d轴上的Id*分量变小，会使其弱磁升速的效果变差。因此，系统想要获得理想的弱磁升速控制的效果，就需要有准确的磁极码数据。我们系统对电机磁极码自学习功能存在一定的误差，如何自动获得更准确的磁极码，成为了我们研究的内容。
在电梯负载不变的情况下（即其力矩电流Itrq不变），我们通过变频器向电机分别提供两次大小不同的Id*，然后各自动运行一次，系统可以记录分别对应的Iq*，然后根据式6可得：
那么，只要通过反正切函数就可求解出磁极码与实际磁极位置的偏差θ角。
在得到θ角且知道是超前还是滞后之后，系统就可以自动修正磁极码数据，从而得到最理想的电梯运行效果。
4 总结
本文从理论上分析了弱磁控制的原理以及其应用的方法，结合电梯的实际情况，分析了弱磁控制与电机磁极位置的关系。并且推算出一种自动修正磁极码数据的方法，以提升电梯弱磁控制的性能，为真正广泛地将弱磁控制技术应用到产品打下基础。
参考文献：
[1]龚仲华.交流伺服与变频技术及应用[M].人民邮电出版社，2011[2]周扬忠，胡育文.交流电动机直接转矩控制[M].机械工业出版社，2010