永磁同步電機(jī)控制策略

◎徐向軍

永磁同步電機(jī)控制策略

◎徐向軍

近些年，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)得到快速發(fā)展，同時(shí)，新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料也得到充分利用，在這一背景下永磁同步電機(jī)具有較大的發(fā)展空間，并且，被越來(lái)越多的人關(guān)注以及推廣。與其他電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中包括體積小、損耗少和效率高，因此，更加符合當(dāng)前節(jié)能降耗的需要，這種節(jié)約能源對(duì)環(huán)境保護(hù)有益的設(shè)備受到較多人的喜愛(ài)，因此，對(duì)永磁同步電機(jī)控制策略進(jìn)行探討十分有必要。下面本文就對(duì)永磁同步電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)及其控制策略進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。

永磁同步電機(jī)的材料組成是交流電機(jī)，應(yīng)用激磁磁極轉(zhuǎn)子這種高性能永磁材料，因此，其控制系統(tǒng)與普通同步電機(jī)不同，并且，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也不相同。因此，永磁同步電機(jī)的氣隙磁密較高，而且，具有較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但轉(zhuǎn)矩/慣量比較大，所以，與普通電機(jī)相比效率極高。因上述諸多優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域包括高性能機(jī)床進(jìn)給控制、位置控制和機(jī)器人等。為了能夠更好的使永磁同步電機(jī)發(fā)揮出作用，就需要對(duì)永磁同步電機(jī)有一定的了解，并對(duì)其控制策略進(jìn)行探討。

永磁同步電機(jī)原理

永磁同步電機(jī)原理是，三相電流通入在電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成于電動(dòng)機(jī)定子繞組中，因?yàn)檗D(zhuǎn)子上安裝了永磁體，而永磁體的具有固定的磁極，磁極同性相吸異性相斥，因此，定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)影響轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終，轉(zhuǎn)子會(huì)和定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，所以，永磁同步電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程可以看做是異步啟動(dòng)階段和牽入同步階段共同組成的。

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)的組成是由轉(zhuǎn)子、端蓋和定子等部件。通常來(lái)說(shuō)，永磁同步電機(jī)與普通感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)十分相似是其最大的特點(diǎn)，而與其他電機(jī)的區(qū)別則在于其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性。因?yàn)椋来磐诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)子上有質(zhì)量較高的永磁體刺激。根據(jù)永磁安放位置的不同，可以將永磁同步電機(jī)分為內(nèi)嵌式、面貼式和插入式三大類(lèi)，具體如圖1所以。

永磁同步電機(jī)控制策略

恒壓頻比控制。恒壓頻比控制是通過(guò)開(kāi)關(guān)控制使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)維持一定的轉(zhuǎn)速，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是按照系統(tǒng)給定，通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化成理想的輸出。恒壓頻比控制應(yīng)用的依據(jù)是對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬，得到的是不理想的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)性能。因此，如果想獲得動(dòng)態(tài)性能較高，就需要數(shù)學(xué)模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)。永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，是非線性、多變量的，其中包括角速度和電力的乘積項(xiàng)，因此，必須采用對(duì)角速度和電流解耦的方式才能夠使控制性能更加精準(zhǔn)。最近幾年，為了能夠更好的解決永磁同步電機(jī)非線性特定這一問(wèn)題，已經(jīng)對(duì)各種非線性控制器進(jìn)行了研究。

矢量控制方案。F.Blaschke是德國(guó)西門(mén)子公司，該公司于1971年首次提出矢量控制原理，自提出起便被廣泛關(guān)注，并且，對(duì)其理論和應(yīng)用等方便都展開(kāi)了較為深入的研究。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，矢量控制就是利用普通的三相交流電機(jī)，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律進(jìn)行模擬，也就是說(shuō)，把三相交流電機(jī)的定子電流進(jìn)行分解，得出勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分量，并在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上垂直的對(duì)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行標(biāo)記，使其獨(dú)立后，分別的對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)這樣的方式就使得交流電機(jī)與直流電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制原理和特性上基本一致。而在進(jìn)行矢量控制時(shí)，需要格外注意的就是定子電流幅值和空間位置的控制。矢量控制是以改善轉(zhuǎn)矩控制性能為目的，以定子電流控制為最終的實(shí)施方式。因?yàn)?，定子測(cè)的物理量均為交流量，所以，空間矢量在空間旋轉(zhuǎn)是同步轉(zhuǎn)速，這樣十分不便于調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算。所以，此時(shí)坐標(biāo)變換十分有必要，這樣能夠?qū)⒏魑锢砹坑伸o止轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。該準(zhǔn)則是產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，三相靜止坐標(biāo)系將交流電iA、iB和iC進(jìn)行3/2變換以及αβ/ dp變換， 便能夠等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電id、iq，觀察者如果和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)速度相同，那么，就能夠看到直流電機(jī)。

矢量控制方案也存在一定的不足，因?yàn)?，矢量控制方案針?duì)交流伺服電機(jī)控制較為有效，但由于需要矢量旋轉(zhuǎn)變換，所以該方式較為復(fù)雜，而且，與電磁常數(shù)相比，電機(jī)的機(jī)械常數(shù)較慢，質(zhì)量控制的中轉(zhuǎn)矩相應(yīng)速度不夠。

直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是由上世紀(jì)80年代德國(guó)學(xué)者Depenbrock提出，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩相應(yīng)快等，更好的解決矢量控制中存在的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制采取定子磁鏈定向的方式，因此，不需要解耦控制和電流反饋，而是，通過(guò)離散的兩點(diǎn)式控制對(duì)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制可以使磁鏈和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制得到實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值獲得之后，便能夠?qū)τ来磐诫姍C(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制。圖2為永磁同步電機(jī)直接控制方案結(jié)構(gòu)圖，其組成是永磁同步電機(jī)、逆變器、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈估算和電壓矢量切換開(kāi)關(guān)表等環(huán)節(jié)，其中的uD、uQ，iD、iQ是靜止DQ坐標(biāo)系下電壓、電流分量。

本文對(duì)永磁同步電機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并闡述了恒壓頻比控制、矢量控制方案和直接轉(zhuǎn)矩控制三種基本控制方式。通過(guò)本文內(nèi)容可以看出，每種控制策略都存在其特有的優(yōu)勢(shì)，但也有一定的弊端，因此，在選擇控制策略的時(shí)候，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的控制方法。并且，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)下，永磁同步電機(jī)的控制理論和策略會(huì)不斷推陳出新，以此來(lái)解決不同控制方式存在的弊端，使其更加的完善，這樣就可以使永磁同步電機(jī)在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，拓展永磁同步電機(jī)的發(fā)展空間。

（作者單位：大唐華銀電力股份有限公司耒陽(yáng)分公司）