永磁同步電機控制策略

徐向軍

近些年，電力電子技術和微電子技術得到快速發(fā)展，同時，新型電機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具有較大的發(fā)展空間，并且，被越來越多的人關注以及推廣。與其他電機相比，永磁同步電機具有諸多優(yōu)點，其中包括體積小、損耗少和效率高，因此，更加符合當前節(jié)能降耗的需要，這種節(jié)約能源對環(huán)境保護有益的設備受到較多人的喜愛，因此，對永磁同步電機控制策略進行探討十分有必要。下面本文就對永磁同步電機的原理、結構及其控制策略進行簡單探討。

永磁同步電機的材料組成是交流電機，應用激磁磁極轉子這種高性能永磁材料，因此，其控制系統(tǒng)與普通同步電機不同，并且，電機的機械結構也不相同。因此，永磁同步電機的氣隙磁密較高，而且，具有較小的轉矩脈動，但轉矩/慣量比較大，所以，與普通電機相比效率極高。因上述諸多優(yōu)點，永磁同步電機應用范圍逐漸擴大，應用領域包括高性能機床進給控制、位置控制和機器人等。為了能夠更好的使永磁同步電機發(fā)揮出作用，就需要對永磁同步電機有一定的了解，并對其控制策略進行探討。

永磁同步電機原理

永磁同步電機原理是，三相電流通入在電動機的定子繞組，使旋轉磁場形成于電動機定子繞組中，因為轉子上安裝了永磁體，而永磁體的具有固定的磁極，磁極同性相吸異性相斥，因此，定子中的旋轉磁場會影響轉子，帶動其進行旋轉，最終，轉子會和定子中產(chǎn)生的旋轉磁極具有相同的旋轉速度，所以，永磁同步電機啟動過程可以看做是異步啟動階段和牽入同步階段共同組成的。

永磁同步電機結構

永磁同步電機的組成是由轉子、端蓋和定子等部件。通常來說，永磁同步電機與普通感應電機結構十分相似是其最大的特點，而與其他電機的區(qū)別則在于其轉子結構具有獨特性。因為，永磁同步電機的轉子上有質(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分為內(nèi)嵌式、面貼式和插入式三大類，具體如圖1所以。

永磁同步電機控制策略

恒壓頻比控制。恒壓頻比控制是通過開關控制使電機運轉維持一定的轉速，簡單來說，就是按照系統(tǒng)給定，通過空間矢量脈寬調(diào)制轉化成理想的輸出。恒壓頻比控制應用的依據(jù)是對電機穩(wěn)態(tài)進行模擬，得到的是不理想的動態(tài)控制系統(tǒng)性能。因此，如果想獲得動態(tài)性能較高，就需要數(shù)學模擬電機動態(tài)。永磁同步電機的動態(tài)數(shù)學模型較為復雜，是非線性、多變量的，其中包括角速度和電力的乘積項，因此，必須采用對角速度和電流解耦的方式才能夠使控制性能更加精準。最近幾年，為了能夠更好的解決永磁同步電機非線性特定這一問題，已經(jīng)對各種非線性控制器進行了研究。

矢量控制方案。F.Blaschke是德國西門子公司，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注，并且，對其理論和應用等方便都展開了較為深入的研究。簡單來說，矢量控制就是利用普通的三相交流電機，對直流電機轉矩的控制規(guī)律進行模擬，也就是說，把三相交流電機的定子電流進行分解，得出勵磁電流和轉矩電流的分量，并在磁場定向坐標上垂直的對勵磁電流分量和轉矩電流分量進行標記，使其獨立后，分別的對其進行調(diào)節(jié)。通過這樣的方式就使得交流電機與直流電機在轉矩控制原理和特性上基本一致。而在進行矢量控制時，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矩控制性能為目的，以定子電流控制為最終的實施方式。因為，定子測的物理量均為交流量，所以，空間矢量在空間旋轉是同步轉速，這樣十分不便于調(diào)節(jié)、控制和計算。所以，此時坐標變換十分有必要，這樣能夠將各物理量由靜止轉換到同步旋轉坐標系。該準則是產(chǎn)生同樣的旋轉電動勢，三相靜止坐標系將交流電iA、1B和ic進行3/2變換以及d B/dp變換，便能夠等效成同步旋轉坐標系下的直流電1d、iq，觀察者如果和旋轉坐標系旋轉速度相同，那么，就能夠看到直流電機。

矢量控制方案也存在一定的不足，因為，矢量控制方案針對交流伺服電機控制較為有效，但由于需要矢量旋轉變換，所以該方式較為復雜，而且，與電磁常數(shù)相比，電機的機械常數(shù)較慢，質(zhì)量控制的中轉矩相應速度不夠。

直接轉矩控制。直接轉矩控制是由上世紀80年代德國學者Depenbrock提出，其優(yōu)點是結構簡單、轉矩相應快等，更好的解決矢量控制中存在的問題。直接轉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，通過離散的兩點式控制對電機定子磁鏈和轉矩進行調(diào)節(jié)。通過直接轉矩控制可以使磁鏈和轉矩雙閉環(huán)控制得到實現(xiàn)。當電機的磁鏈和轉矩值獲得之后，便能夠對永磁同步電機進行直接轉矩控制。圖2為永磁同步電機直接控制方案結構圖，其組成是永磁同步電機、逆變器、轉矩估算、磁鏈估算和電壓矢量切換開關表等環(huán)節(jié)，其中的uD、uQ，iD、iQ是靜止DQ坐標系下電壓、電流分量。

本文對永磁同步電機的基本原理和結構進行了簡單的介紹，并闡述了恒壓頻比控制、矢量控制方案和直接轉矩控制三種基本控制方式。通過本文內(nèi)容可以看出，每種控制策略都存在其特有的優(yōu)勢，但也有一定的弊端，因此，在選擇控制策略的時候，要根據(jù)實際情況選擇合理的控制方法。并且，在科學技術不斷發(fā)展的當下，永磁同步電機的控制理論和策略會不斷推陳出新，以此來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在更多領域發(fā)揮作用，拓展永磁同步電機的發(fā)展空間。